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：
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所谓的光辉岁月，并不是以后，闪耀的日子，而是无人问津时，你对梦想的偏执。
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
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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）。 1.2 SF6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。 1.3 GIS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。
1.4 CB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。
1.5 GIS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
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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
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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。
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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）。
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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
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（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。
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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
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(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。
图7.楔形气隙不当（2）——壳体法兰带凸台δ3
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[E1]=29 kV/mm，见图8右下角）。此处绝缘子表面场强也很大Ebτ=19.953 kV/mm（见图9），超过了SF6 0.5Mpa时的允许值[Eτ]=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。
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图8. 壳体法兰凸台上的高场强
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—间隙δ2太小 同是寒窗苦读，怎愿甘拜下风！
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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δ2过小（δ2≤1），而且间隙δ2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δ2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。该盆子在雷电冲击耐受电压下和短路开断时的工频恢复电压下多次闪络，此处绝缘体表面观察到明显的电弧烧痕—这里，再次让我们看到了楔形气隙的不良影响。
图10. δ2太小构成楔形气隙隐患
2.2 盆式绝缘子可靠性设计要领 2.2.1 有足够的沿面爬电距离 “足够”的爬电距离尺度不能仅用型式试验来把握。因为型式试验时被试体是一个全新的试品，而运行的产品可靠性要受到产品制造时质量监控的不稳性、产品安装时的种种意外不良因素和投运后盆式绝缘子运行条件的种种变化（SF6湿度、金属微粒的附着……）的影响，故在产品设计时应考虑到这些不良干扰。适当地增大盆式绝缘子的表面爬电尺寸（参见文[6]的表6-3），有助于增强盆式
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绝缘子的抗干扰能力，以提高其运行的可靠性。 2.2.2 注意盆式绝缘子两端电极形状优化设计
盆式绝缘子两端电极形状、爬电距离以及盆子形状的设计均应通过电场计算来确认其合理性（参见文[6]表6-1）。为使盆式绝缘子整体尺寸不大，而又能在盆式绝缘子表面和两端电极上得到较低的场强，必须对两端电极形状（以及对盆式绝缘子形状）进行优化设计。在电极形状优化设计中，传统的设计方法是简单地改变电极圆角的大小，或由几种大小不同的圆角组合成一个场强较低的电极曲面。有时，这些办法仍不令人满意时，还可以采用曲率变化较缓的椭圆形电极曲面，可避免电场等位线的急骤变化，以获得最佳电场分布和最低的电极场强。
2.2.3 消除楔形气隙的有效方法 消除楔形气隙的正确设计是在盆式绝缘子法兰平面（绝缘体）上开槽，槽深δ13，槽外径应避开壳体法兰圆角R1后与壳体法兰平面相交；触座与盆式绝缘子间隙δ23，见图11。我们关心的触头座场强Ea、盆式绝缘子对应点表面场强Eaτ、壳体法兰场强Eb及对应点盆式绝缘子表面场强Ebτ在不同δ1及δ2间隙时的计算场强列于表1，计算电场分布见图12及图13（取其一侧，δ1=4和5，δ2=4和5）。表1所列数据是在图11中R1、R2、D2不变的条件下计算而得，随δ1及δ2增大，各处场强都在下降。当δ1（δ2）3mm时，各处场强较低（符合设计要求），且随δ1（δ2）增长场强下降减缓。因此，取δ1（δ2）3mm较好。
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表1.在不同间隙δ1、δ2时各点场强计算值 kV/mm
δ1、δ2/mm 1 2 3 4 5 Ea 29.741 22.129 19.345 18.714 18.222 Eaτ 16.546 11.793 9.627 8.256 8.038 Eb 17.285 13.498 11.943 11.324 10.908 Ebτ 9.915 9.296 6.117 5.213 5.021 计算时输入试验电压550kV，SF6 0.5MPa时，[Ea]=29kV/mm，[Eaτ]=14.5 kV/mm，[Eb]=15 kV/mm，[Ebτ]=14.5 kV/mm。
图11.消除楔形气隙的盆式绝缘子的正确设计
（δ13，δ23）
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数值依次是：18.714、11.324、18.222、10.908
图12.当图11中δ1、δ2为4mm（盆子上部）
和5mm（盆子下部）时电场分布
图13.如图11所示绝缘盆子上表面电场图
（δ1=4，δ2=4）
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3. CB绝缘操作杆可靠性设计
CB绝缘操作杆需承受很大的合、分闸操作冲击力，因此推荐采用机械强度高而重量轻的真空浸渍环氧玻璃丝管；若用环氧树脂浇注件，要特别注意机械强度设计的可靠性，应留有充足的设计裕度。
特别强调的是，金具与绝缘管的连接方式。多年的制造经验表明，各种螺纹联接均不理想。但合理的毛面粘接可获得很大的结合力，而具有很高的强度设计裕度，且在制造过程中可以进行例行强度试验，可对每一根操作杆的制造质量进行监控[7]。
为保证CB绝缘操作杆运行的可靠性，当杆的最大操作力为Pm时，其破坏试验拉力宜取4Pm，及例行试验拉力宜取2Pm。
与盆式绝缘子设计一样，也要重视真空浸渍管与两端金具（接头）连接处的楔形气隙的处理，同时要重视两端金具形状的设计（详见文[7]）。
CB操作杆在进行其电气可靠性设计时还应注意的是，在短路开断时从灭弧室排除的热气流（金属蒸汽及导电粒子流）对操作杆表面绝缘的恶劣影响。故此，应从改变气流方向、减少排气干扰等方面采取措施，以减少对绝缘操作杆的这种影响。尤其是那些在型式试验中已暴露了热气流烧伤拉杆的产品，更应重视纠正其不良设计。
GIS中的隔离(接地)开关操作杆可靠性设计时也应参照断路器绝缘操作杆的设计要求，予以认真处理。
4. CB罐径及罐布置方式与内绝缘可靠性设计 电科院在文[3]中指出，某些断路器“由于罐体绝缘设计裕度较小，产生异物后容易在绝缘薄弱处发生放电”。GIS-CB和罐式SF6断路器T·GCB在结构设计上有一特点：即灭弧室带电体（屏蔽罩或触头支持件）对外壳筒壁的绝缘距
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离L1要比带电体对圆筒端头法兰间的距离L2小很多(L2≥2.5L1)。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，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；
(2) T·GCB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. 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
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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。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：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。
(2) 优化断口电极形状设计，尽量降低场强，使断口承受极限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
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SF6气压降低0.1MPa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2.2.2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[6]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Ra3.2μm，保留同心圆切削刀纹。瓷面Ra1.6μm，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[6]第10.4.2节。 6.2 橡胶材质的选择
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）、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——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
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中的佼佼者。它的压缩永久变形率很低（压缩25%、100℃×22h后永久变形5~10%）；低温-50℃时气密性好；长期连续允许使用温度高（+80℃），使用寿命长（20年以上），经80℃×5000h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2.66MPa×24h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，将一些错误的外来设计搬进产品就遗害于用户。例如：
(1) O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O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
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=1°，R≤1mm，可同时满足设计和工艺的要求。
图14.不良密封槽设计 （、R太大，B-B为分型面）
(3) 密封面粗糙度设计不良
SF6密封试验证明：金属密封面上的切削刀纹对密封面的气密性影响很大，当粗糙度Ra＞6.3μm时，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Ra＜1.6μm时，密封面太光滑（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3.2μm，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棒加工，由于铜材线膨胀系数(16.9×10-6·K-1)与环氧树脂线膨胀系数(26×10-6·K-1)相差较
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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（23.9×10-6·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126~170kV电压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 一箭双雕的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结构设计； (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；
(4) 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高电压等级的GIS三相全共箱设计； (6) 新型电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。简单就是可靠——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
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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167次，占61.7%。其中，液压机构137次，气动机构27次，弹簧机构3
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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封圈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，72.5~252kV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。 (2) 液压机构的选择
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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。 (3) 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。
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
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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机构采用了创新的简化结构设计——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) 由多缸储能进化到单缸储能 油压经储能缸压缩碟簧，并将能量储于碟形弹簧片中。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。
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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。 (4) 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密封可靠性。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d0、每圈直径d、弹簧倾斜角1、圈高h1以及触头安装
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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[6]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，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[6]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d0、d、1、h1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，同时也是稳定和提高其制造质量所必需。 (2) 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
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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
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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，对任何外来技术（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
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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自带手动操作的隔离触头并置于VT/AR罐内，这将使GIS整体结构简化、成本降低。 13．GIS智能化与GIS可靠性设计
GIS智能化设计工作已在我国相关科研、制造单位思考研究了近十年。现在，国家智能电网建设已拉开序幕，为进一步提高GIS运行可靠性、适应智能电网建设需要，GIS智能化设计工作已经跟随启动。
GIS智能化的具体工作内容很多（详见文[6]第17节），可根据条件分批进行，条件较成熟的可先启动。本文在此就某些问题补充一点意见。 13.1 电子式电流互感器和电子式电压互感器 电磁式CT不仅大笨重，其磁饱和使输出特性变坏、频带窄、响应慢，既不能适应GIS智能化采集电流信息的要求，也给电网增加了铁磁谐振的威胁。基于无铁心罗氏线圈的电子式电流互感器（ECT），克服了电磁式CT的上述缺点，能适应电站微机继电保护的要求，埋植入GIS壳体法兰内的极小尺寸罗氏线圈，大大简化了GIS结构、缩小了GIS尺寸。
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常规电磁式VT也是大笨重，输出特性也因有磁饱和而变坏，电网参数突变时，VT引起的铁磁谐振不仅降低其检测精度，谐振过电压还可能引起GIS和电网绝缘的破坏。解决现今GIS这些不可靠运行因素较切实的方案是设计GIS专用的电子式电压互感器（EVT）。一个极其简单的中间电位的分压电极经绝缘法兰装于GIS壳体（参见[6]图17-4），外接一个高阻抗的A/D转换单元，将低荷的电压模拟量转换成数字信息后经光纤送到电站微机保护单元或分布式管理的GIS就地控制柜。
华中科技大学等单位多年来对ECT和EVT进行了卓有成效的研究。其独立式ECT与EVT的研究成果和电网试用的成功经验，不仅得到了电力部门用户的理解、欢迎与支持，也为将ECT、EVT技术移植到GIS、HGIS和T·GCB创造了条件。为了提高GIS运行可靠性，期盼有更多的企业投入更大的热情来积极开展用于GIS的ECT和EVT的研制工作。 13.2 局放监测方案与GIS可靠性设计
众所周知，局部放电的监测对预测GIS内绝缘隐患、提高GIS运行可靠性有重要意义。本文1.5节所介绍的运行中GIS局放监测的经验—GIS局放的在线监测与体外监测必须结合，仅靠内部传感器的在线监测是有缺陷的。由这种缺陷导致的事故警示了GIS体外监测局放的必要性和重要性。
GIS中盆式绝缘子的结构设计与局放监测方式息息相关。近年来，已被我国高压开关行业否定20多年的带金属外圈的盆式绝缘子又随外邦产品入境，并不加思索地在某些企业投入生产线。盆式绝缘子的金属外圈虽然可以取代壳体间的联结接地线，但是它使GIS壳体在电气上完全封闭，内部特高频（UHF）局放信号无法传到GIS体外。比较适用的超声波法不能诊断绝缘件内部缺陷（如气泡）产生的局部放电，唯有特高频（UHF）诊断法对各种绝缘件的局放诊断
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有更高的灵敏度和更好的效果。但是，带金属外圈的盆子设计使UHF法的GIS体外局放诊断无法进行—对此，不能不让所有GIS设计者反思：20多年前否定盆子带金属外圈错了吗？
没错。无论是从机械强度还是从电气可靠性方面考虑设金属外圈都不是必要的。我国自制的无金属外圈的盆式绝缘子有30多万只安全运行1~30年的业绩，充分证明了不设金属外圈可行（国外GIS也有类似的盆式绝缘子数以万计几十年的成功运行经验）。盆子无金属外圈，内部的UHF局放信号就可经盆子法兰处传到GIS体外。将局放的内部传感器的在线监测与UHF信号的体外监测结合起来，就能使GIS获得更高的运行可靠性。而带金属外圈的盆式绝缘子设计使GIS不能在体外监测UHF局放信号，由此对GIS运行可靠性带来的干扰，不可勿视！
局放的UHF监测技术比较成熟、也有一些使用经验，将它移植到GIS后，应对内置式UHF局放传感器的性能、设置方法、检测精度以及不同放电类型的相位和频谱特征进行实用性的研究[8]。GIS局放监测技术实用方案的研究和其成果的应用，对GIS可靠性设计至关重要，应抓紧、抓好。 13.3 GCB电寿命监测与GIS可靠性设计
GCB/GIS已在我国电网批量运行二十多年了，早期产品已运行30年以上。这些产品要不要大修？要不要退役？除了明面上的气密性问题好考虑之外，GCB内部灭弧室烧损情况除了大拆大修，目前还没办法从外部判断，给产品的维修和更新带来很大的不便。这个问题随着产品用量的日益增大和服役期的不断延长而变得更加突出。因此，GCB灭弧室电寿命在线监测技术的研究和使用，不可等闲视之了。
笔者与华中科技大学先舰电气股份有限公司对电寿命在线监测技术进行了
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多年的研究，研究课题包括大小不同开断电流对灭弧室烧损量的等效折算方法、我国GCB电寿命限值的合理性以及相对剩余电寿命等。这些研究获得了有工程实用价值的成果（详见文[6]第17.6.3节），为电寿命分析软件的开发提供了可行的理论分析和数学计算的方法。先舰电气据此研发的电寿命监测仪已获得一些试用经验，希望在仪器监测精度得到科学严格的验证后，尽快商品化并推广使用，为实现按开关运行状态进行维护的目标做好技术准备。 13.4 避雷器在线监测与GIS可靠性设计
避雷器工作特性的好坏，对GIS的过电压保护十分重要。MOA避雷器在持续运行电压下工作时，通过避雷器的持续电流（全电流）由阻性电流和容性电流组成。避雷器受潮及MOA阀片特性的异常变化，都会导致持续电流的变化。其中，阻性电流的变化趋势更能反映避雷器运行工况的变化。经罗氏线圈测量的阻性电流容量小、精度高，稳定的输出经光纤传输与变电站的二次保护微机接口，实现避雷器运行状态的在线智能监控。当前需要认真研究的是对阻性电流监测的精度怎么定？监测值定高了不能准确地反映MOA质量的变化；定低了，仪器检测不出。根据运行可靠性需要提出一个监测精度，并研制出一种仪器满足这个精度要求，这是GIS可靠性设计应考虑的一项重要工作，一项当前应扎扎实实抓紧抓好的工作，不是规划更不是畅想。 13.5 SF6密度与湿度监控可靠性与GIS可靠性设计 现在GCB/GIS使用传统机械压力表式SF6密度控制器，虽有温度补偿功能，却存在着“欠补偿”、“示数假高”和海拔干扰等不良影响（详见文[6]第2.3.4节），对GCB/GIS运行的可靠性造成干扰。消除这些干扰的根本出路是，研制智能式SF6密度控制器，在产品壳体内部设置压力与温度传感器，实时采集GCB/GIS内部SF6的温度和压力，按文[6]中的（2-14）计算式和表2-13中的系数进行简
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单运算，就可以将任意温度下SF6气压折算成20C时的气压，真实地反映了产品内部SF6压力（密度）的变化，排除了环温、产品通流后气体的温升、海拔以及控制器安装位置的影响。按此原理设计的智能式SF6密度控制器结构简单，工作可靠。
SF6湿度的监控涉及的问题较多，首先是湿度的测量方法和限值方法，值得讨论。2008年对国标GB/T8905-1996进行了修改，但测量方法没变——在GCB/GIS体外测量SF6中的水分体积浓度，湿度的限值也没变——如GCB交接试验时为150L/L，运行中300L/L。这次修改的进步点主要是：确认了不同温度下测出的湿度X值折算到20C时对应值X20的折算方法。并通过DL/T506-2008标准在电力系统推广使用。这次经修改确定的GB/T8905-2008标准虽然在SF6湿度监测技术上有进步，但仍是一次不彻底的修改，留有待进一步研究的课题——用相对湿度来标定湿度限值更科学准确，能排除环温和SF6额定气压的干扰（详见文[6]第2.2节）。作者期盼有更多的人来关注GB/T8905-2008国标的进一步修改。
SF6湿度智能监控装置的工作原理并不复杂，通过置于GCB/GIS内部的温度传感器和低湿度传感器测出产品内部SF6的实时温度T3与湿度（水分体积浓度）X，已知产品SF6额定气压（绝对值）P2、与T3温度对应的饱和水蒸气压Pb，按文[6]中（2-5）式很快就算出产品内部SF6相对湿度：RH= XP2/Pb。
研制SF6湿度监测装置的难度在于低湿度传感器。目前国外有多种低湿度传感器，其工作精度、测量范围可满足要求；但其工作特性不稳定，无法进入工程实用。国内有不少单位在研究低湿度传感器和用相对湿度监测SF6湿度的可能性[9.10.11.12]。作者相信，随着对SF6湿度监测技术研究的深入，用相对湿度作SF6湿度的限值和测量方法的科学性和方便性，会被越来越多的人理解和肯同是寒窗苦读，怎愿甘拜下风！
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定。与目前监测SF6水分浓度的方法相比，监测SF6相对湿度对保障GIS运行可靠性具有更积极的意义。
13.6 智能监控保护单元与GIS可靠性设计
传统的GIS二次监控系统由众多的电磁继电器、仪表和庞杂冗长的二次接线构成，担负着GIS中各种元件运行状态参数的显示以及可分元件的操作和联锁。常因电磁元件各种特性的波动、二次接线的庞杂和电接触的不稳定造成二次监控失误，而影响GIS的正常工作。传统二次监控系统的不可靠性是国家智能电网建设的障碍之一。
GIS的智能监控装置集微电技术、计算机技术和网络技术于一体构成可编程控制器（PLC），它具有逻辑、定时、步进、计时控制功能，还有A/D转换、数据处理、通讯与联网功能。它对GIS各元件运行状态参数可进行显示与监控，对GIS可分元件实施合、分闸操作和编程联锁，记忆和保存GIS各种工作信息、故障信息和操作信息，还可对各种监控限值和计数等设定值进行调整。PLC与GIS的其它在线监测装置一起对GIS实施完整可靠的智能监控。
PLC的工作可靠性对GIS可靠性设计至关重要。PLC的可靠性设计，a）以数字式继电器的软接点软连接代替了传统电磁继电器的硬接点硬连接，保证了元件及元件连接的工作可靠性。b）PLC的重要元件应设计有效的滤波装置以抵制外部高频干扰和减少内部模块间信号的互相干扰。c）对关键元件CPU、变压器和编程器应设计可靠的电磁屏蔽，具有良好的电磁兼容性能保证工作特性稳定。d）PLC中的各种电源要设计强有力的抗电网电压波动、抗高频扰动冲击和防过电压过电流侵害的保护装置，以确保PLC工作小环境的安全。e）PLC的中央处理单元CPU与各回路的数字接口应设有光耦合器进行隔离，以排除CPU可能遭受的干扰和损坏。f）PLC有效的软联锁功能设计，使各输出通道之间互
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不干扰，以确保被控元件无误动作。g）PLC还应设计内部故障监视装置，一旦PLC内部出现故障导致CPU不能按预定程序工作时，应发出警报，提示检修，防患于未然。PLC这种自我监视分析功能设计是其可靠性设计的重要组成之一。h）在整体布置结构设计时，宜采用模块组合式结构，各模块还应设置故障检测回路，以方便检修和快速更换。PLC上述8项可靠性设计，对于为追求高可靠而进行的GIS智能化设计十分重要，没有PLC令人放心的可靠性设计，必然导致GIS智能化的流产！
14．成本（价位）与GIS可靠性设计 GIS进行功能、结构设计时，同时也要进行成本设计。根据“简单就是可靠，简单创造效益”的设计思想，在产品结构设计时应力求简洁，以尽可能少的零部件完成必需的功能，力争一件多用，做好标准化、通用化。简洁的设计不仅使零部件数量减少、零部件故障机率相应减少、产品运行可靠性因此而提高，而且能降低成本、提高企业经营效益、减少电站投资。做好成本设计、追求价廉物美，是GCB/GIS制造企业义不容辞的责任。
要获得高的GIS设计可靠性，也应该有必要的成本投入，“巧妇难为无米之炊”。目前我国高压电器市场不管由于何种原因造成的不正常的低价无效经营，其受害者首先是用户：不足的成本投入必然造就低劣的产品—这是企业生产的客观规律。当然，这种不正常的低价经营也必然伤害制造企业，企业被逼从降低设计可靠性、减少材料工时成本等方面去寻求生存之道，而使供需双方两败俱伤。
我们倡导一种良性循环的经营理念：给产品以合理的价位和必要的成本投入，为企业提供必要的经济基础，才能在制造行业内进行产品性能和产品可靠性的高水平竞争，通过这种竞争刺激技术发展，企业才有创新的活力，才能做
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出高可靠性产品，用户最终因此而受益。如果不提倡产品性能和可靠性的竞争，使企业长期陷于低价苦战的泥潭，必然导致技术的倒退！这不是危言耸听。
GIS可靠性设计应该在一个良性循环的经营环境里进行，我们殷切地期待着。 15 结论 我国GCB/GIS制造能力已有很大发展，具备充足的供应能力。我国各行各业已进入转变经济发展方式的新时期，要求以自主创新的科技力量提升产品质量，发展先进的电力装备制造业。本文结合国家坚强电网建设和智能电网建设的需要，对GCB/GIS整体结构和各元件的局部结构共13个方面的设计可靠性进行了分析，提出了许多具体的提高产品设计可靠性的建议，对GCB/GIS制造企业是一些改进完善提高产品的帮助，对关心GCB/GIS运行可靠性的使用方所提的宝贵意见是一份诚恳的回应。
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