浅谈GIS设备SF6开关运行管理

王宗超

摘要：由于GIS设备体积小、占地面积小、不受外界环境影响、运行安全可靠、配置灵活和维护简单、检修周期长等优点，已广泛应用于高压输变电系统中。文章论述了GIS运行中SF6气体的水分、压力和纯度的管理办法，并对易渗漏SF6气体的部位、原因及应采取的措施进行了详细的分析。

关键词：GIS；SF6气体；运行管理

Abstract: due to the GIS equipment small volume, cover an area of an area small, not by external environment effects, safe and reliable operation, flexible configuration and simple maintenance and repair cycle is long etc, and has been widely used in high voltage transmission and transformation system. This article discusses the GIS in the operation of the gas water pressure, SF6 purity and the administrative measures, and to easy SF6 gas leakage reasons and positions of the measures should be taken and carry on the detailed analysis.

Keywords: GIS; SF6 gas; Operation management

中图分类号: TL62+9 文献标识码：A文章编号：

GIS的全密封结构使故障的定位及检修比较困难，检修工作繁杂。在GIS安装、运行和检修过程中，SF6气体的微水含量、纯度和密封的管理，关系到GIS的装备水平，气体管理得当，GIS的运行可靠性和寿命就能达到较高的水平。

1 水分管理

1．1 微水超标的原因

在运行中GIS中的SF6气体，微水含量的标准为：断路器气室≤300×10-6(v)，其他气室≤500×10-6(v)。水分进入GIS主要有以下3种途径。

(1)GIS设备中的有机绝缘材料所含水分经过长时间运行后，会渐渐从有机绝缘材料中析出并混入SF6气体中。

(2)从密封衬垫透进的水分，可用下式求取：

Q=(D×L×h／b)×t×△P

式中：Q为透过水分量；D为水分渗透率；L为密封垫长度；h为密封垫宽度；b为密封垫厚度；t为时间；△P为内外水蒸气压差。

(3)产品装配和安装环境下附着在器壁上的水分、抽真空残留在装置中的水，以及充气装置干燥不够带入的水分。

其中，GIS内微水超标的主要原因，是由于密封件泄漏渗入的水份进入到SF6气体中。因为GIS运行中内部SF6气压高于大气压，但就水分压力而言，外部的水分比开关内部要大得多。当20℃、相对湿度为80％时，大气水分压力为

Pl=0.8×23.8×10-4=19×10-4(MPa)

在额定SF6气压为0.6MPa的运行开关内部，SF6含水分为150×10-6(v)，内部水分压力为

P2=0.6×150×10-6=0.9×10-4(MPa)

开关内、外水分压力之比为

Pl／P2=19×10-4／0.9×10-4=21(倍)

由于开关外的水分压力为开关内的21倍，在这压力作用下，大气中的水分会逐渐透过密封件进入气体绝缘设备内。如果外界气温更高，相对湿度更大，则内外水分压差更大，水分通过密封薄弱环节进入GIS内部的可能性将更大。

1．2 对GIS的危害

当水分不足以在绝缘物表面产生凝露时，GIS的绝缘性能一般不会受到影响。在0℃及以下温度水分达到饱和气压时，在绝缘件表面会覆盖冰霜，由于冰霜是绝缘体，也不会影响GIS的绝缘性能。当相对湿度为30％时，尽管未产生露珠，但绝缘件表面闪络电压已开始下降，尤其是在运行中的开关，绝缘件表面覆盖有SF6气体分解物，在气体中含水很少时，这些分解物是绝缘的；但当SF6气体含水分较多时，受潮的固体分解物呈半导体特性，使绝缘件表面绝缘电阻下降，大大降低了电晕起始电压和击穿电压，从而引起高电压击穿，导致GIS绝缘整体性劣化。GIS内部形成局部放电的典型原因如图1所示。

图1 GIS内部形成局部放电的典型原因

SF6气体被电弧分解后的HF、H2S04气体将影响开关内绝缘件沿面电阻的变化，而且会对开关内的金属件和绝缘件产生腐蚀作用，比如开关内使用较多的铝板、脱锌铸铝件、铸铁、不锈钢、环氧树脂浇注件、聚四氯乙烯及氧化铝陶瓷等零部件，微水含量超标会加重腐蚀作用。

1．3 水分管理措施

应定期对GIS气室内的SF6气体进行水分检测。设备运行后每3个月检查1次SF6气体含水量，直至稳定后方可每年检测1次含水量。如果检测出其水分值超过规定值，则要对该气室的SF6气体进行净化处理(用专用的SF6气体处理装置)。对新加入的气体，须先进行水分检测，合格后方可加入。

为控制水分，在开关装置内装入吸附剂以吸收SF6气体中的水分和分解气体。吸附剂装入时，对SF6断路器等产生分解气体的开关装置，要同时考虑能够吸附SF6气体中韵水分和分解气体，对不产生分解气体的气室则只考虑吸收水分即可。通常采用的吸附剂是活性氧化铝，吸附剂是在设备安装时装入的，平时一般不进行更换。但若某气室被打开，那么该气室的吸附剂就必须更换新的或者对原吸附剂进行烘干处理后再装入。

2 压力管理

2．1 规定压力值

目前，GIS设备因生产厂家不同，气室的SF6气体充气压力值也不同，但出发点是对断路器气室考虑了报警压力和闭锁压力，其他气室只考虑了报警压力。某110 kV站采用的是ZFl0-126／T2000-31.5型GIS，其主要技术参数中规定SF6气体各压力值如表1所示。

表1 GIS气室规定SF6压力值(20℃) MPa

2．2 SF6气体压力的管理方法

目前对GIS中气体压力管理的基本方法是：对断路器气室规定了报警压力和闭锁压力，其他气室只规定了报警压力。报警压力给定值的目标是每6年进行1次全面检修，以使其基本不达到报警压力。此外，虽然密封衬垫长期劣化会引起气压下降，但目前尚无经验，不能求出密封衬垫老化与气压下降之间的关系，所以目前的标准只能将年漏气率规定为不大于1％。

对GIS的每个气室制作专用表格进行记录，每半个月对其SF6压力值进行记录，并与前次记录值进行对比，如有明显变化，则应进行漏气检测。对电压等级较高的GIS，因其体积大，可用局部包扎法检漏，每个密封部位包扎后历时5 h，要求测得的SF6气体含量(体积分数)不大于30×10-6。

3 纯度管理

3．1 SF6新气标准

国家行业标准DL408-1991中规定：SF6新气应按有关规定进行复核、检验，合格后方准使用；在气瓶内存放半年以上的SF6气体，使用前应先检验其水分和空气含量，符合标准后方可使用。SF6新气标准具体如表2所示。

表2 SF6新气质量标准

3．2 纯度的管理

由表2可见，SF6气体中的杂质有空气、CF4、水分、氟化物、油等。这些杂质也存在于新的SF6气体中，但数量极少，因此使用中可以忽略不计。国家行业标准DL／T 596中规定：SF6新气到货后，充入设备前应按GBl2022验收，抽检率为3／10。SF6气体充人电气设备24 h后，方可进行预防性试验。

关于补气和气体混合使用的规定是：所补气体必须符合新气质量标准，补气时应注意接头及管路的干燥；符合新气质量标准的气体均可混合使用。

DL408-1991《电业安全工作规定》中规定：设备内的SF6气体不得向大气排放，应采用净化装置回收，经处理合格后方准使用。设备抽真空后，用高纯氮气冲洗3次(压力为9.8×104 Pa)。将清出的吸附剂、金属粉末等废物放入20％氢氧化钠溶液中浸泡12 h后深埋。SF6气瓶应放置在阴凉干燥、通风良好的专门场所，直立保存，并远离热源和油污的地方，防潮、防阳光暴晒，并不得有水分或油污黏在阀门上。

4 气体泄漏的处理

4．1 气体密度及泄漏的监测

当高压设备的气室充有SF6气体后，应该用SF6气体密度来衡量是否已满足绝缘或灭弧的要求，因为SF6气室内的绝缘强度取决于SF6气体的密度值，与温度无关。一旦GIS内SF6气体发生泄漏，气体压力下降，导致SF6气体密度降低，造成开关设备耐压强度降低、断路器开断容量下降等严重的后果。为了保证SF6气体绝缘设备安全可靠运行，必须对SF6的气体密度、含水量等参数和泄漏情况进行严格监测，而不仅仅只是对SF6气体压力进行监测。

SF6密度值是指单位体积内SF6气体的分子数，是以在20℃时的充气压力来体现的。SF6气体的击穿强度与温度的关系曲线如图2所示。

图2 SF6气体击穿强度与温度的关系曲线

由图2可知，当气体密度恒定时，SF6气体的击穿强度与温度无关；当气体压力恒定时，SF6气体的击穿强度随温度的上升而下降。

在SF6气体的密度一定的情况下，温度发生变化时压力也随之改变，不同密度所对应的变化曲线各不相同。为了正确反映压力的变化是由漏气还是由温度变化引起的，必须通过温度补偿或修正的方法，使压力指示仪表的读数始终是20℃时的标准压力值，将此值等效为气室内SF6气体密度值。

当气体发生轻微泄漏，低于设定的报警值时，密度继电器能立即指示出漏气引起的密度变化。如果泄漏较轻，则密度继电器就会给出报警补气的信号，以防绝缘性能降低，此时设备还能继续运行；如果泄漏严重，气体压力低于设定的闭锁值时，则密度继电器就会给出一对闭锁接点信号，将开关操作闭锁，表示这时设备已不能正常运行，开关操作便会发生事故。

4．2 泄漏的原因分析及对策

气体泄漏的故障通常发生在GIS组合电器的焊缝、或由密封圈密封的密封面以及气体密封阀、压力表(气体密度继电器)结合面等处，此类故障约占GIS整个故障的40％左右。因此需要结合设备年度预试对这些部位做检漏工作，发现压力降低应及时对GIS补充SF6气体以保证SF6气体压力和密度，满足开关绝缘或灭弧的要求。

(1)焊缝渗漏。GIS焊缝有两类：一类是GIS罐体的焊缝，另一类是罐体之间的SF6气体连接铜管与其铜座之间的焊缝。SF6系列组合电器采用的是高质量的焊接罐体，所以此类焊缝的工艺和质量比较可靠，一般情况下不会通过此类焊缝发生渗漏。

(2)由密封圈密封的密封面。密封面可分为动态密封面和静态密封面。动态密封面按动作性质又分为转动密封面和滑动密封面。转动密封面位于隔离开关和接地刀闸的传动拐臂上，用于此类密封面上密封垫圈的转动范围约有76°，为了加强密封使用了三道O形密封垫圈。随着开关操作次数的增加和垫圈材料的老化，对这类密封面，尤其是对操作次数多的隔离开关或接地刀闸上的垫圈的密封状况需要特别注意。

滑动型密封面位于断路器的操纵拉杆上，其密封垫圈截面为V形，密封面为金属杆面，光洁度高，密封圈有4道，密封相当可靠，一般情况下不易发生渗漏。

静态密封面在现场安装检漏时发现的问题较多，发生渗漏主要原因是密封垫圈自身缺陷和密封面结合不良。检查和处理方法：在安装时严格检查密封垫圈，防止使用存在缺陷的密封垫圈；外观检查能够查出密封垫圈表面的裂纹、凹陷、突起等缺陷。由于O形环两侧的罐体中心线不在同一条直线上，也能导致密封不良而泄漏，处理方法是将错位的罐体调整、对正。

密封面结合不良的另一种原因，也是最为常见的一种情况是密封面的光洁度不良。处理密封面的方法是用砂纸手工打磨。对于不同大小的O形密封环的密封面，要用不同规格的砂纸处理。处理密封面时，密封面打磨的轨迹一定为周向，切勿出现径向划痕，选用砂纸要先粗后细。密封面处理好之后，要将其擦拭于净，不得存有灰尘和杂质。这样处理过的静态密封圈及其密封面，一般不会再发生渗漏。

(3)密封阀、压力表结合面。SF6气体通过气体截止阀的波纹管发生的渗漏是对GIS安全、可靠运行威胁最大的渗漏情况。GIS的每个气室都是由气体截止阀连至SF6压力表(密度继电器)再连至气室外侧气体截止阀的。当压力表和气室外侧的气体截止阀发生渗漏时，关紧气室内侧的气体截止阀就可以进行处理；而当气室内侧的气体截止阀发生了渗漏时，就只有将相关气室停电、回收SF6气体后再进行处理。

由于GIS内气体截止阀的用量相当大，保证气体截止阀的可靠密封是很关键的。气体截止阀可能发生渗漏的地方有两处：一是波纹管，二是聚四氟乙烯密封阀口。后者渗漏的原因一般是密封面脏污，难以处理，安装时须特别注意。而在阀口起密封作用的气体截止阀是气室外侧的截止阀，此阀外侧有O形环和密封板密封，不易发生渗漏。

5 结束语

只有对GIS设备日常运行维护、新建、扩建中的各个步骤和环节以及事故处理中有关事项进行充分重视，并严格执行GIS设备运行、检修的相关《规程规范》,逐步加强完善状态检查的技术手段，才能切实提高GIS设备的运行可靠性、提高GIS设备的健康水平。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看