換流變壓器套管將軍帽故障分析及改進(jìn)措施

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

換流變壓器（以下簡稱“換流變”）高壓套管對高壓繞組引出線起絕緣和支持作用，其套管頂部的將軍帽是換流變套管與外部引線連接的重要部件[1]。將軍帽為高壓套管頂部提供密封，使套管內(nèi)部絕緣油與外界隔絕，阻止外部水分進(jìn)入套管本體，保證套管絕緣油不會滲漏和受潮變質(zhì)[2-3]。若換流變套管將軍帽長期高溫運行會導(dǎo)致套管損壞，進(jìn)而導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)單極強迫停運[4]?？梢?，對換流變而言，高壓套管將軍帽的設(shè)計是否合理對換流變安全運行至關(guān)重要[5]。下面介紹某特高壓換流站換流變網(wǎng)側(cè)高壓套管將軍帽發(fā)熱故障的現(xiàn)象及檢查處理情況，詳細(xì)分析發(fā)熱故障的原因，并針對此類故障提出整改措施。

1 將軍帽結(jié)構(gòu)及缺陷現(xiàn)象

1.1 將軍帽結(jié)構(gòu)簡介

換流變網(wǎng)側(cè)高壓套管將軍帽結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 原將軍帽結(jié)構(gòu)示意圖

該套管型號為BRLW-550/2500-3，由南京電氣（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)，實物如圖2 所示。

圖2 原將軍帽實物

軟木橡膠墊圈在套管頭部與過渡板之間形成密封，與將軍帽形成防雨水結(jié)構(gòu)；并緊圓螺母與將軍帽內(nèi)螺紋組成雙螺母結(jié)構(gòu)增加并緊力，防止將軍帽松動[6]；通過6 顆限位螺栓將緊固后的將軍帽進(jìn)行限位，進(jìn)一步防止將軍帽因換流變運行振動而導(dǎo)致松動。安裝時首先將并緊圓螺母擰到套管導(dǎo)電管底部，然后將將軍帽旋入導(dǎo)電管，全部旋入后，利用專用扳手將并緊圓螺母回旋，與將軍帽組成雙螺母結(jié)構(gòu)增加并緊力，最后利用6顆六角螺栓將將軍帽與過渡板固定，利用螺栓的緊固力，下壓將軍帽邊沿，保證其壓緊軟木橡膠墊圈。

1.2 將軍帽發(fā)熱缺陷現(xiàn)象

該結(jié)構(gòu)將軍帽自2016 年3 月投運以來發(fā)熱故障頻發(fā)。2016 年迎峰度夏至今發(fā)熱情況如表1所示。根據(jù)DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》，電流致熱型設(shè)備與金屬部件的連接熱點，溫差在15 K 以內(nèi)為一般缺陷，溫度在353.15～383.15 K為嚴(yán)重缺陷，溫度高于383.15 K為危急缺陷[7]。

表1 將軍帽發(fā)熱情況

前兩次發(fā)熱缺陷停電處理時，均發(fā)現(xiàn)將軍帽與導(dǎo)電管螺紋連接部位有過熱變色痕跡，如圖3所示，屬于內(nèi)部接頭發(fā)熱，均對導(dǎo)電管接觸面進(jìn)行打磨處理，并換上新的將軍帽。

第三次發(fā)熱缺陷停電處理時，由于將軍帽已與導(dǎo)電管卡死，無法拆卸，現(xiàn)場對換流變套管進(jìn)行整體更換，同時對其他換流變套管將軍帽打開檢查時，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電管頭部以及螺紋等部位均存在積水或水漬，如圖4 所示。

圖3 將軍帽及導(dǎo)電管接觸面發(fā)熱痕跡

圖4 導(dǎo)電管頭部積水

2 發(fā)熱故障原因分析

結(jié)合套管運維情況、現(xiàn)場檢查情況及返廠檢查情況，該套管頂部導(dǎo)電載流結(jié)構(gòu)采用導(dǎo)電管外螺紋與將軍帽內(nèi)螺紋接觸載流方式，此結(jié)構(gòu)導(dǎo)電載流能力主要受內(nèi)外螺紋配合加工精度、螺紋絲扣接觸長度、內(nèi)外螺紋間壓緊力等因素的影響。該套管將軍帽與過渡板之間采用軟木橡膠墊圈進(jìn)行密封，此結(jié)構(gòu)密封效果主要受將軍帽邊沿彈性板壓緊力的影響。據(jù)此，導(dǎo)致套管將軍帽受潮、發(fā)熱主要有以下五方面原因。

（1）并緊螺母安裝工藝不佳

現(xiàn)場施工時高空作業(yè)難度較大，并緊螺母緊固程度較難控制，具有分散性。緊固并緊螺母時無法利用力矩扳手按施工工藝規(guī)范進(jìn)行操作，不能有效驗證安裝力矩。若并緊圓螺母存在松動，在換流變長期運行時，會造成將軍帽與載流導(dǎo)管連接螺紋松動或接觸不良，進(jìn)而導(dǎo)致將軍帽內(nèi)部異常發(fā)熱[8]。

（2）導(dǎo)電管外螺紋與將軍帽內(nèi)螺紋配合加工精度參差不齊

導(dǎo)電管外螺紋與將軍帽內(nèi)螺紋的配合加工精度將會直接影響到載流部件的實際有效接觸面積。部分套管的將軍帽內(nèi)螺紋與載流導(dǎo)管外螺紋配合不緊密，受換流變振動、引線拉力等因素影響，將軍帽與載流導(dǎo)管連接螺紋局部接觸不良，導(dǎo)致將軍帽內(nèi)部異常發(fā)熱[9]。

（3）導(dǎo)線的拉力影響

將軍帽、接線夾以及相對較粗的引流線施加在套管頂部的水平拉力較大[10]，加之將軍帽內(nèi)螺紋和導(dǎo)電管螺紋間的配合精度不夠，使將軍帽與導(dǎo)電管螺紋在水平方向咬合不均勻，減小了載流面積，增大了接觸電阻，導(dǎo)致將軍帽內(nèi)部異常發(fā)熱。

（4）軟木橡膠墊圈密封功能不佳

將軍帽通過限位螺栓進(jìn)行固定，由于將軍帽制造工藝的分散性，彈性板很難將軟木橡膠墊壓緊密封。換流變運行過程中，套管頭部振動較大，套管負(fù)荷相對較高，加之熱脹冷縮等因素的綜合作用，將軍帽密封失效，雨水通過軟木橡膠圈墊進(jìn)入將軍帽中，加速了接觸面的氧化，增大了接觸電阻，加劇了發(fā)熱情況[11]。

（5）導(dǎo)電管材質(zhì)與將軍帽材質(zhì)不同

套管導(dǎo)管材質(zhì)為黃銅，將軍帽材質(zhì)為紫銅，運行過程中因負(fù)荷變化，引起在導(dǎo)管與將軍帽熱脹冷縮過程中形變量不同，造成螺紋間有效接觸面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致將軍帽內(nèi)部異常發(fā)熱[12]。

3 制定優(yōu)化改造方案

針對原網(wǎng)側(cè)套管將軍帽僅靠將軍帽與導(dǎo)電管螺紋咬合來承受導(dǎo)線的拉力、密封效果不佳以及載流面積不夠等問題，本文提出新結(jié)構(gòu)的將軍帽。

3.1 新結(jié)構(gòu)將軍帽

新結(jié)構(gòu)將軍帽將密封面和導(dǎo)流面分離，避免原結(jié)構(gòu)因密封失效引起導(dǎo)流面的發(fā)熱問題。新結(jié)構(gòu)將軍帽示意圖如圖5 所示，將軍帽由丁腈橡膠密封圈、將軍帽本體、壓板、氟橡膠密封圈、壓圈等組成。新結(jié)構(gòu)將軍帽實物如圖6 所示。

圖5 新結(jié)構(gòu)將軍帽示意圖

圖6 新結(jié)構(gòu)將軍帽實物圖

將軍帽本體采用兩側(cè)開槽的哈夫結(jié)構(gòu)。安裝時，首先將將軍帽旋到導(dǎo)電管上，旋入深度85 mm，以留有空間能安裝將軍帽上部兩組螺栓為準(zhǔn)；然后依次安裝將軍帽本體上部兩組固定螺栓、丁腈橡膠密封圈、壓板、氟橡膠密封圈、壓圈。改進(jìn)前、后套管將軍帽的結(jié)構(gòu)對比如表2 所示。

表2 改進(jìn)前、后套管將軍帽的結(jié)構(gòu)對比

3.2 新結(jié)構(gòu)將軍帽特性

（1）相比原將軍帽，新將軍帽本體及內(nèi)部螺紋均加長50 mm，增大了將軍帽與導(dǎo)電管的接觸面積。

（2）哈夫結(jié)構(gòu)將軍帽旋入油枕蓋板下方，通過螺栓抱緊導(dǎo)電管，防止將軍帽與導(dǎo)電管螺紋咬合不緊密。將軍帽底部嵌入導(dǎo)電管和油枕蓋板之間，通過壓板固定，防止因切向拉力引起將軍帽擺動。

（3）通過壓圈、密封圈、壓板組成一道縱向本體密封。在壓板和壓圈間增加氟橡膠材質(zhì)密封圈，壓板對密封圈起到支撐和限位的作用，壓圈對密封圈提供一個橫向和縱向的壓緊力，橫向壓力使密封圈壓緊將軍帽，縱向壓力使密封圈壓緊壓板。同時密封圈對將軍帽的縱向開口槽也起到密封作用，可以防止雨水或潮氣進(jìn)入將軍帽內(nèi)部。

（4）氟橡膠有優(yōu)異的耐油耐高溫性能，以及優(yōu)異的耐天候老化、耐臭氧老化性能，使用工作溫度為253.15～523.15 K[13]。氟橡膠的密封面安裝在將軍帽的圓柱面上，當(dāng)導(dǎo)管熱脹冷縮時，將軍帽的圓柱面與氟膠圈接觸面會出現(xiàn)相對移動，使密封性能不受影響。

4 試驗驗證

根據(jù)套管現(xiàn)場運行情況以及GB/T 4109—2008《交流電壓高于1 000 V 的絕緣套管》相關(guān)規(guī)定，設(shè)計了溫升試驗、彎曲負(fù)荷下的密封試驗、模擬冷熱循環(huán)工況下的密封試驗[14]。

（1）溫升試驗

模擬套管帶將軍帽實際運行時的溫升情況，將套管下端浸入變壓器油內(nèi)，油面接近套管底部安裝法蘭。在套管上施加2 500 A 的電流，在套管及將軍帽各主要部位埋置8 處熱電偶進(jìn)行溫度測量，熱電偶位置如圖7 所示。

對變壓器油進(jìn)行加熱，使變壓器油溫升達(dá)到60 K，當(dāng)套管各部分溫度穩(wěn)定時（如果1 h 內(nèi)溫度變化不超過±1 K，則認(rèn)為達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)），記錄下各部分溫升情況，如圖8 所示。

試驗結(jié)果表明，套管各部分溫升均小于GB/T 4109—2008《交流電壓高于1 000 V 的絕緣套管》規(guī)定的70 K 的要求，溫升試驗通過。

（2）彎曲負(fù)荷下的密封試驗

圖7 熱偶位置分布

圖8 套管各部分溫升

為檢驗將軍帽實際運行中受導(dǎo)線拉力時的密封性能，對套管接線端子左右兩個方向（相差180°）施加2 000 N 水平負(fù)荷20 次，每次維持60 s。同時，在套管頭部的各密封結(jié)合處不斷施加盡可能多的品紅溶液。

試驗完成后，拆卸將軍帽零部件，檢查各部分的密封情況。氟橡膠圈提供將軍帽縱向開口的軸向密封性能，由圖9 可知，在氟橡膠圈內(nèi)部以及將軍帽側(cè)面都有明顯的品紅分界線，說明品紅溶液未透過氟橡膠圈，氟橡膠圈密封性能良好。

圖9 將軍帽氟橡膠圈及壓板上部

由圖10 可知，在將軍帽壓板內(nèi)部以及油枕蓋板上丁腈橡膠圈處，都有明顯的品紅分界線，說明丁腈橡膠圈起到了良好的密封性能。

圖10 將軍帽壓板內(nèi)部及油枕蓋板上部

（3）模擬冷熱循環(huán)工況下的密封試驗

為檢驗將軍帽長期在劇烈溫度變化時的密封性能，設(shè)計了冷熱循環(huán)工況下的密封試驗[15]。按圖11 所示方式，將套管頭部結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，將兩個將軍帽及套管油枕蓋板對接后安裝在導(dǎo)電銅管上進(jìn)行密封試驗。

試驗?zāi)M套管導(dǎo)管從293.15～363.15 K 相對于油枕蓋板最大伸長變化量為4.2 mm，從293.15～248.15 K 最大收縮變化量為2.7 mm 的計算結(jié)果，將圖11 所示裝配好的試驗?zāi)Ｐ头胖糜趬毫C上，如圖12 所示。利用壓力機下壓將軍帽，使將軍帽向下移動4 mm，模擬溫度從293.15 K 下降到248.15 K 以下導(dǎo)電管收縮的情況；再向上移動（4+6）mm，模擬溫度從248.15 K 上升到363.15 K 以上，反復(fù)28 次，觀察模擬的套管新將軍帽結(jié)構(gòu)的密封狀況。

圖11 冷熱循環(huán)試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖12 組裝完成的部件放在油壓機上

試驗過程中，對套管頭部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部填充0.2 MPa 氣體。如圖13 所示，在每次移動套管導(dǎo)電管前后，均在將軍帽試驗?zāi)Ｐ偷母髅芊馊γ嫱磕ǚ试硭?，發(fā)現(xiàn)將軍帽各密封面均密封良好，未見鼓泡現(xiàn)象。上述試驗完成后，將試驗?zāi)Ｐ驼w浸入水中，結(jié)果無任何滲漏現(xiàn)象，無氣泡產(chǎn)生。試驗前后，模型內(nèi)部壓力指示無變化。

圖13 試驗?zāi)Ｐ兔芊庑詸z查

上述試驗過程及結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)將軍帽模擬冷熱循環(huán)工況下的密封狀況良好。

（4）套管將軍帽改造效果

2018 年5 月，完成了對雙極低端換流變套管將軍帽的改造工作。新結(jié)構(gòu)將軍帽在2019 年迎峰度夏期間運行良好，未見異常溫升。圖14 為極1 低Y/Y-A 相和極2 低Y/Y-A 相換流變套管將軍帽一年內(nèi)的溫升趨勢，將軍帽溫升最大值為26.8 K，溫升值在正常范圍內(nèi)。

圖14 極1 低Y/Y-A 相和極2 低Y/Y-A 相換流變套管將軍帽溫升趨勢

5 結(jié)語

通過對換流變網(wǎng)側(cè)高壓套管將軍帽發(fā)熱現(xiàn)象的深入研究，準(zhǔn)確分析出該類型套管將軍帽發(fā)熱的原因，并提出了有效的將軍帽整改方案，經(jīng)試驗驗證合格，現(xiàn)場長時間運行未再出現(xiàn)過熱問題。該研究成果可應(yīng)用于所有該類型套管將軍帽的改造，可徹底解決將軍帽的發(fā)熱問題，現(xiàn)場可實施性強，對提高設(shè)備運行的可靠性具有重要意義，可為今后換流站換流變的運維提供參考與借鑒。