低温环境GIS 开关设备气体密封解决方案

◎王保刚

（作者单位：平高集团有限公司）

引言：GIS 高压开关设备是我国电网建设主要设备之一，随着我国电网规模的不断扩大，对GIS 高压开关产品使用要求越来越严格，使用环境要求越来越宽广。依据GB/T2900.20-2016《电工术语 高压开关设备和控制设备》分类的开关中，断路器、隔离开关、接地开关、气体绝缘金属封闭开关设备、金属封闭开关设备均需要气体密封结构，其中以气体绝缘金属封闭开关设备（简称GIS 开关设备）气体密封结构最多，且最复杂，除了GIS 开关常用的静态连接面的静态密封（简称：静密封），还有传动部位的动态密封（简称：动密封），而动密封又分为直动密封和转动密封。

目前国内外GIS 开关设备中，用于静密封主要密封元件为O 形三元乙丙橡胶（EPDM）密封圈，用于动密封主要密封元件为Y 形丁腈胶（NBR）密封圈。O 形密封圈的密封性能是借助于其良好的弹性，在一定的紧固压力下，长期处于压缩状态，抵抗变形的弹性使它充填在结合缝隙中而起到密封作用。Y 形密封圈在密封情况下，利用密封介质内压力使用唇部受到周向压缩，使唇部与密封面配合紧密，使Y 形密封圈形成自密封作用，Y 形密封圈应用于动密封较多。

依据中国地面累年值月值数据集（1981-2010 年）统计，我国东北主要城市地区近四十年极端温度在+43.3℃～-45.4℃，西北主要城市地区近四十年极端温度在+47.7℃～-41.6℃。根据电网建设最新要求，环境温度低于-40℃时，可将开关设备建设于室内使用。所以，以国内某高压GIS开关设备密封结构，仅探究静密封和动密封在低温-40℃环境中的应用解决方案，可满足国内所有主要求城市开关建设需求。

一、密封结构设计

以国内某高压GIS 开关设备密封结构为例，O 形密封圈与T 形密封槽配合主要适用于静密封结构，Y 形密封圈与矩形密封槽配合主要适用于动密封结构。密封圈及密封槽的结构见图1 示意，根据气体密封要求，气体介质为六氟化硫气体或其它混合气体，根据产品泄漏率设计要求，本次试验样件选取密封结构压缩率为20%～25%，零部件密封部位粗糙度为0.8～1.6μm。O 形圈及Y 形圈的选用可参考GB/T3452.1-2005 及GB/T10708.1-2000 规定。

图1 a 静密封结构

图1 b 动密封结构

根据使用环境要求，本次选用密封圈试验均要满足+80℃～-40℃环境温度循环考验，对O 形三元乙丙胶采用EPDM-70高低温型胶料制成密封圈，Y 形丁腈胶采用NBR-518 高低温型胶料制成密封圈，主要参数指标见表1、表2。

表1 EPDM-70 主要参数指标

表2 NBR-518 主要参数指标

对密封件材料性能的确定和合理的密封结构的设计，通过严格的高低温循环试验，来验证结构及密封元件的使用性能是否能满足使用要求。

二、试验部分

密封结构零部件按照设计进行检验，符合尺寸、粗糙度要求，满足密封设计压缩率要求。

通过单件检测，在确定密封元件及整机试验用的零部件（密封槽）均符合设计要求的条件下，通过装配后进行整机的高低温循环试验，来验证设计、工艺、密封结构的有效。

1.试验过程。依据GIS 开关设备的在我国东北、西北地区的使用环境要求，及橡胶密封圈的物理特性，通过模拟O 形密封结构、Y 形密封结构整机的低温环境，拟进行高低温循环试验方法，加速密封圈高低温物理特性转变，探究该密封圈有硬度、低温脆性及密封结构能否满足以上环境使用要求，具体试验步骤如下：

（1）O 形密封圈试验步骤。1）O 形密封圈装入试验装置中，装置充入0.65MPa 的六氟化硫气体；2）对密封面使用塑料膜包扎成定容积气腔（下称：包扎气腔），室温24h 后使用0.01 级精度六氟化硫定量检测仪（下称：检测仪）进行检测，年泄漏率不高于0.1%；3）试验装置整体放入高低温柜80℃×8h→0℃×4h→-20℃×4h→-40℃×8h 进行第1 个循环；4）对包扎气腔定量检测，年泄漏率不高于0.1%；5）拆除包扎气腔，使用检测仪检测，不允许有泄漏；6）重新对密封面使用塑料膜包扎成定容积气腔，再次放入高低温柜进行第3）～5）步骤共进行5 个高低温循环；7）5 个循环试验完毕，重新对密封面使用塑料膜包扎成定容积气腔，放入室温环境24h 按第4）～5）条进行试验；8）试验结束。

（2）Y 形密封圈试验步骤。1）Y 形密封圈装配试验装置中，装置充入0.45MPa 的六氟化硫气体；2）对试验试装Y 形密封圈密封用转运轴分别正反转运各50 次；3）对密封面使用塑料膜包扎成定容积气腔（下称：包扎气腔），室温24h 后使用0.01 级精度六氟化硫定量检测仪进行检测（下称：检测仪），年泄漏率不高于0.1%；4）试验装置整体放入高低温柜80℃×8h→0℃×4h→-20℃×4h→-40℃×8h 进行第1 个循环；5）对包扎气腔进行检测，年泄漏率不高于0.1%；6）拆除包扎气腔，对密封用转运轴分别正反转运各50 次，使用检测仪检测，不允许有泄漏；7）重新对密封面使用塑料膜包扎成定容积气腔，再次放入高低温柜进行第4）～6）步骤共进行5 个高低温循环；8）5 个循环试验完毕，重新对密封面使用塑料膜包扎成定容积气腔，放入室温环境24h 按第5）～6）条进行试验；9）试验结束。

2.试验结果。

（1）O 形密封圈及密封结构试验结果。对O 形密封圈及密封结构试验装置进行装配，并按照试验步骤进行试验，试验装置及结果如下：

表3 O 形密封圈低温试验结果

（2）Y 形密封圈及密封结构试验结果。对Y 形密封圈及密封结构试验装置进行装配，并按照试验步骤进行试验，试验装置及结果如下：

表4 O 形密封圈低温试验结果

经上述试验后，对试验密封结构检测值进行分析，未出现明显泄漏现象，两种密封结构经高低温试验后，密封性能良好。

依据GB/T11022-2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》，对检测值进行泄漏率计算：

漏气率:

式中：P(大气压强)--105Pa；V(检漏罩减去试品的容积)，ml；K(检漏罩内SF6气体的浓度增加值即K2-K1)，体积比值；t(扣罩收集SF6气体含量的时间)，s。

年漏气重量的计算:

式中：＝SF6气体密度，6.15kg/m3(latm 20℃)；T ＝1 年 的 小 时 数，365×24h ＝8760h；V＝试验容积，Vm3；K＝SF6气体浓度变化，V/V；t＝放置时间，(h)。

年漏气率：

式中：G＝年漏气重量，kg；M＝该气室充入SF6气体重量，kg。

通过计算，两种密封圈及该密封结构年泄漏率均远小于0.1%要求，满足GIS 开关设备低温环境地区的气密性能要求。

三、总结

1.O 形EPDM-70 高低温型胶料制成密封圈及Y 形NBR-518 高低温型胶料制成密封圈，经实际工况验证在+80℃～-40℃时环境中物理特性未发生明显变化。

2. 该密封圈与以上密封结构配合下，保证压缩率为20%～25%，零部件密封部位粗糙度为0.8～1.6μm 工况下，可满足GIS 开关设备气体密封要求。

3. 经验证以上密封结构工况下，经+80℃～-40℃环境温度循环试验，年泄漏率低于0.1%。

4. 以 上 试 验 表 明，EPDM-70 及NBR-518 密封圈在特定的密封结构的下，经科学的工艺装配完成，是保障气体密封性能前提。

5.针对该密封圈并不能表明完全可应用于其它开关设备的密封结构中，密封圈尺寸与密封结构尺寸的公差配合尤为重要，对于超温度范围或许配合不同的尺寸公差仍需进一步探究。