GIS安全运行中的事故处理分析
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摘 要 本文主要论述了一起户外gis组合电器用绝缘盆子因防雨措施不周，造成紧固螺栓螺孔间隙积水并遇冷结冰，最终导致绝缘盆子密封环节处裂纹致内充SF6气体泄漏，从多方面剖析问题产生的主要原因并做好预防措施，避免类似问题发生从而保证GIS设备长期安全可靠运行。
【关键词】GIS 结冰膨胀 盆子开裂 泄露 力学模型
GIS是一种主要接在电力系统发、输、配电各环节的一次电路中，通过对电路的接通和分断操作，完成电能传输、分配与供给，并对电力系统及各类用电负载的运行进行保护与控制的开关设备；目前被大量用于变电站、发电厂或其他特种工业领域，其内部绝缘主要采用高于大气压的SF6气体作为灭弧和绝缘介质。
而SF6气体是一种非常稳定呈惰性的气体，具有良好的化学稳定性和热稳定性、卓越的电绝缘性和灭弧性能，因而SF6被广泛应用于高压电器。但在密封环节出问题导致SF6气体泄漏对GIS安全运行的危害也是致命的，因为轻则引起压力报警提示要及时补气和消缺检修，重则SF6气体压力快速下降，引起绝缘、灭弧性能就迅速下降，危及开关设备的正常运行，严重时易造成内部绝缘故障；所以防止SF6气体泄漏并保持长期良好的密封性能对于开关设备来说是至关重要的，本文对此列举案例作一些技术分析和探讨。
1 工程实例
2014年2月，我国北方某变电站用252kV GIS产品发现一个气室压力降低报警。经现场及时采用密封环节涂敷肥皂水检查，发现母线上隔离开关静侧盆式绝缘子紧固螺栓处漏气，具置位于机构连板与盆式绝缘子连接螺栓处，见图1。
对该漏气位置进行解体检查，发现该处盆式绝缘子沿漏气位置（通孔）向嵌件方向有长约120mm的贯穿性细裂纹，详见图2。可以直观确认是由于盆子裂纹造成SF6气体泄漏导致压力降低至报警压力值后报警。为进一步查找盆式绝缘子产生裂纹的原因，将问题盆子全新更换后将其进行检测分析和验证。
2 盆子裂纹原因排查分析
在GIS长期运行过程中发生盆子裂纹漏气的案例很不常见，所以需要多环节多层次进行问题原因剖析。
2.1 主观层面
首先核查该盆子出厂检验报告和现场试验情况，产品各气室检漏试验合格，产品整体局放试验值为1.9PC，局放量合格；并随产品一起通过工频耐压试验，说明出厂和现场交接试验时该盆式绝缘子各项性能完好。
其次同类型盆式绝缘子在研发试制阶段均进行了严格的冷热循环和高低温型式试验。试验样品也是随机取装配完成的盆式绝缘子，并按照符合实际产品的方式装好法兰和其他紧固件，按照规定要求力矩紧固。试验在室温20℃下以2℃/分钟速率降至-40℃，保持4小时，再以3℃/分钟速率升至20℃保持2小时，再继续升至110℃保持4小时，最后再降至室温20℃保持2小时，通过了着色和X射线探伤，未发现裂纹。证明同类盆子用填料、粘合剂等在温度变化作用下的结构强度、耐候性能是良好的
再次也对裂纹盆式绝缘子进行了X射线探伤、样条冲击试验及样条抗弯试验。试验结果均满足该型号盆式绝缘子技术要求。
通过以上排查说明该盆子本身不存在裂纹或因自身缺陷产生裂纹的可能性。
2.2 客观层面
本次漏气问题发生在北方地区的寒冷季节，发生裂纹的盆子是水平布置且裂纹是从盆子周边孔向中心延伸的；因此可以初步推断：发生裂纹的盆式绝缘子安装孔为光孔Φ19，紧固螺栓用M16，客观上存在配合间隙；且盆子裂纹处加装有刀闸操作机构安装板，机构安装板与壳体法兰贴合不紧（安装板与壳体法兰表面粗糙度要求较低），户外下雨时容易造成安装板与壳体法兰间、盆式绝缘子安装孔与螺栓间隙积水；而法兰下部装配有防雨帽，安装孔内积水又不易及时从下部排出，遭遇气候突变温度降到零度以下积水结冰膨胀，导致绝缘盆子受力开裂。具体结构见图3。
众所周知，水的密度为1kg/dm3，冰的密度为0.9kg/dm3，同质量的水结冰后体积要膨胀变大（约1.11倍）；水由液态结为固态冰的相变过程服从克拉伯龙方程：
dp/dT=ΔH/T（V2-V1） （1）
式中导数dp/dT相变过程中压强随温度的变化率
ΔH为水变冰的焓变（是一负值，相当于表示放热）
T为液固共存温度（凝固点）
V2为冰的体积
V1为水的体积
通常条件下，V2总是大于V1，dp/dT总是一个负值，即意味着压强增大，凝固点降低。但当容积严格不变时（并且原先装满水，不存在任何空气或其它可压缩物），只能通过压强增大而强迫体积不变，理论上说水变冰后容器受的压强为无穷大，可以说几乎没有容器可以承受。
由于盆子两侧是壳体金属法兰并用螺栓紧固，盆子螺栓孔隙就相当于一个密闭小容器，此处若进水后长期积水不能排出，遭遇低温结冰后容积可视为不变，此时压强会很大导致盆子裂纹以释放应力；与金属件相比，盆子上光孔直径方向为此处应力释放薄弱环节。所以盆子光孔积水结冰可建立简单力学模型分析此处受力，视孔轴向尺寸不变，直径φ19光孔积水结冰后直径要膨胀变为φ20，通过ANSYS力学软件计算光孔单边0.5mm的膨胀变形量所产生的理论应力为6052MPa，远大于盆子材料AL2O3的许用应力，导致盆子裂纹破坏密封环节造成漏气，与理论分析结论基本对应（见图4）。
为验证积水结冰导致盆子裂纹的可能性，也对盆式绝缘子光孔内注水后进行了在低温工况下模拟试验。将与本次裂纹盆式绝缘子同型号的盆子按照产品工况形态装配好，两个光孔间隙内注满水。从室温20℃以2℃/分钟速率降至-40℃，保持4小时，再以3℃/分钟速率升至室温20℃后进行X射线探伤。结果显示：两处光孔位置均出现由孔至外沿伸的贯穿性裂纹见图5，从而可以确认盆子裂纹是由螺栓孔间隙积水遇低温结冰膨胀造成盆子裂纹，引起气室漏气。
3 维护预防措施
针对此次盆子裂纹漏气故障，厂家除了尽快更换全新盆子恢复设备运行减少用户损失外，对此设备和类似户外GIS工程产品，防雨和防积水结冰无疑是至关重要的，后续也采取以下优化改进和预防措施：
（1）对容易进水部位进行防水胶涂覆，防水胶涂覆应沿机构安装板与壳体结合面涂覆防水胶，防水胶涂覆厚度不应小于3mm，保证两者充分接触防止雨水渗入。并去除图3中法兰下侧防雨帽，最苛刻情况假若雨水渗入后也能及时排出，杜绝和预防光孔内积水结冰对盆子的危害（见图6）。
（2）改进优化盆子结构，外缘增加金属环见图7，紧固密封通过金属环承受各种外界应力，以减弱绝缘件长期受外界应力的影响；将原光孔改为螺纹丝扣，螺纹紧固后通过外缘注胶结构，防止雨水侵入螺栓空隙，可以有效避免雨水渗入遇低温结冰胀裂盆子问题。
4 结束语
GIS在运行过程中因SF6气体泄漏造成的故障不少，泄漏点多发生在充气阀、管路接头、密封环节、焊接法兰、壳体焊缝、铝铸件砂孔等部位，其泄漏原因也很多，如文中所述积水结冰胀裂盆子漏气实属特殊个例，因此只有长期关注研究GIS各种运行工况和做好GIS全寿命周期管理，才能维护好GIS设备长期安全可靠运行，这是一个GIS产品持续优化改进和设备制造厂家可持续发展的过程。
参考文献
[1]黎斌.SF6高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2]宋国海.GIS安全技术的研究[D].杭州：浙江大学，2011.
[3]IEC 62271-2003.额定电压52kV以上气体绝缘金属封闭开关设备，2003.
[4]GB7674-2008.额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备，2008.
作者简介
杨伟刚（1976-）男，陕西省西安市人。硕士研究生学历。现为西安西电开关电气有限公司工程师，主要从事GIS组合电器研究设计工作。
作者单位
西安西电开关电气有限公司 陕西省西安市 710077