组合电器设计

谈谈GCB/GIS的可靠性设计我国高压、超高压和1000kV特高压GCB/GIS近年来令人振奋的进步，为建设坚强电网、西电东送和全国联网做出了重要贡献。

我们在为技术进步欢欣鼓舞时，更应倾听使用部门要求进一步“改进和提高现有产品质量”的呼声[1]，为支持国家智能电网建设，要求GCB/GIS具有更高的运行可靠性和更先进的技术性能。

产品运行可靠性取决于产品的设计质量、制造质量和使用维护水平，是供需双方共同努力的课题。

应特别强调的是，GCB/GIS制造质量首先决定于其设计质量。

设计不可靠，造不出可靠的产品，更不能期盼产品运行的可靠性。

GIS在运行间隔数较多的西安西电开关电气有限公司和新东北电气（沈阳）高压开关有限公司产品在运行中，表现了较好的运行可靠性（平均故障率分别为0.084次/百间隔⋅年和0.101次/百间隔⋅年）[2]。

但是，不是所有GCB/GIS制造者都重视产品设计可靠性；否则，就不会让一些设计可靠性不高的产品至今还在某些企业生产。

也不是GCB/GIS所有的使用方都注意到了这个问题；否则，就不会出现不研究产品设计可靠性，见洋品牌就慷慨解囊的不正常现象。

希望本文能引起制造与使用双方有更多的人来关注GCB/GIS的设计可靠性。

制造方从改善设计入手，从根基上提高产品的运行可靠性。

使用方也应从了解研究产品设计可靠性入手，去优选产品（而不囿于市场价位），以获得较高的运行可靠性。

1.从GCB/GIS常见事故看可靠性设计的重点根据国家电网公司的调查统计资料[2]，GCB/GIS的运行质量问题主要集中在126~252kV的产品，故障部位主要分布在GIS中的断路器（CB）及隔离开关（DS）、接地开关（ES）等可动元件间隔，CB主要集中在操作机构和内绝缘部位[1]、[3]。

与产品设计制造有关的质量问题是：1.1 GIS内绝缘问题GIS内部“绝缘问题是造成组合电器故障的主要原因”，2003~2008年，国网共发生GIS“绝缘事故24次，占事故总数的72.7%”。

[2](1)GIS内绝缘损坏“最常见的是盆式绝缘子沿面放电”。

此外，在“GIS的PT、避雷器气室是发生故障和缺陷较为集中的部位”，文[2]分析：“PT与避雷器等间隔无法进行耐压试验，造成部分缺陷隐患未能及时发现”。

华北电力科学研究院在文[4]中也指出“xxxxxx的220kVGIS现场交接耐压时有几个绝缘盆表面闪络”。

(2)作者在西安高压电器研究院试验站还见到该类GIS中断路器的绝缘操作棒在短路开断试验中出现沿面放电。

(3)在谈及产品内绝缘故障时，文[3]还特别指出某些罐式断路器T·GCB内部“绝缘设计裕度较小，产生异物后容易在绝缘薄弱处发生放电”，在国网公司系统运行的550kVT·GCB共发生“内部放电故障16台次”。

在文[2]中也统计了同样的故障。

(4)某些GIS在追求小型化设计中，牺牲内绝缘的设计裕度。

作者了解到某些国外产品因灭弧室断口绝缘设计裕度小在分闸带电备用时CB断口发生击穿的故障。

(5)导致GIS内绝缘破坏的另一类原因是：电接触设计失误引发绝缘事故。

文[2]在呼吁提高产品制造质量时，指出某500kV GIS的母线间隔气室中的母线“触头座没有加装限位止钉，在电动力作用下，B相母线导体相对位移变化较大，造成盆式绝缘子静触头触指与导电杆松脱，导致导电杆与屏蔽罩、筒壁的安全距离不够引发放电”。

作者在西安试验站也观察到触头无定位装置，在短路开断试验时由于电动力作用导致导电杆位移、触指接触不良、接触点产生电火花、最终引发对地（外壳）放电（触头电火花破坏了对地气隙绝缘，承受不了短路开断时的工频恢复电压）。

1.2SF6泄漏问题据文[1]统计近5年来在全部GIS的严重缺陷中，“SF6漏气缺陷所占比例最高，共发生87间隔·次，约占严重缺陷的23%”，据作者观察某些漏气与产品密封结构设计不良有关。

1.3GIS气室划分不合理电科院在文[3]中对某220kVGIS把三相母线与隔离开关划为一个相通的气室表示不满。

因为，在双母线布置的GIS电站，当某一母线发生故障要停电抽气检修时，因该母线隔离开关断口的一端与另一母线电气连通（带高电压），故障母线检修抽气时，SF6气压下降，文[2]警告“可能发生隔离断口击穿或对地击穿的事故。

为了保证安全，运行部门只能采取两条母线全部同时停电的方式进行故障侧的检修工作”。

可见，一个不良的设计，会对GIS的使用带来多大的麻烦。

1.4CB操动机构及传动装置的质量CB操动机构问题较多地集中在液压机构，尤其是252kV CB配用的液压机构最为突出。

文[3]指出“据统计，252kV断路器共发生强迫停运271次，属于操动机构及其传动环节原因就有167次，占61.7%，其中液压机构137次，气动机构27次，弹簧机构3次”。

问题最突出的是液压机构，其集中表现是渗油、漏油。

1.5GIS局部放电的监测GIS局部放电监测对GIS运行可靠性的影响甚大。

局放监测分：用内置传感器在线监测和用便携式仪器在GIS体外监测两种方法。

有的GIS产品两种方法结合使用，有的只用一种（内置传感器在线监测）。

陕西省电力试验研究院在文[5]中谈到：“内置式传感器位置固定，数量不多，因此不能做到处处都监测到，曾发生过用在线内置监测设备（GIS）还发生闪络爆炸的事故。

因此内置的固定在线监测设备和便携的移动检测设备也是互为补充的关系。

并非使用某一种检测手段就能包打天下，解决全部问题。

”——用户的这些使用经验，值得GIS设计者重视。

上述信息表明，GCB/GIS的主要运行质量问题集中在内绝缘、气密性和机构，其次是气室划分、局放监测等在线监测方面。

这些问题中，有些在型式试验时没有反映，为什么在运行时又出现了问题呢？除了现场安装调试不当的原因之外，也包括GCB/GIS批量生产时加工质量不稳定和GCB/GIS可靠性设计不良的因素。

下面对GCB/GIS的可靠性设计进行分类剖析，供大家在完善GIS可靠性设计时参考。

2．盆式绝缘子的可靠性设计2.1盆式绝缘子可靠性设计中的种种失误GIS内绝缘破坏较突出的表现是盆式绝缘子沿面闪络，其原因除GIS组装和现场安装时表面污染之外，主要是下述种种不良设计造成盆子绝缘能力临界或潜藏绝缘不稳定的隐患。

2.1.1 沿面爬电距离设计不足爬电距离设计临界时，如果无不良的组装因素和运行时附着导电粒子的干扰，该盆子基本上能安全运行；可是，上述两方面的干扰是很难完全避免的，这些干扰是诱发盆子运行时发生沿面闪络的原因。

2.1.2 盆子两端电极形状设计不良有些GIS壳体与盆式绝缘子接触处（壳体法兰）的圆角R1和带电部分圆角R2（见图1）的尺寸设计过小，其值与产品的额定电压等级和它应具备的绝缘能力极不相称，圆角R1与R2尺寸过小时场强偏高，如果再加上盆子表面爬电距离也偏小，盆子表面场强必然偏高，在遇到过电压时会产生较大的局部放电，甚至发展为相间或对地沿面闪络。

2.1.3 对楔形气隙的不理解或处理不当GIS盆式绝缘子或其它绝缘件在电极—固体绝缘—SF6气体三交区构成楔形气隙的危害，作者在26年前通过电场计算分析已公开转告同行，以后又多次提醒设计者重视（见文[6]6.2.4节），直至近日作者在真空浸渍绝缘件设计要领中还在强调处理楔形气隙的重要性[7]。

之所以反复强调，是因为它的影响大而有时具有隐蔽性而被人忽视。

楔形气隙明显时，会导致产品高压绝缘试验失败；楔形气隙不十分明显时它的影响常带有隐蔽性。

它可以避过产品型式试验或出厂试验的考核，但在现场安装时清洁度稍不小心其影响就暴露，或以局部放电逐步发展的方式在GIS运行一段时间后酿成内绝缘事故。

作者发现，在国内外某些公司至今还有设计人员对它的不良影响不理解或处理不当，给GIS的运行带来内绝缘设计隐患，现将近年来见到的分述如下。

（1）对楔形气隙不理解、不处理如图1所示，这样不处理楔形气隙的设计（壳体法兰与盆式绝缘子法兰平面的间隙δ1=0，触座与盆子嵌件处的平面间隙δ2=0），虽然在20多年前，国内外有些公司已作纠正。

但至今国内外仍有些公司的GIS盆式绝缘子上，还保留着这种错误的设计。

在产品的绝缘试验中，已观察到绝缘性能的不可靠或不稳定性。

图1.盆式绝缘子上未处理的楔形气隙（δ1=0，δ2=0）图 1.是某110kVGIS盆式绝缘子的结构设计（局部）。

图中R1=8mm，R2=10mm。

该结构的电场计算表明，在楔形气隙中的触头座R2上施加 550kV 时，场强高达72.650kV/mm，壳体法兰R1处场强为44.517 kV/mm（见图2），R2处盆子表面为36.878kV/mm，R1处盆子表面场强为21.163 kV/mm（见图3），都大大超过了SF60.5MPa时电极允许值[E1]=29 kV/mm、壳体允许值[E5]=15kV/mm及盆子表面允许值[Eτ] =[E1]/2=14.5 kV/mm（参见文[6]表4-1及表6-1）。

数值依次是：72.65、44.517、72.454、30.225图2.盆式绝缘子上楔形气隙中的高场强图3.楔形气隙处盆子表面场强（2）楔形气隙处理不当（1）——R1、δ1及R2偏小如图4所示，在盆子绝缘体的法兰面上设计的凹槽太浅，该设计因槽深不够（δ1=1），圆角R1也很小，楔形气隙不良影响的隐患依然存在。

这样的不当设计也存在于国外某些公司的252kVGIS的盆式绝缘子上（图4示处其局部结构），并经国内某些公司盲目效仿制造用于电网，虽然其试品通过了型式试验的验证，由于无设计裕度，零部件制造质量和组装质量稍有波动就会出现问题：该产品在出厂试验时和现场安装后的交接试验时，曾发生过盆子放电现象。

下面的电场计算结果表明了这种故障存在的必然性。

图4.楔形气隙处理不当（1）——R1、δ1及R2偏小当R1=4、δ1=1、R2=10、δ2=3时，在 1050kV电压下，R2处计算场强达到27.294kV/mm，附近盆子表面为13.752 kV/mm，R1处为14.919 kV/mm（见图5及图6）。

都已很接近允许值14.5kV/mm（盆子表面）和15 kV/mm（壳体R1上），制造中稍有疏忽（如R1圆角尺寸及表面状况的不良），就会出问题。

图5.在图4中R1、δ1及R2偏小时场强计算值图6.盆式绝缘子（图4）上表面电场分布(3)楔形气隙处理不当（2）——壳体法兰带凸台如图7所示，有的GIS盆式绝缘子在与壳体接触的法兰面上不设凹槽，而在壳体法兰上设凸台（δ3），盆子法兰面与盆式绝缘子的金属外圈平面间留有微小的浇注间隙δ0。

该设计形式上看，在三交区不存在楔形气隙了，但是，凸台上的尖角以及间隙δ0都使该区域场强增大，导致该盆式绝缘子在高压试验和短路开断试验中多次沿面闪络烧坏。