一種工程實用的G I S定量檢漏方法

龍錦壯，王克濤，趙鑫，周軍

（煙臺供電公司，山東 煙臺 264000）

封閉式組合電器以其安全性、可靠性、小型化等特點已被電力系統廣泛采用。SF6氣體是GIS設備的主要絕緣介質，其純度、壓力、微水含量是影響設備絕緣的重要指標。氣體泄露將導致壓力降低，氣室內氣體壓力降低到一定程度時保護將閉鎖斷路器和隔離開關，嚴重時將會威脅電網安全穩定運行。同時，SF6氣體為有毒氣體，氣體的大量泄露將造成環境污染并威脅運行人員安全[1]。如何有效防止GIS設備氣體泄露、發現漏點并及時處理對系統的安全運行尤為重要。SF6氣體年泄露率是衡量組合電器密封性的重要指標。《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》（GB 50150-2006）和《氣體絕緣金屬封閉開關設備現場交接試驗規程》中明確規定：GIS的密封性要求每個隔室的年漏氣率不應大于1%。

目前，封閉式組合電器定量檢漏的方法對于工程實際操作難度大、測量準確性低。《高壓開關設備六氟化硫氣體密封試驗方法》中推薦的掛瓶法和包扎法僅適用于體積較小的開關設備。對于體積龐大的封閉式組合電器，因其間隔一一相連且各氣室壓力可能不一致（滅弧氣室與非滅弧氣室），僅在相鄰氣室的法蘭處包扎檢漏并不能準確確定每一氣室的年泄漏量。且對于大型封閉式組合電器，掛瓶法和包扎法年泄露率計算中所需的試品體積、密封系統容積和密封罩體積均不易確定，影響測量精度。

本文就此問題提出了新的施工工序，并以充氣量為依據準確計算出氣室容積，提升了定量檢漏的可操作性和準確性。

1 氣體泄露特點及危害

從GIS檢修記錄統計結果看，氣體泄露主要發生在焊縫、密封圈密封面、氣體密度繼電器等部位[2]。造成漏氣的主要原因有接頭、法蘭緊固力矩不夠、熱脹冷縮、密封件老化、密封面劃傷或夾渣、制造缺陷和安裝缺陷等[3-4]。氣體泄露將導致如下問題：

1）氣室氣壓降低、絕緣效果變差。SF6作為主要的絕緣介質，其濃度直接影響絕緣效果。氣體泄露后，氣室內SF6濃度變低，絕緣能力降低，可能導致分閘過程中電弧難以熄滅，造成帶電設備接地。而大部分變電站配置有低氣壓閉鎖斷路器功能，在故障情況下將導致事故的進一步擴大[5]。

2）使氣室微水含量增大。環境中的水氣將可能沿漏點滲透入GIS氣室。反復的補氣也會導致氣室內微水含量的升高。微水含量增大也將破壞設備絕緣，其化學反應產物HF和H2SO4會對設備造成腐蝕。

3）加劇溫室效應。SF6氣體雖然不會破壞臭氧層，但是對全球氣候變暖有特別大的影響，其地球溫暖變化系數GWP（Global Warming Potential）為CO2的23900倍[6]。SF6在大氣中的濃度已呈逐年上升趨勢，對氣候的影響作用也將日益突顯。

4）使人窒息。SF6氣體本身無毒，但是大量吸入后會導致人員窒息。若有氣體大量泄露，工作人員應迅速脫離現場至空氣新鮮處，保持呼吸道通暢，如呼吸困難，及時給輸氧。

2 常見的檢漏方法

2.1 定性檢漏

1）抽真空檢漏。施工過程中的檢漏。GIS安裝完成后對其進行抽真空處理，當真空度等于1.33×10-4MPa時，續抽30 min后停泵，讀取真空度A，5 h后再讀取真空度B，如B-A＜1.33×10-4MPa，則初步認為密封性合格。該方法可發現較大的漏點，且因氣室尚未充氣，漏點處理較方便。

2）檢漏儀定性檢漏。氣室充氣完成后，用靈敏度高于1 μL/L的SF6檢漏儀沿外殼焊縫、密封面、管路接頭等處進行檢漏，若無報警則認為檢測合格。此方法可能因探頭移動不穩導致誤報和漏報。

2.2 定量檢漏

傳統的定量檢漏有扣罩法、局部包扎法、掛瓶法等。其原理大致一致，在一定時間內收集泄露氣體，測量泄露氣體的濃度，計算其與氣室內氣體總量的比，折算出氣體的年泄漏率。

漏氣率（MPa·m3/s）：

式中，ΔC為試驗開始至終了時泄露氣體的濃度增量，為測量的平均值，10-6；Δt為測量的間隔時間，s；Vm為密閉罩容積，m3；V1為試品體積，m3；P為絕對大氣壓，0.1 MPa；相對年漏氣率Fy（%/年）：

式中，V為試品氣體密封系統容積，m3；Pr為額定充氣壓力，MPa。

上述測量方法受被測系統的形態、大小等影響，因而適用范圍受到局限。扣罩法、掛瓶法適合于小體積的密封系統定量檢漏。對于大體積的GIS，局部包扎法較適合。然而，在實際操作中會因密封系統容積難以確定等問題影響測量精度[7]。

激光成像檢漏儀檢漏法[8]這是近幾年新興起的高科技檢漏方法，能夠在設備不停運的條件下對設備各部位檢漏，能夠直接觀察到氣體逸散的漏氣點。但受設備體積、安裝操作的復雜程度、現場風力、光照設備布局條件約束也不是一種“全天候”的檢漏方法。

3 對局部包扎法進行的改進

3.1 提升可操作性

對于體積龐大的封閉式組合電器，因其間隔一一相連且各氣室壓力可能不一致（滅弧氣室與非滅弧氣室），按照以往的施工工序，僅在相鄰氣室的法蘭處包扎檢漏并不能準確確定每一氣室的年泄漏量。

A、B：母線及隔離開關氣室，C1-C3：斷路器氣室，D1-D3：隔離開關及接地開關氣室，E1-E3：法蘭；斷路器氣室為滅弧氣室，其他氣室為非滅弧氣室。110 kV GIS滅弧氣室額定壓力為0.6 MPa，其他氣室額定壓力為0.4 MPa。

傳統的施工方法：GIS對接組裝——抽真空——充入氣體至額定壓力——檢漏。如圖1所示，當氣室均充入額定壓力后，在E1處包扎檢漏并不能確定氣體為A氣室還是C1氣室所泄露，因而無法準確確定每一氣室的年泄漏率。

圖1 GIS部分氣室示意圖Fig.1 Partial gas chamber of GIS

改進后的施工方法：GIS對接組裝——抽真空——奇數氣室（首先任選一個氣室定義為為奇數氣室，與奇數氣室相鄰的氣室為偶數氣室，與偶數氣室相鄰的為奇數氣室）充入氣體至額定壓力——偶數氣室充入0.02 MPa微正壓力氣體——包扎檢漏，用式（1）計算奇數氣室氣體泄漏率F1——偶數氣室充氣至額定壓力——包扎檢漏，計算相鄰兩氣室氣體泄漏率Fm，偶數氣室的氣體泄漏率F2=Fm-F1，將F1、F2分別代入式（2），分別計算出奇數氣室年泄漏率Fy1和偶數氣室年泄漏率Fy2。

注：泄漏率F1、F2和Fm應為該氣室的所有法蘭包扎處的氣體泄漏率之和。如，C1氣室的氣體泄漏率應為E1、E2兩法蘭連接處的泄漏量之和。

3.2 提高準確性

實際工程中，測量精度主要受V1試品體積、V密封系統容積和Vm密封罩體積的準確性及SF6氣體濃度測量方法的影響。

密封罩體積Vm的確定：可定制加工標準尺寸的正方體或圓柱體密封罩，用正方體和圓柱體體積計算公式計算出密封罩體積。

試品體積V1的計算：GIS外形一般為圓柱形，可通過圓柱體體積公式計算出被包扎部分的體積。

式中，L為圓柱體周長，m；H為圓柱體高，m。

密封系統容積V的確定：因密封系統內部導體結構復雜（尤其是斷路器和隔離刀氣室），密封系統容積較難確定。現提出，通過充入氣體的質量和所引起的氣室壓力變化準確計算出試品容積。

氣體狀態方程：

式中，P為氣體壓力，Pa；V為氣體體積，即氣室容積，m3；n為氣體物質的量，mol；T為開氏溫度，K；m為氣體質量，kg；M為氣體摩爾質量，0.146 kg/mol；R為常數，8.314。

由式（6）得：

式中，Δm為充入氣體的質量，等于充氣前氣瓶質量與充氣后氣瓶質量的差，kg；ΔP為氣壓增量，等于充氣后氣室氣壓值與充氣前氣室氣壓值的差（氣壓表讀數之差），Pa。

采用式（7）計算出的氣室容積V不受氣室形狀及內部導體構造的影響，計算準確性高。

SF6氣體濃度測量方法：SF6氣體分子量比空氣大，主要集中在密閉罩底部。為提高測量準確度，建議在密閉罩內不同位置（底部、中部、上部）分別選取幾個測量點進行測量，然后對測量結果取平均值。

4 工程實例

依據實際工程，采用該方法對某110kV封閉式組合電器一進線間隔進行定量檢漏，檢漏過程數據及結果如下。

說明：

1）密閉罩采用長方體密閉罩。

2）檢漏儀為上海唐山儀表有限公司生產的LF-1型SF6氣體定量檢漏儀（最小檢測值為0.1 μL/L，誤差≤3%）。

3）檢測點分別取每個密閉罩內底部、中部、上部各4個點。

數據分析：該110 kV封閉式組合電器進線間隔各氣室的SF6氣體年泄漏率均低于《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》[9]（GB 50150-2006）和《氣體絕緣金屬封閉開關設備現場交接試驗規程》[10]中規定的最大限值，符合生產要求。

5 結論

1）依據檢修經驗，結合相關文獻，對SF6封閉式組合電器的常見泄露處進行總結，并對檢測其密閉效果的必要性進行了充分闡述；

2）對幾種常規的檢測方法進行了對比，結合GIS封閉式組合電器的安裝工藝及施工工序，對局部包扎法進行了改進，提高了其工程可操作性；

表1 定量檢漏過程數據Tab.1 Process data of quantitative leaking detection

3）基于工程精度要求，對誤差進行了分析。在此基礎上，利用氣體狀態方程計算出密閉氣室容積，改良了測量方法，提高了測量精度；

4）在某變電站電氣安裝過程中，采用此檢測方法對某間隔氣室進行定量檢漏，從而驗證了本測量方法的可行性和有效性。

[1] 張四江，王軍，宋小衛．750 kV GIS設備漏氣原因分析及處理方法[J].電網與清潔能源，2009，25（10）：56-58．ZHANG Si-jiang，WANG Jun，SONG Xiao-wei.750 kV GIS equipment leak analysis and treatment methods[J].Power System and Clean Energy，2009，25（10）：56-58（in Chinese）．

[2] 郭清海，鄺石．GIS設備滲透原因分析及對策[J]．電網技術，2000，24（9）：8-9．GUO Qing-hai，KUANG Shi.Analysis on leakage of gis equipment and itscountermeasures[J].Power System Technology，2000，24（9）：8-9（in Chinese）．

[3] 佟智勇，甄利，張遠超．SF6開關設備檢漏及漏點處理現場實踐[J]．高壓電器，2010，46（5）：92-97．TONG Zhi-yong，ZHEN Li，ZHANG Yuan-chao.On-site practice on SF6switchgear leak detection and the leaking point treatment[J].High Voltage Apparatus，2010，46（5）：92-97（in Chinese）．

[4] 朱岸明，宋朝暉，方勇，等．一起800 kV罐式斷路器漏氣原因分析[J]．電網與清潔能源，2010，6：56-57．ZHU An-ming，SONG Zhao-hui，FANG Yong，et al.Analysis on causes of a gas leakage on the 800 kV Tank-Type circuit breaker[J].Power System and Clean Energy，2010，6：56-57（in Chinese）．

[5] 王薇，張艷濤.組合電器（GIS）母線保護動作事故處理[J]．電網與清潔能源，2008，24（9）：17-19.WANG Wei，ZHANG Yan-tao.Fault treatment of busbar protection device operation on GIS[J].Power System and Clean Energy，2008，24（9）：17-19（in Chinese）．

[6] 吳彬，舒立春，司馬文霞，等．SF6氣體絕緣與地球溫室效應問題[J]．高壓電器，2000，6：23-26．WU Bin，SHU Li-chun，SIMA Wen-xia，et al.SF6gas insulated with earth’s greenhouse effect[J].High Voltage Apparatus，2000，6：23-26（in Chinese）．

[7] 張艷妍，蒙海軍，姚翔．GIS設備包扎檢漏的新方法及在工程中的應用[J]．電力建設，2007，28（11）：48-51．ZHANG Yan-yan，MENG Hai-jun，YAO Xiang.A new method of GIS binding leakage inspection and its engineering application[J].Electric Power Construction，2007，28（11）：48-51（in Chinese）．

[8] 胡偉濤，隋少臣．紅外檢漏成像儀在SF6電氣設備狀態檢修中的應用[J]．高壓電器，2010，46（10）：90-92．HU Wei-tao，SUI Shao-chen.Application of gas find IRLW in condition-based maintenance of SF6electrical equipment[J].High Voltage Apparatus，2010，46（10）：90-92（in Chinese）．

[9]GB 50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].

[10]DLT618-1997氣體絕緣金屬封閉開關設備現場交接試驗規程[S]．