组合电器设计

1、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

2、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）。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

3、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126252kV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 咅E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”，20032008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

4、和缺陷较为集中的部位”，文 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 TGCB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550kVTGCB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。某些GIS在追求小型化设计中，牺牲内绝缘的设计

5、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

6、时的工频恢复电压）。1.2 SF6泄漏问题据文11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

7、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 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

8、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GIS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。”一一用户的这些使用经验，值得 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GC

9、B/GIS批量生产时加工质量不稳定和 GCB/GIS可靠性设计GIS可靠性GIS组装不良的因素。F面对GCB/GIS的可靠性设计进行分类剖析，供大家在完善设计时参考。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

10、.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Ri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 Ri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一固体绝缘一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66.2.4节），直至近日作者在真空浸渍绝缘件设计要

11、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丕小心其影响就暴露一或以局部放电逐步发展的方式在 _GIS 一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=0,触座与盆

12、子嵌件处的平面间隙 &=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。IIJII图1.盆式绝缘子上未处理的楔形气隙（8=0,浒0）图1.是某IIOkVGIS盆式绝缘子的结构设计（局部）。图中Ri=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Ri处场强为44.517 kV/mm （见图2）， R2处盆子表面为36.878kV/mm，Ri处盆子表面场强为 21.163 kV/mm （

13、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E T二E 1/2=14.5 kV/mm （参见文 表4-1及 表 6-1） o43.,3143.4335 轧 5(15絕，万阳数值依次是：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） Ri、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（=1）,圆角Ri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 2

14、52kVGIS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、及R2偏小当Ri=4、=1、R2=10、&=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 , Ri 处为 14.919 kV/mm （见图 5及图6）。都已很接近允许值14.5kV/mm （盆

15、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Ri、及R2偏小时场强计算值15“汩勺沁硏芒7*.J.&S J.21S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（帝），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S0。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8）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。图7楔形气隙

16、不当（2）壳体法兰带凸台8这不是偶然现象，电场计算表明壳体凸台处场强值很高（550kV下为Eb=34.527kV/mm ,超过了允许值Ei=29 kV/mm ,见图8右下角）。此处绝缘子 表面场强也很大EbH9.953 kV/mm （见图9）,超过了 SF6 0.5Mpa时的允许值E T=E1/2=14.5 kV/mm。作者就图7的设计，多次改变壳体法兰凸台的尺寸和凸台尖角处的形状，该处场强计算结果都很高，找不到符合要求的设计。与图7类似的设计如不认真处理，必殃及用户7 .7311 C&15. 3461.102i?018 2轧氈5 了 (L.6B134. M7图8.壳体法兰凸台上的高场强.沆?

17、J fl . 9SH那.V.嘶5皿3lit. -inJLJ.ftJ.?宅3 .甜I图9.如图7所示绝缘盆子下表面场强图(4) 在盆子-触头座之间留下楔形气隙隐患 一间隙 昂太小见图10,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52过小（82.5L）。灭弧室与壳体 内壁之间构成一同轴圆柱形电场，稍有金属微粒出现（如在开断时电弧烧蚀的 触头铜粒及铜蒸汽凝聚物、灭弧室中运动件、传动件磨损下落的金属微粒、镀 银件磨损物、装配不洁带入金属件残留切削等），在电磁力作用下集聚，将引起 的局部电场畸变而诱发绝缘故障。由於距离 L2较大，

18、壳体端面法兰处的电场较 低，当壳体采用立式设置时，在处于端部的法兰面上如有金属微粒，对电场分 布的不良影响相对较小，因此壳体内部放电多发生在壳体卧式布置且壳体直径 偏小（内绝缘设计裕度不足）的断路器。从以上分析可见，提高罐式断路器（包括 GIS-CB ）对地绝缘设计可靠性的 办法是：（1）GIS-CB的壳体应尽量采取立式布置；TGCB和GIS-CB的壳体必须卧式布置时，应增大灭弧室与筒壁间的气隙 绝缘设计裕度,应取足够的内壁直径，不能为追求外形小尺寸而降低内绝缘 的可靠性。国外某550kV罐式断路器几十年成功的运行经验证明：为避免灭弧室对壳体内壁放电，适当地增大壳体直径设计是必要又可行的。5.

19、 GCB灭弧室断口绝缘可靠性设计GCB灭弧室断口绝缘设计有两项任务：一是在短路开断时要保证断口有可 靠绝缘能力、确保开断任务的完成；二是在 GCB分闸一端带电备用时，断口应 有可靠的绝缘能力，承受电网中各种过电压的冲击。5.1消除短路开断时热气流对断口绝缘的影响在短路开断时，从灭弧室内有大量炽热气流（带着触头熔化的金属蒸汽和 导电粒子）从喷嘴冲出，某些产品因热气流排放导流装置设计不良，常发生热 气流从喷嘴中冲出后又返回主触头断口间，而破坏了断口绝缘，并在弧触头开 断电弧熄灭后，主断口在工频恢复电压下被击穿，导致开断失败。多种产品都 发生过类似的开断故障，这说明了合理的热气流导向结构设计十分重要

20、。常用 的设计方法是：(1) 利用导流套限制(或改变)开断热气流的方向，阻止热气流返回灭弧室主触头断口空间。(2) 合理设计静主触头的屏蔽， 既可改善主断口电场分布， 又能对热气流进行 有效地冷却和疏导，而使主断口所处区域空间的SF6气体不受热气流污染。(3) GCB断口两端元件若以环氧玻璃布筒绝缘件相联时，要慎用耐电弧烧蚀的聚四氟乙烯护套。如果在工艺上不能使护套与筒内壁紧密联成一体，在护套与筒件内壁间必存在小缝隙，缝隙内藏 SF6气体(构成绝缘体内的气 隙)，使绝缘筒内表面场强增大，形成显著的局部放电或遭电网过电压冲 击时沿筒内壁闪络。断口支持绝缘筒内壁不用聚四氟乙烯护套更简单可靠。为此要：

21、优化两端金具的电极形状设计，尽量降低场强；增大绝缘筒 内壁沿面闪络距离；增大绝缘筒内壁与灭弧室间的径向间距尺寸，减小绝缘筒内壁接触高温气体的机会；合理设计短路开断时的热气流排放导流装 置，使断口绝缘筒不受热气流干扰。5.2提高断口绝缘设计裕度鉴于国内外某些断路器在分闸带电备用时遭过电压袭击而发生断口放电的教训，为提高GCB断口绝缘设计可靠性，应注意以下几个设计要点：(1) 足够的开距是保证断口可靠绝缘性能的基本条件。在机构的操作功比 较充足时，刻意减小开距是无意义的，既不利于开断性能也不利于断 口绝缘。为追求小尺寸而牺牲断口绝缘裕度是不可取的。优化断口电极形状设计，尽量降低场强，使断口承受极限

22、耐受电压时有充足的绝缘裕度。作者曾将一灭弧室断口两端电极形状进行优化设 计改造后，在将SF6气压降低O.IMPa之后，还使断口绝缘能力比原设 计更高，充分说明断口电极形状优化设计的必要性（参见本文第222节）。6. GCB/GIS密封可靠性设计6.1 SF6密封结构可靠性设计要点GCB/GIS的气密性是否可靠，首先决定于密封结构设计的可靠性。在文61第10章中所叙述的密封结构设计要领，是我国对SF6气密性十多年研究试验的结晶。下面简述的密封结构设计要点，已经历了数以万计的产品20多年生产和运行的考验：（1）单层O形圈配矩形密封槽适用于静密封结构设计；（2）静密封O形圈压缩率为25% （金属-金

23、属密封面）和30% （瓷件-金属密封面）， 辅助密封采用侧面密封结构，O形圈压缩率12% ;（3）金属密封面表面粗糙度 Ra3.2 am保留同心圆切削刀纹。瓷面 Ra1.6 am磨 削瓷粉必须清擦干净；（4）CB传动轴转动密封可用唇形橡胶圈，三圈联用（参见文 6图10-6）,两圈和 单圈使用的效果不好，唇形圈组装方向必须符合文 6第10.4.1节要求，不能随 意设置。转动和直动密封还可采用 X形动密封圈（两只联用较好），密封圈及密 封槽的设计参见文 第10.4.2节。6.2橡胶材质的诜择运行产品有的在投运初期气密性良好，运行时间不长就出现明显泄露。多 数原因是橡胶材质不良（压缩永久变形率太大）

24、、橡胶弹性明显下降所至。选择 橡胶的材质，要善于透过各种耀眼的商业炫语，抓住我们最关心的性能指标一 在不同压缩状态下的永久变形率，让数据说话。在国内外众多的SF6电器用密封橡胶中，国产 HX807改性三元乙丙胶是其 中的佼佼者。它的压缩永久变形率很低（压缩25%、100C疋2h后永久变形510%）;低温-50C时气密性好；长期连续允许使用温度高（+80C）,使用寿命长（20年以上），经80Cx5000h寿命试验后充入0.8MPa SF6 24h后检漏，年 漏气率仅0.022% ;经充He气2.66MPaX24h后检查O形圈外表面无气泡，截 断面无气孔，气密性优良。HX807橡胶的优异性能源于对

25、原材料品质的认真挑 选和混炼工艺的严格控制。它是GCB/GIS静密封圈的首选材料。已在我国高压 电器行业广泛使用十多年，使用情况良好。HX807属三元乙丙胶，不耐油，使用时应注意不接触油脂。各种动密封圈要求它有较好的耐磨性能，才能保持长期工作的可靠性。动 密封采用的唇形和X形密封圈都不受静压力，对橡胶的压缩永久变形量没有高 的要求，在我国军工行业多年研究和使用的 P230 丁氰橡胶基础上，研制出的更 适于GCB动密封用的P236橡胶，已广泛适用于SF6电器。6.3清理和纠正不可靠的密封结构设计当我们接受一种外来的密封结构设计时，应调查它的来历：理论依据和研 究试验的经历。不调查研究，囫囵吞枣，

26、将一些错误的外来设计搬讲产品就溃 害于用户。例如：（1）0形圈压缩率过小，选用橡胶材质不佳，环温低时弹性下降，都将 导致O形圈表面接触压力下降而漏气；（2）环氧浇注盆式绝缘子上的密封槽形设计不良，如图14所示：矩形槽的两垂直面斜度 角太大，且槽底面与垂直面相交的圆角 R也很大, 造成0形圈组装时受压力P作用发生翻转（沿箭头方向反时针滚 动），以致将凹凸不平的模具分型面 B-B转到底部密封面上，O形 圈的密封作用受到破坏，而且 O形圈也因受扭曲和压缩双重应力作 用而使永久变形增大、寿命缩短。合理的设计通常取 =1 R6.3 m寸，O形圈橡胶与金属法兰密封面的实际弥合面不足（由 于金属法兰面上有较

27、多、较高的凸起尖峰的顶阻），气体泄漏阻尼作用较小，会在低温弹性下降时出现漏气。当粗糙度RaV 1.6寸，密圭寸面太光滑（同心圆 刀纹太细甚至没有时），O形圈与金属法兰面的实际弥合面也下降，也得不到好的密封效果。对金属密封面上的同心圆刀纹要合理利用（Ra宜取3.2 am严禁砂磨密封面，砂磨会破坏同心圆刀纹，而人为制造出泄漏通道）。一些尊重这些 试验经验的企业其产品的气密性通常较好；那些对这些经验不理解不尊重的密 封面粗糙度的设计不仅气密性差，而且过高的表面粗糙度要求，还无必要地增 大了加工难度和制造成本(4) 互感器二次接线端子材质选用GIS中的电流互感器和电压互感器二次引出线的接线端子多用紫铜

28、棒加工， 由于铜材线膨胀系数(16.9紂6 K-1)与环氧树脂线膨胀系数(26 X0-6 K-1)相差较 大，在温度变化时可能导致接线端子与环氧树脂间产生裂隙而漏气。采用铜材 作为接线端子多出于使用习惯，并非导电和电接触必须。作为弱电的接触端子， 用铝棒(在导电接触面上镀银或搪锡)应更合适。由于铝棒线膨胀系数(23.9 X0-6 K-1)与环氧树脂很接近，不必担心环温冷热变化引起的接线端子裂 隙漏气。浇注端子时，在端子上涂一层半导电橡胶作缓冲层，端子与树脂间就 能可靠地避免裂隙的产生。7. GIS 小型化与 GIS 可靠性设计国内外GIS小型化经历了 10多年的发展，尤其是126170kV电压

29、等级的 产品其成果更显著。GIS小型化不是目的，它是实现GIS高可靠性的一种手段。 7.1 箭双雕的 GIS可靠性设计GIS下列小型化设计是进行 GIS可靠性设计的重要措施：(1) 采用三工位隔离-接地开关(DES)，简化操动机构及其操作连锁；(2) 实现主母线与隔离开关结构合一，最大限度地简化GIS 结构设辻；(3) 提高GCB断口耐电压水平、减少每极串联断口数(如 550kV推 广使用单断口 GCB ),简化灭弧室和传动装置的结构设计；GIS各元件布置紧凑化，尽量减少联结件(四通、三通等)、简化电接触；(5) 母线三相共箱以及逐步探索和实现更髙电压等级的GIS 三相全共箱设计;（6）新型电

30、子式电流互感器及电子式电压互感器的应用等等。以上GIS小型化设计，都体现了一个“简”字。这是GIS可靠性设计的指导思想。例如，一台设计良好的550kV单断口 GCB，如果在电 站和线路上采用有效的MOA避雷器保护，GCB不仅省去了一半的灭弧室零部 件，还省去了并联电容器、扔掉了庞杂的合闸电阻、电阻触头及其传动装置， 结构的大简化必然带来产品的高可靠性。同理，上述的（1）（6）项GIS小型化设计都是通过简化一次元件的结构设计来提高其可靠性，随之而来的是GIS尺寸的缩小，那是GIS可靠性设计一箭双雕的附带收获。7.2 GIS小型化与 GIS可靠性不可对立在对待GIS小型化与GIS可靠性问题上，再点

31、评一下“为小而小”是有益 的。刻意追求小尺寸者认为，GIS先进性主要表现在小（有的甚至把这种小视 为首要的先进指标），这当然是观念上的偏差。GIS的先进性最重要的指标是运 行的可靠性,并要求有最低的故障率。尺寸大小是评议GIS先进性的一个方面， 但不是重点。为小而小是没有实际意义的。 例如，126kVGIS的三相共箱式母线，其支持 母线导体的盆式绝缘子直径可取640,也可取 600。取 600，当母线相间距离不可变时，母线对地爬距将比 640时损失20mm，对地绝缘（耐受电压能力） 约下降20%。由此可见，适当地增大一些结构尺寸，对提高内绝缘可靠性的作 用重大。相反，取小直径 600后，GIS

32、每间隔宽仅缩小40mm，按一个电站15 个间隔计，GIS总宽仅缩小0.6m。这对GIS建筑面积投资没有影响，对产品制 造成本（所用壳体的造价）也影响甚微（每间隔母线成本差价不到0.3% ）。刻意地缩小结构尺寸，对减少占地面积和电站投资没什么意义，但对GIS内绝缘 的可靠性却是一种明显的牺牲，实不可取。8. 操动机构与 GCB/GIS可靠性设计8.1机构的症结在电网运行中，GCB/GIS的“强迫停运率”是衡量设备运行可靠性的重要 指标。我国GCB/GIS设备强迫停运率最高的是 252kV级产品，据国网近5年 的统计，“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16

33、7次，占61.7%。其中，液压机构137次，气动机构27次，弹簧机构 3次。”（参见文3第3.2节）。统计资料不止一次地揭露了我国高压开关设备半个世纪来长期存在的固疾断路器故障主要集中 在操动机构及其传动环节。而机构故障比较集中出在 液压机构，液压机构的故障又集中 表现在漏油和控制阀失灵（由此引发开关误 跳、闭锁或停运检修）。这三个“集中”的起因，除了机构制造质量失控之外， 先天性的问题还是出自液压机构设计的不可靠因素太多。例如：复杂的多级控 制阀中一个阀体卡死或阀针的锈蚀变形即可酿成大祸、分离式液压元件和复杂 的管路设计增多了漏油点、落后的氮气贮能装置带来泄漏的可能和压力的波动 以及密圭寸圈

34、橡胶材料没有优选等等。8.2机构的配置在考虑GCB操动机构配置时，一要注意各类机构的以往运行经验， 二要分 析以往机构运行的固疾并对症下药根治。（1）弹簧机构的选择根据各类机构多年制造和运行经验，72.5252kV断路器现已普遍采用故障 较少、运行较可靠的弹簧操动机构。随着我国数控机械加工、铸铝合金件和材 料热处理工艺的进步，弹簧机构零部件加工质量有显著提高，为其运行可靠性提供了工艺保障。因此，我们有可能期盼在252kV三相联动的断路器以及363/550kV单断口断路器上配置大功率的弹簧机构，而在更多的开关上发挥弹 簧机构高可靠性的优势。在大功率弹簧机构的研制中，应保留现有弹簧机构经 运行考核

35、合理的结构设计，使其可靠性得以延伸。在合、分闸弹簧设计时，不 能为追求结构小尺寸而采用过高的工作应力；否则，弹簧在运行时会疲劳（产 生永久变形），而影响或破坏了断路器的操作特性。液压机构的选择液压机构输出功强大、操作平稳、操作噪声小、结构紧凑，是操作功要求 大的550kV及以上GCB的首选。但由于弹簧机构的普及，液压机构逐步退出 252kV及以下的GCB，故障频发的老式液压机构正逐渐淡出人们的视线。针对 液压机构的固疾，我们应集中精力研究、改进、完善和提高弹簧储能液压机构。 在尽快淘汰各种老型液压机构的同时，积极推广使用弹簧储能液压机构。这种 机构在国外一些GCB上已取得了很好的使用业绩，在许

36、多国产的高压断路器上 也得到了成功的使用。目前国内高压开关厂及专业机构厂也在积极研究弹簧储 能液压机构，我们在接受一切先进技术时不能囫囵吞枣、照搬照抄，要有创新 的精神。在学习研制过程中，要善于利用（不是机械地模仿）其优点，同时要 纠正和改造其缺点。在制造工艺和材料选用方面，还要结合厂情国情进行合理 地调整。做到“青出于蓝而胜于蓝”，后来者居上，并创立自己企业的知名品牌。 国产CTY碟簧储能液压机构可靠性设计CTY系列机构保留了紧凑的碟簧储能的结构设计，全部液压元件采用了集 成模块组合设计。因此，工作压力不受环温影响，储压没有氮气内漏之隐患， 漏油的可能性也大大减小，机构的传动效率也随之提高。

37、针对国外同类机构的不足之处，为进一步地提高机构的可靠性，CTY 机构 所做的如下三点改造设计是值得肯定的：1）变多个两级电磁液压阀为一个单级永磁液压阀传统的电磁液压控制阀由 3只电磁阀和两级液压阀组成，多年的运行实践 暴露了许多问题：阀体内若残留细小杂物和油质污染都可能堵塞阀中0.5mm直径的细孔油道而使电磁阀拒动，或使一级阀不能正常复位引起合分跳跃；合 闸、分闸电磁铁需两套各自控制回路，易产生合、分闸线圈同时受电，在合闸 操作时产生慢合、分闸事故；密封环节多，易产生外漏；一级阀和二级阀动作 时间与压力有关，控制阀动作时间的变化将使开关的分闸时间和三相分、合同 期不稳定。为解决上述问题，CTY

38、机构采用了创新的简化结构设计一一单个单级永磁 液压阀，它具有更高的工作可靠性：没有合闸自保持的细孔油道设计，根除了 油道堵塞、阀芯复位不完全的痼疾；合、分闸共用一套永磁阀，每次操作只能 接收单一的指令，杜绝了机构同时接受合、分指令而产生的误操作；密封环节 大大简化，密封可靠性提高；控制阀的动作时间稳定与油压无关，使断路器的 操作特性更稳定；永磁阀经历了强电磁场工作环境和电磁兼容试验的考核，具 有稳定的磁性，使合分操作、阀口密封及合分闸位置的自保持功能可靠。总之， 高度简化的控制模块设计，是该机构比以往液压机构工作更可靠的重要措施。2）由多缸储能进化至H单缸储能油压经储能缸压缩碟簧，并将能量储于

39、碟形弹簧片中。CTY用一只环形储能缸压簧，与多缸压簧储能相比，简化了结构、减小了密封环节、降低了零部 件加工工艺难度，而且碟簧各向受压均匀，简化了储能模块的组装调整工作， 碟簧能量释放时的运动惯量小、传动效率高。3）将复杂的监测模块简化储能活塞的位置监测，原采用齿轮-齿条-凸轮传动副，结构复杂，传动故障 率较高、检测精度较低。CTY采用简单的拖板式凸块传动方式来驱动触点开关， 以更高的精度和可靠性完成储能活塞位置监控。CTY机构创新式的工作原理和结构设计再次体现了“简单就是可靠，简单创造效益”设计思想的先进性，使 液压机构的设计可靠性大大提高，也为GCB/GIS产品整体设计可靠性扎下了坚 实的

40、支柱。我们热忱地期盼在产品的制造中不断改进设计、提高性能、完善工 艺和严格质量控制，以确保碟簧液压机构运行的高可靠性。9. GIS气室划分与 GIS可靠性设计9.1 GIS气室划分时应考虑的问题(1) 必须给使用维护带来方便，尽可能提高 GIS连续运行能力。(2) 可操作元件(CB,DS,ES)维护的必要性和方便性，在相当长时期内不宜提 “GIS 免维修”概念，不能用这个概念来对待气室划分。(3) 合适地对待GIS运行可靠性和维修方便性，两者尽量兼顾。9.2 GIS气室划分原则考虑到以上几点，GIS气室划分通常遵守以下几点原则：(1) 断路器(或带CT)应为独立气室。(2) 主母线与隔离开关气

41、室应隔断(主母线和隔离开关结构合一者除外)，否则会出现本文第1.3节所述的麻烦。(3) 静止元件(CT、VT、MOA )维修量很小，尽量集中布置，减少气室。集中布置共气室的各元件之间气室内部联通，以减少外部联通的气道元件(气体监控仪表、管道接头、阀门等)，减少泄漏点，提高GIS密 圭寸可靠性。当某些元件存在必要的维护时，过分地减少气室虽有利于 产品的气密性，却会给维护造成一些麻烦。为处理好这个矛盾、做到合适对待，供需双方应多协商，共同提高GIS气室划分的设计可靠性和使用方便性。10弹簧触头与GIS可靠性设计近年来，新型弹簧触头以其结构简单、体积轻小、导电能力强、电接触可 靠而在GCB/GIS中

42、得到日益广泛的使用。积极谨慎地使用这种新型电接触元件 对GCB/GIS工作可靠性十分重要。以下注意事项应引起GCB/GIS设计者重视：（1）弹簧触头结构设计规范化弹簧触头材料线径do、每圈直径d、弹簧倾斜角1、圈高hi以及触头安装 槽形（半圆形、矩形、梯形、三角底-矩形等等）及槽的尺寸，目前没有规范化设 计，形状尺寸五花八门，工作特性多种多样，不仅给弹簧触头的制造和质量监 控带来麻烦，而且使某些设计不良的弹簧触头出现接触电阻不稳定现象。文第8.5.3节对弹簧触头电接触的稳定性作了多方面的分析，在影响电接触稳定性的众多因素中，弹簧触头结构设计规范化是最重要的因素。规范化设计首先要规范设计计算方法

43、，使弹簧触头长期和短时通流能力与其结构参数匹配,否则就没有弹簧触头工作的可靠性， 文第8.5.2节对弹簧触 头及安装槽的设计计算方法作了介绍，望这套设计计算方法在今后的设计和产 品试验中得到检验、充实与完善。规范化设计还要求弹簧触头结构要素简化、标准化，要求优选弹簧槽的形 状并对其相关尺寸进行标准化设计。根据部分产品的设计与试验经验，文6表8-5对弹簧触头的基本结构尺寸 do、d、 i、hi列出了标准化的设计参数、同时 按电接触可靠性要求优选出 三角底-矩形槽”形，其中也列出了这种槽的标准化 结构尺寸（槽宽H及底角3）。对弹簧触头及安装槽的结构进行标准化设计是保 证其设计可靠性的重要措施，同时

44、也是稳定和提高其制造质量所必需。 弹簧触头定位杆（套）的设计GCB/GIS在强大的短路电流冲击时，一些非螺栓紧固的导电零部件在电动 力作用下会产生摆动、倾斜等位移现象。用弹簧触头联结的某些导电杆若在径 向发生了位移，将使部分弹簧触头的接触变形（接触压力）变小甚至基本丧失，接 触电阻骤增，短路电流压降（及接点温度）骤升，导致触头烧熔。因此，在可 能产生位移的导电杆中心加装定位杆，或在弹簧触头座上对导电杆加装绝缘定 位套是十分必要的。产品试验证明，在短路电动力作用下可能产生径向偏移的导电杆，没有可 靠的定位，必然产生触头熔焊甚至弹簧触头及座整体熔化！11. 工艺设计与 GCB/GIS可靠性设计产品

45、结构设计时必然涉及零部件制造工艺方法的设计，工艺方法设计得好与坏直接影响到产品设计的可靠性。11.1 GIS壳体加工工艺设计GCB/GIS的壳体，形状有简有繁，主筒上常带有垂直相交的支筒，制造工 艺分焊接与铸造两大类，支筒与主筒相交处的加工有模具翻边与开孔焊接两种。 由于板材的质密性通常比铸件壁好，因此焊件泄漏点及其隐患多集中在焊缝， 而铸件的气密性缺陷分散性很大且寻找比焊件困难。我国研究GIS壳体翻边焊接工艺长达30多年，积累了丰富的经验，支筒冷翻边，相贯面圆滑美观电气性 能好，主筒变形小，自动焊焊缝气密性好。近年来，我国GIS铸铝壳体的气密性有很大改善。当外模采用金属模，内模采用真空砂型新

46、工艺后，在真空成型 过程中内膜型砂中的水分和气体含量大大低于树脂型砂，使壳体质密度（气密性）进一步提高，强度也相应提高，铸造壳体壁厚可适量减薄、壳体质量相应减轻， 使铸造工艺用于GIS壳体的前景更加看好。根据上述两类壳体工艺特点，壳体工艺设计时通常的思路是：结构简单的 壳体优先选用焊件，焊接不方便的复杂壳体用铸件。优先选用焊件理由是焊件 漏点集中检漏方便，焊接壳体气密性好控制。从成本考虑，两种工艺壳体成本 相近。从外形结构较复杂的 GIS壳体，用铸件更方便，金属外模和真空砂芯的 使用，减少了人们对铸造壳体气密性的担心。我国焊接壳体的支筒翻边工艺已相当成熟，但国外的某些公司可能对此工 艺掌握得不

47、好，其支筒仍采用落后的开孔 -焊接-打磨相贯焊缝的老工艺，其 气密性和电气性能易存隐患！对国外公司的这种设计不必指责，那是一个技术 水平问题。而国内某些设计者照抄照搬，就不是技术水平（设计能力）的高低 问题了设计者对每一个设计环节都不能忘记可靠性至上，对任（哪怕是很有威望的公司技术）都不能因迷信而失去自我、而放弃对运行可靠 性的追求。11.2高压电极形状加工工艺设计GIS导体和各种支持件上涉及到电气绝缘的高压电极形状及尺寸的设计， 对产品尺寸及绝缘可靠性影响极大。简单的圆弧形电极加工工艺简单（制作成 本也较低），但有时要得到较低的场强和较小的尺寸却十分困难。若采用多曲率 连接的电极或曲率变化缓

48、和的椭圆形电极，就能最大限度地改善电场分布，在 电极上获得最佳的场强。外形复杂些的电极需要精度较高的数控机床加工，工 艺成本投入稍高一些，为了提高内绝缘设计可靠性，这种投入是有价值的。11.3屏蔽罩工艺设计为缓和电场的各种高压屏蔽罩加工工艺有多种，应根据性能要求的高低、尺寸大小、形状特征及加工成本（性价比）等多方面因素分析和选择，首先要 考虑的是性能要求高低（亦可靠性要求）。形状简单、尺寸不大、无论选择什么 工艺加工对其质量和性能可靠性无坏的影响时，应选择铸造及机加工等成本较 低的工艺。某些电压等级高、形状复杂、尺寸较大而且对其电气性能的可靠性 要求很高的屏蔽件，应采用旋压加工。旋压成形的屏蔽

49、件,无论形状多复杂（只 要是旋转成形）的电气工作表面不会存在焊缝，电气工作表面十分光滑，屏蔽 工作可靠性高。旋压加工成本尽管很高，为保证某些重要屏蔽件的工作可靠性， 这种成本的投入是必须的。12. VT/AR与GIS联结气室的可靠性设计电压互感器VT、避雷器AR与GIS有两种联结方式：VT/AR经隔离开关与GIS相联，VT/AR直接与GIS相联。GIS在交接试验或现场检修投运前都需作一分钟工频耐受电压试验，而VT/AR不允许承受工频耐压试验，当VT/AR与GIS直接联结时，GIS试前要拆下VT/AR，试后再装上。这种联结虽然简单，但在现场拆装时由于环境清洁度差、 拆装技术不熟练容易造成绝缘故障隐患，这种设计不太可靠。当VT/AR经隔离开关与GIS相联时，虽然结构复杂一些，但是 GIS做工 频耐压试验时，可以操作隔离开关使 VT/AR与GIS隔离，不必拆装VT/AR， 避免现场拆装造成的故障隐患，这是一种较可靠的联结方式。从 GIS 设计可靠性考虑，直联方案不太令人满意。经隔离开关联结可靠性 高，但结构较复杂成本较高，改进方法是:：让 VT/AR自带