GIS設(shè)備中SF6氣體泄漏檢測(cè)分析

代相波，趙志剛，李勝輝，王 亮

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136;2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

GIS(Gas Insulated Switchgear)設(shè)備以其高可靠性、低占地面積、長(zhǎng)檢修周期、低損耗、低噪音等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。一般在GIS設(shè)備中以0.4～0.6 MPa的SF6作為絕緣和滅弧介質(zhì)[1-3]。GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對(duì)設(shè)備的制造、安裝等工藝要求極高，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于操作不當(dāng)、設(shè)備老化等原因易誘發(fā)SF6氣體泄漏[4-6]。

由于GIS設(shè)備均處于全封閉狀態(tài)，且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、工藝復(fù)雜，故一旦發(fā)生SF6氣體泄漏將會(huì)造成較大事故，其修復(fù)難度及修復(fù)時(shí)間亦大于其他充氣設(shè)備，會(huì)對(duì)GIS設(shè)備及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成破壞性影響[7]。本文就GIS設(shè)備SF6氣體泄漏原因、危害、檢測(cè)及預(yù)防措施進(jìn)行分析。

1 GIS設(shè)備氣體泄漏原因及危害

1.1 GIS設(shè)備氣體泄漏原因

GIS由于其工藝復(fù)雜，接口數(shù)量多且密封點(diǎn)多，故與其他SF6充氣設(shè)備相比，漏氣原因更難以確定，本文歸納3點(diǎn)原因。

a.設(shè)計(jì)施工缺陷：現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，施工人員由于未按照要求對(duì)接尺寸導(dǎo)致設(shè)備局部受力超出設(shè)計(jì)能力；波紋管不足、母線倉(cāng)過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致GIS設(shè)備缺乏足夠調(diào)整距離；設(shè)備平衡設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致移動(dòng)中發(fā)生尺寸偏移。

b.制造安裝缺陷：鑄件、法蘭、盆式絕緣子由于廠家生產(chǎn)設(shè)計(jì)或現(xiàn)場(chǎng)安裝不符合流程標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致有裂紋、砂眼等存在；設(shè)備密封圈設(shè)計(jì)不符合尺寸；防水未達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；拆修后密封安裝處理未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。

c.自然環(huán)境缺陷：“O”型圈進(jìn)水受潮；密封膠、密封件老化導(dǎo)致漏氣；熱脹冷縮導(dǎo)致設(shè)備變形；GIS設(shè)備運(yùn)行中振動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備受損[3,8-12]。

1.2 GIS設(shè)備氣體泄漏危害

在常溫下，SF6是一種惰性氣體，具有無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不易燃燒等特點(diǎn)，其分解溫度高(約為500 ℃，與水分解溫度約為200 ℃)，密度大(約為空氣5倍)，絕緣能力強(qiáng)(約為空氣2.5倍)，是一種優(yōu)良的電絕緣介質(zhì)[13]。GIS設(shè)備中，SF6氣體泄漏主要會(huì)產(chǎn)生如下問題[14-15]。

a.當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生異常發(fā)熱、局部放電(Partial Discharge,PD)等現(xiàn)象時(shí)，會(huì)使SF6分解為低氟化物及游離態(tài)氟，當(dāng)環(huán)境中為純凈SF6時(shí)，這些分解物將隨著溫度的降低迅速?gòu)?fù)合還原為SF6，但由于GIS設(shè)備還包含微量空氣、水、油等成分，使分解物轉(zhuǎn)變?yōu)镾O2、SOF2、H2S、HF、SO2F2、SOF4、S2F10等強(qiáng)酸性穩(wěn)定氣體，這些氣體會(huì)腐蝕設(shè)備中金屬部件及密封絕緣材料，從而使GIS設(shè)備的絕緣能力下降，影響其使用壽命。GIS設(shè)備中所產(chǎn)生毒氣也會(huì)對(duì)運(yùn)行檢修人員的身體健康造成影響。

b.作為GIS設(shè)備中主要滅弧及絕緣介質(zhì)，SF6的性能與其壓力密切相關(guān)。研究表明，當(dāng)壓力為0.3 MPa時(shí)，其絕緣性能等同于傳統(tǒng)絕緣油。因此，GIS設(shè)備氣體泄漏會(huì)降低其電氣性能。

c.根據(jù)《京都協(xié)定》及《巴黎協(xié)定》，SF6氣體的溫室效應(yīng)約為CO2的23 900倍，其泄漏會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

d.目前針對(duì)GIS設(shè)備漏氣現(xiàn)象，為保證GIS設(shè)備的正常運(yùn)行，當(dāng)漏氣發(fā)生時(shí)，需及時(shí)補(bǔ)充SF6氣體，而充入的SF6氣體又帶有微量水，使GIS中水含量進(jìn)一步增加，降低設(shè)備使用壽命。

e.SF6價(jià)格偏高，且SF6設(shè)備在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，如頻繁補(bǔ)充，不利于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 GIS設(shè)備中氣體泄漏檢測(cè)方法

當(dāng)前針對(duì)GIS設(shè)備的SF6氣體泄漏主要采用密度繼電器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)壓力值迅速下降時(shí)，即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，需人工參與使用定性檢測(cè)手段以盡快確定泄漏點(diǎn)，及時(shí)解決故障，避免影響安全生產(chǎn)。在實(shí)際運(yùn)行中，針對(duì)故障區(qū)域，工作人員首先使用便攜式氣體泄漏儀快速粗略定位，然后結(jié)合紅外成像法及激光檢漏法進(jìn)行精準(zhǔn)、迅速定位。

2.1 傳統(tǒng)檢測(cè)方法

傳統(tǒng)定性檢測(cè)方法主要包括皂水法和包扎法。皂水法是指對(duì)所有部位逐個(gè)涂抹皂水觀察漏氣情況，該方法直觀有效且成本低，但工作量大、無(wú)法測(cè)算具體泄漏速度且僅適用于小型設(shè)備中。包扎法是指將可疑漏氣部位用輕薄材料包扎，受氣體泄漏影響，泄漏點(diǎn)附近包扎物會(huì)鼓起，據(jù)此可大致確定泄漏位置及泄漏量，但該方法確定具體位置需多次對(duì)比，且受現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速以及操作人員經(jīng)驗(yàn)影響較大。另外，這兩種方法均需要測(cè)試人員接近GIS設(shè)備，因此不能做到運(yùn)行中檢測(cè)，待測(cè)設(shè)備均需停機(jī)，對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成一定影響[16]。

另外，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中也出現(xiàn)一些改進(jìn)方法。如檢測(cè)精度包扎法，該方法是在較大可能出現(xiàn)漏氣的位置用柔軟且輕薄材料進(jìn)行包扎，然后配合使用便攜式氣體檢漏儀在GIS設(shè)備表面快速移動(dòng)，待氣體沉淀一段時(shí)間后，重點(diǎn)檢測(cè)包扎部位。當(dāng)檢測(cè)到SF6氣體時(shí)，高敏設(shè)備會(huì)根據(jù)不同氣體濃度發(fā)出不同警告，檢測(cè)精度包扎法有較大提高，但具體位置的確定仍然需要多次測(cè)試，并且受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響較大[14]。

2.2 紅外成像法

波長(zhǎng)在0.75～1 000 μm之間的電磁波被稱為紅外光，當(dāng)具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光穿過(guò)氣體時(shí)，特征吸收頻率譜線的光便會(huì)被氣體吸收，SF6氣體吸收光譜主要集中在10.6 μm處[17]。 基于上述原理，可使用濾波器使儀器僅顯示10～11 μm這一窄波帶，即可形成直觀畫面。紅外檢漏儀可配合先進(jìn)的成像技術(shù)，及時(shí)、精確檢測(cè)到泄漏點(diǎn)，并以圖像方式展示。當(dāng)設(shè)備中無(wú)SF6氣體泄漏時(shí)，圖像顯示無(wú)明顯變化。當(dāng)氣體泄漏產(chǎn)生時(shí)，由于SF6對(duì)特性頻率紅外光具有吸收作用，在氣體泄漏部位形成煙霧狀陰影。且其陰影清晰度可隨泄漏濃度發(fā)生變化。通過(guò)判斷陰影清晰度及陰影走勢(shì)方向即可判斷泄漏點(diǎn)及泄漏速度。紅外檢漏儀原理如圖1所示。

圖1 紅外檢漏儀工作原理

應(yīng)用紅外成像法進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備價(jià)格較為昂貴，但紅外成像法可對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)備無(wú)需停機(jī)，避免對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成影響。另外，由于大氣中含有多種光，對(duì)檢測(cè)會(huì)造成一定影響，干擾SF6泄漏檢測(cè)的結(jié)果。因此，檢測(cè)設(shè)備對(duì)其精度具有較高要求，要能夠區(qū)分空氣中不同光之間的細(xì)微差別。盡管紅外成像法仍存在一定缺陷，但已是較為先進(jìn)的檢測(cè)方法，且檢測(cè)技術(shù)成熟，目前已廣泛應(yīng)用于各配電場(chǎng)所。

2.3 激光檢漏法

SF6激光成像檢漏儀的原理是：由激光發(fā)射器向待檢區(qū)域發(fā)射激光，激光攝影機(jī)捕捉被背景散射回的反向激光并成像[9]。當(dāng)GIS設(shè)備無(wú)泄漏時(shí)，成像與太陽(yáng)光成像無(wú)異。當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生泄漏時(shí)，由于部分激光被吸收，激光攝像機(jī)所捕捉圖像形成與無(wú)泄漏時(shí)不同的圖像，SF6泄漏越大，圖像差別就越明顯。激光檢測(cè)法可將不可見的SF6氣體在視頻中展示出來(lái)，并能方便觀測(cè)到泄漏點(diǎn)和泄漏方向。激光泄漏檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 激光檢漏儀工作原理

激光檢漏法可對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)，對(duì)SF6氣體以動(dòng)態(tài)云的方式在成像儀上展示，從而及時(shí)、精確發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備中SF6氣體泄漏。與傳統(tǒng)檢漏方法相比，激光檢漏方法可進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)、直觀，保障相關(guān)人員的人身安全；另外，該方法由于無(wú)需停電操作，可保證電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[18]。

3 GIS設(shè)備漏氣案例分析

3.1 案例

巡檢人員在對(duì)某220 kV變電站巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，母線氣室壓力偏低，現(xiàn)場(chǎng)采用手持式檢漏儀多次檢測(cè)均未準(zhǔn)確檢測(cè)到漏氣點(diǎn)。后巡檢人員采用激光檢漏儀進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)C相母線隔離開關(guān)與II母線連接的盆式絕緣子螺栓部位漏氣，泄漏氣體成煙狀飄散。廠家工程人員對(duì)該設(shè)備維修解體后發(fā)現(xiàn)，盆式絕緣子存在一條貫穿性裂紋，如圖3所示。對(duì)該絕緣子進(jìn)行更換后，故障消除。

圖3 盆式絕緣子裂紋

3.2 原因分析

本文通過(guò)對(duì)該缺陷盆式絕緣子返廠故障分析發(fā)現(xiàn)，漏氣位置安裝的盆式絕緣子安裝孔為光口而非螺旋口。由于廠家設(shè)計(jì)缺陷，該位置所加裝的隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)安裝板與法蘭配合不緊密，導(dǎo)致盆式絕緣子安裝孔內(nèi)易滲水，如圖4所示。而法蘭下部螺栓配有防雨帽，導(dǎo)致安裝孔內(nèi)進(jìn)水不能排除，在冬季積水后結(jié)冰發(fā)生膨脹，使盆式絕緣子運(yùn)行中產(chǎn)生裂紋而漏氣。現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)包含有該結(jié)構(gòu)的其他設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)另有其他螺栓出現(xiàn)進(jìn)水情況，如圖5所示，隨即拆除了該站所有底部光孔螺栓防雨帽內(nèi)防水墊。

圖4 盆式絕緣子安裝結(jié)構(gòu)

圖5 螺孔存水

4 預(yù)防措施

a.廠家應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行GIS設(shè)備的生產(chǎn)制造及出廠檢測(cè)?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要包括：GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》、Q/GDW 157—2007《750 kV電力設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》、Q/GDW 158—2007《750 kV電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》、Q/GDW 168—2008《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》[17,19-22]。

b.對(duì)相關(guān)設(shè)備定期巡檢，可采用肥皂水法、包扎法與激光檢漏法、紅外成像法相結(jié)合，以快速準(zhǔn)確完成設(shè)備巡檢工作。另外需密切關(guān)注各氣室壓力情況。

c.對(duì)于螺栓(特別是光孔式螺栓)端部及設(shè)備密封處應(yīng)加強(qiáng)巡檢力度，對(duì)于不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的部位應(yīng)及時(shí)處理，避免造成更大破壞[23]。

d.在設(shè)備的運(yùn)輸及安裝過(guò)程中，工作人員應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)書進(jìn)行，盡可能消除不必要的破壞性因素影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)GIS設(shè)備SF6氣體泄漏進(jìn)行分析，總結(jié)SF6泄漏原因及危害，闡述當(dāng)前主要使用的SF6氣體泄漏檢測(cè)方法。針對(duì)可能泄漏區(qū)域使用便攜氣體泄漏檢測(cè)儀粗略估計(jì)，結(jié)合紅外成像法及激光檢漏法精確、迅速定位。同時(shí)結(jié)合某地GIS設(shè)備氣體泄漏實(shí)例進(jìn)行分析，提出針對(duì)GIS設(shè)備氣體泄漏的預(yù)防性措施。