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1、谈谈GCB/GS的可靠性设计国内高压、超高压和100V特高压CBGIS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奉献。我们在为技术进步欢欣鼓舞时,更应倾听使用部门规定进一步“改善和提高既有产品质量”的呼声1,为支持国家智能电网建设，规定B/GS具有更高的运营可靠性和更先进的技术性能。产品运营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/G制造质量一方面决定于其设计质量。设计不可靠,造不出可靠的产品,更不能期盼产品运营的可靠性。GIS在运营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
2、运营中,体现了较好的运营可靠性（平均故障率分别为0.084次/百间隔年和0次/百间隔年）。但是,不是所有GCB/GIS制造者都注重产品设计可靠性;否则，就不会让某些设计可靠性不高的产品至今还在某些公司生产。也不是CB/IS所有的使用方都注意到了这个问题；否则，就不会浮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。但愿本文能引起制造与使用双方有更多的人来关注GC/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营可靠性。使用方也应从理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），以获得较高的运营可靠性。1. 从GCB/GI常用事故看可靠性设计的重点根据国家电网
3、公司的调查记录资料2，CB/GIS的运营质量问题重要集中在12652kV的产品,故障部位重要分布在GI中的断路器（B）及隔离开关()、接地开关(ES)等可动元件间隔，重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：1.1GIS内绝缘问题GIS内部“绝缘问题是导致组合电器故障的重要因素”，国网共发生GI“绝缘事故2次,占事故总数的7.7”。2(1) GI内绝缘损坏“最常用的是盆式绝缘子沿面放电”。此外，在“GIS的P、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实验,导致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“
4、xxx的20kVGIS现场交接耐压时有几种绝缘盆表面闪络”。(2) 作者在西安高压电器研究院实验站还见到该类GIS中断路器的绝缘操作棒在短路开断实验中浮现沿面放电。(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GCB内部“绝缘设计裕度较小，产生异物后容易在绝缘单薄处发生放电”,在国网公司系统运营的50kTCB共发生“内部放电故障16台次”。在文中也记录了同样的故障。(4) 某些GIS在追求小型化设计中，牺牲内绝缘的设计裕度。作者理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C断口发生击穿的故障。(5) 导致GIS内绝缘破坏的另一类因素是：电接触设计失误引起绝缘事故。
5、文2在呼吁提高产品制造质量时，指出某500V IS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，相母线导体相对位移变化较大，导致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起放电”。作者在西安实验站也观测到触头无定位装置，在短路开断实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、最后引起对地（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)。1.2 S6泄漏问题据文1记录近年来在所有I的严重缺陷中,“6漏气缺陷所占比例最高，共发生7间隔次，约占严重缺陷的%”,据作者观测某些漏气与产品密封构造设计不良
6、有关。1.3 GIS气室划分不合理电科院在文3中对某220kGS把三相母线与隔离开关划为一种相通的气室表达不满。由于,在双母线布置的电站,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“也许发生隔离断口击穿或对地击穿的事故。为了保证安全，运营部门只能采用两条母线所有同步停电的方式进行故障侧的检修工作”。可见,一种不良的设计，会对GIS的使用带来多大的麻烦。1.4 B操动机构及传动装置的质量C操动机构问题较多地集中在液压机构，特别是2kV CB配用的液压机构最为突出。文3指出“据记录，252kV断路器共发
7、生逼迫停运27次,属于操动机构及其传动环节因素就有67次，占6.7%,其中液压机构137次,气动机构次，弹簧机构3次”。问题最突出的是液压机构，其集中体现是渗油、漏油。1.5 GS局部放电的监测GIS局部放电监测对GIS运营可靠性的影响甚大。局放监测分:用内置传感器在线监测和用便携式仪器在体外监测两种措施。有的GI产品两种措施结合使用,有的只用一种(内置传感器在线监测)。陕西省电力实验研究院在文5中谈到：“内置式传感器位置固定,数量不多，因此不能做到到处都监测到，曾发生过用在线内置监测设备（GS)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
8、一种检测手段就能包打天下,解决所有问题。”顾客的这些使用经验,值得GIS设计者注重。上述信息表白,GCBGIS的重要运营质量问题集中在内绝缘、气密性和机构，另一方面是气室划分、局放监测等在线监测方面。这些问题中，有些在型式实验时没有反映，为什么在运营时又浮现了问题呢?除了现场安装调试不当的因素之外，也涉及GB/G批量生产时加工质量不稳定和GB/GI可靠性设计不良的因素。下面对B/I的可靠性设计进行分类剖析,供人们在完善GIS可靠性设计时参照。2盆式绝缘子的可靠性设计.1 盆式绝缘子可靠性设计中的种种失误IS内绝缘破坏较突出的体现是盆式绝缘子沿面闪络,其因素除G组装和现场安装时表面污染之外，重要
9、是下述种种不良设计导致盆子绝缘能力临界或潜藏绝缘不稳定的隐患。2.11 沿面爬电距离设计局限性爬电距离设计临界时，如果无不良的组装因素和运营时附着导电粒子的干扰，该盆子基本上能安全运营;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营时发生沿面闪络的因素。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1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级别和它应具有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
10、闪络。2.1.3 对楔形气隙的不理解或解决不当S盆式绝缘子或其他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，后来又多次提示设计者注重(见文66.4节)，直至近日作者在真空浸渍绝缘件设计要领中还在强调解决楔形气隙的重要性7。之因此反复强调，是由于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实验失败;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实验或出厂实验的考核,但在现场安装时清洁度稍不小心其影响就暴露，或以局部放电逐渐发展的方式在S运营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尚
11、有设计人员对它的不良影响不理解或解决不当,给GS的运营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、不解决如图所示，这样不解决楔形气隙的设计（壳体法兰与盆式绝缘子法兰平面的间隙1=，触座与盆子嵌件处的平面间隙2=0）,虽然在0近年前，国内外有些公司已作纠正。但至今国内外仍有些公司的IS盆式绝缘子上,还保存着这种错误的设计。在产品的绝缘实验中,已观测到绝缘性能的不可靠或不稳定性。图.盆式绝缘子上未解决的楔形气隙(=0，20）图1.是某110kVGIS盆式绝缘子的构造设计(局部)。图中R1，R21m。该构造的电场计算表白，在楔形气隙中的触头座2上施加55kV时,场强高达72
12、.60kVmm，壳体法兰R处场强为44.57Vmm（见图）,R处盆子表面为67/mm，R1处盆子表面场强为21.163 kV/mm(见图),都大大超过了F65Ma时电极容许值1=29 km、壳体容许值5=1kV/m及盆子表面容许值E =E1/2=14.5 k/mm（参见文6表4-1及表-)。数值依次是：72.65、44.57、72454、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)楔形气隙解决不当（1）R、1及2偏小如图所示，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(11),圆角R也很小,楔形气隙不良影响的隐患仍然存在。这样的不当设计也存在于国
13、外某些公司的252kVI的盆式绝缘子上(图4示处其局部构造)，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实验的验证，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浮现问题：该产品在出厂实验时和现场安装后的交接实验时，曾发生过盆子放电现象。下面的电场计算成果表白了这种故障存在的必然性。图.楔形气隙解决不当（1）R、及R2偏小当R1=4、1=1、R210、2=时，在1050V电压下,R2处计算场强达到27294V/mm,附近盆子表面为13.7 k/mm，R处为199 V/mm（见图5及图6）。都已很接近容许值4.5kVm(盆子表面)和1 kV/m(壳体R1上),制造中稍有疏忽
14、(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R、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)楔形气隙解决不当（2）壳体法兰带凸台如图所示，有的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（),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0。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0都使该区域场强增大,导致该盆式绝缘子在高压实验和短路开断实验中多次沿面闪络烧坏。图7.楔形气隙不当(2）壳体法兰带凸台3这不是偶尔现象，电场计算表白壳体凸台处场强值很高（50k下为=34.527kV/m,超过了容许值E1
15、=29 kV/mm，见图右下角)。此处绝缘子表面场强也很大Eb1995 kVm(见图9）,超过了SF6 0.5Ma时的容许值E=E12=4.5 kVmm。作者就图的设计，多次变化壳体法兰凸台的尺寸和凸台尖角处的形状，该处场强计算成果都很高，找不到符合规定的设计。与图7类似的设计如不认真解决，必殃及顾客。图8 壳体法兰凸台上的高场强图 如图7所示绝缘盆子下表面场强图()在盆子-触头座之间留下楔形气隙隐患间隙太小见图1,在触头座与盆子嵌件相接处,嵌件凸出高度与触头座定位槽深配合不当,至使触头座底面与盆子嵌件处的绝缘体顶面间的设计缝隙过小（21）,并且间隙2没有严格的加工公差约束,触头座槽深尺寸变化大,当槽深正超差较多时，间隙2有的竟小到近于零,而形成楔形气隙，至使此处的绝缘件表面场强偏高。该盆子在雷电冲
