摘要：通过分析GIS设备法兰面受力原理，推导出GIS设备法兰面变形存在的隐患，其中包括气体泄漏风险及盆式绝缘子破坏风险。从GIS设备法兰面生产工艺及材料方面着手，分析出了GIS设备法兰面变形的两个要因，分别为焊接质量问题及铸铁材质刚性不足。文章最后根据上述结论，针对GIS设备法兰面变形问题给出了具有指导意义的四条整改建议。
关键词：GIS；法兰面；变形
引言
GIS 主要由断路器、接地开关、电流互感器、电压互感器、母线、连接件和避雷器等部件组成，这些部件都集中安装在 GIS气室同体当中。各气室充满了相应额定值的 SF6气体，因为 SF6具有优越的灭弧性能。GIS现场吊装、安装过程十分简便，很大程度上节约了设备占用的土地面积，保证了紧凑的结构，在现在繁华的城市当中此特点尤为重要。因为它的结构为全封闭，所以雨水、雷电、雨雪等天气因素影响较小。大大减小了设备的事故率，在高寒、湿度大等地区，此特点的优势也能很明显的体现出来。运行当中的安全性很高，一般不会发生结缘损坏、雷击、火灾、导体放电等事故[1]。
近年来，随着电网规模的持续扩大，GIS 设备的安装使用量也在逐年递增，运行 GIS 设备漏气、开裂故障的事件近年来频频发生。在GIS设备中，管道母线是其重要的组成部分，由于安装中不可避免的误差以及超长的结构和复杂的运行工况，GIS管道母线在运行过程中会产生应力和变形。GIS伸缩节法兰O形圈固定在法兰面矩形沟槽里面，法兰面变形对GIS设备稳定性和安全性有着巨大影响。
一、问题描述
某220kV线路间隔GIS设备完成第一阶段施工，母线整体拼接、间隔内分支安装、出线套管安装完成。经运行人员现场验收后，发现存在伸缩节法兰变形问题。
GIS设备拼装完成后，现场发现两个间隔6个伸缩节的12个法兰面均出现不同程度的变形，法兰变形量均达到O形圈沟槽深度的40%，变形最大处已达到96%，且有盆式绝缘子的一侧的变形量均明显小于没有绝缘子的一侧。
二、隐患分析
220kV博岚甲乙线间隔GIS伸缩节法兰O形圈固定在法兰面矩形沟槽里面，如图3所示。现场测量矩形沟槽的深度为6.8mm，O形圈的外径为10mm，理想情况下，O形圈的压缩率为32%。
正常情况下，O形密封圈借助压紧变形后的橡胶弹力F使密封圈和管母密封面互相靠紧，而母线气室内的SF6气压P0在密封圈作用力F0， F0分解后在密封圈上形成一个与密封面垂直的法向力F1，此力使密封面和密封圈分离，F与F1的合力称为密封力。由于温度变化，F值常随温度下降而变小，由于密封面表面状况的非均匀性，或者密封圈压缩量设计的不合理，都可能导致在常温或低温时在密封圈某点或某段出现密封力为零甚至小于零，而导致密封圈与密封面在微观上分离，出现SF6泄漏。但是，密封圈的压缩率不能太大，否则会造成压缩永久变形，使密封圈使用寿命下降。装配好后的两法兰面间在微观上总存在一定的间隙，在气压P0的作用下，O形圈可能被挤入该缝隙。
2.1 气体泄漏风险：法兰最大变形处已达到6.58mm。由此造成有些部位O形圈压缩量较小，弹力F变小，出现微小缝隙，O形密封圈受力不均匀，加大了产生局部泄漏点的几率，严重的会导致密封面开裂；密封圈受力过大容易破损，减少使用寿命；受力过小则起不到密封作用，导致GIS漏气，为后续GIS设备的投运埋下安全隐患。
GIS设备外壳密封性能的优劣对其使用性能具有非常重要的影响。根据历年的统计数据显示，气体泄漏造成的设备故障占到总故障量的20%以上，合理的密封结构是GIS设备设计的核心之一。因此要重视法兰面变形问题。
2.2 盆式绝缘子破坏风险：有盆式绝缘子的一侧的变形量均明显小于没有绝缘子的一侧。伸缩节中的铸铁在焊接成型过程中，焊接应力过大，导致一侧出现明显变形，另一侧由于和盆式绝缘子紧固在一起，应力得不到释放，盆式绝缘子一直受到应力压迫，设备正常运行下，加上母线气室内气体的压力，盆式绝缘子存在破裂的风险。此次GIS工程安装过程中，已经发现一个盆式绝缘子破裂的现象。
盆式绝缘子是GIS中很重要的绝缘部件，要有足够的机械强度和绝缘水平；同时盆式绝缘子又起到密封作用，要有足够的气密性和承受压力的能力，一旦盆式绝缘子破裂，后果不堪设想。
类似事故案例：
A．2009年11月2日，保定张丰变电站，126kV GIS设备出现母线漏气现象，现场检查后找到此次故障的原因：因施工对接时未能将螺栓紧固到位，经过一段时间运行后，螺栓逐步松动，随着环境温度降低，引起壳体收缩，螺栓未紧固到位的区域出现缝隙，导致此处密封圈的实际压缩量不足，SF6气体快速泄漏。
B．程家变电站252kV GIS现场4号母线法兰出现裂纹，SF6气体发生泄漏，发现北台一线间隔4号母线与300mm长伸缩节对接的法兰根部出现长约110mm裂纹[2]。
文章中指出产生裂纹的原因如下：
①将出现裂纹的法兰返厂进行铸造检测（除裂纹处），其Fe含量略高，但检测性能等结果符合标准要求。由于裂纹处是否存在铸造缺陷无法检测，因此不能排除铸造法兰内部缺陷造成；
②在装配过程中，安装调整伸缩节应松开螺母，以利调节尺寸，安装完毕后即锁紧。若本间隔双母线现场安装对接时，安装调整伸缩节未完全对法兰间隙进行调整，即安装时法兰间就存在应力（应力无法准确估算）。在温度变化时，此应力可能造成法兰根部出现裂纹。
三、原因分析
①焊接质量问题：伸缩节两端为铸铁材质，中间为不锈钢，通过焊接连在一起，如图4所示。两种被焊金属熔化温度不同，一种金属已处于熔化状态，而另一种金属还处在固态时，那么在焊接与冷却过程中必然会产生较复杂的残余应力；其次是两种被焊金属的导热性能和比热不同，改变了焊接温度和结晶条件，而产生较大的组织应力；再就是两种被焊金属的线膨胀系数相差较大，在焊接过程中产生较大的热应力。如果这种残余的内应力过高，或者产生了局部焊接缺陷，如微观裂纹，那么即使经过消除应力退火处理缺陷也会残存在焊件中。它是萌生各种裂纹的重要因素，也是造成脆化的主要根源。
②铸铁材质刚性不足：
现场检查发现，伸缩节两端的铸铁表面已出现生锈的现象，而且在焊缝处锈迹比较明显，由此可推断铸铁材质性能有缺陷，需进行检测各种金属含量是否达标。
四、整改建议
①对现场法兰面的材质进行专业检测，检查相应金属含量是否符合标准；
②对现场变形的法兰进行整体更换；
③严格进行设备零件的进场检验；
④提高现场安装质量，完善安装工艺守则，对于安装调整伸缩节的使用做进一步规范，尽可能消除人为因素造成的现场运行设备问题。
结束语
由上文分析可知，通过分析GIS设备法兰面受力原理，推导出GIS设备法兰面变形存在的隐患，其中包括气体泄漏风险及盆式绝缘子破坏风险。从GIS设备法兰面生产工艺及材料方面着手，分析出了GIS设备法兰面变形的两个要因，分别为焊接质量问题及铸铁材质刚性不足。针对GIS设备法兰面变形问题给出了具有指导意义的四条整改建议：对现场法兰面的材质进行专业检测，检查相应金属含量是否符合标准；对现场变形的法兰进行整体更换；严格进行设备零件的进场检验；提高现场安装质量，完善安装工艺守则，对于安装调整伸缩节的使用做进一步规范，尽可能消除人为因素造成的现场运行设备问题。
参考文献
[1] 李秀卫，王庆玉，毛惠卿，等. 一起组合电器内部绝缘故障综合分析[J]. 高压电器，2012，48(8)：99-102
[2] 王亮.GIS主母线法兰裂纹分析[J]. 科学中国人. 2014(04)