換流變壓器套管將軍帽故障分析及改進措施

（國網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，使套管內部絕緣油與外界隔絕，阻止外部水分進入套管本體，保證套管絕緣油不會滲漏和受潮變質[2-3]。若換流變套管將軍帽長期高溫運行會導致套管損壞，進而導致直流輸電系統單極強迫停運[4]。可見，對換流變而言，高壓套管將軍帽的設計是否合理對換流變安全運行至關重要[5]。下面介紹某特高壓換流站換流變網側高壓套管將軍帽發熱故障的現象及檢查處理情況，詳細分析發熱故障的原因，并針對此類故障提出整改措施。

1 將軍帽結構及缺陷現象

1.1 將軍帽結構簡介

換流變網側高壓套管將軍帽結構見圖1。

圖1 原將軍帽結構示意圖

該套管型號為BRLW-550/2500-3，由南京電氣（集團）有限責任公司生產，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構；并緊圓螺母與將軍帽內螺紋組成雙螺母結構增加并緊力，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行限位，進一步防止將軍帽因換流變運行振動而導致松動。安裝時首先將并緊圓螺母擰到套管導電管底部，然后將將軍帽旋入導電管，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構增加并緊力，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 將軍帽發熱缺陷現象

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

表1 將軍帽發熱情況

前兩次發熱缺陷停電處理時，均發現將軍帽與導電管螺紋連接部位有過熱變色痕跡，如圖3所示，屬于內部接頭發熱，均對導電管接觸面進行打磨處理，并換上新的將軍帽。

第三次發熱缺陷停電處理時，由于將軍帽已與導電管卡死，無法拆卸，現場對換流變套管進行整體更換，同時對其他換流變套管將軍帽打開檢查時，發現導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 將軍帽及導電管接觸面發熱痕跡

圖4 導電管頭部積水

2 發熱故障原因分析

結合套管運維情況、現場檢查情況及返廠檢查情況，該套管頂部導電載流結構采用導電管外螺紋與將軍帽內螺紋接觸載流方式，此結構導電載流能力主要受內外螺紋配合加工精度、螺紋絲扣接觸長度、內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行密封，此結構密封效果主要受將軍帽邊沿彈性板壓緊力的影響。據此，導致套管將軍帽受潮、發熱主要有以下五方面原因。

（1）并緊螺母安裝工藝不佳

現場施工時高空作業難度較大，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范進行操作，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管連接螺紋松動或接觸不良，進而導致將軍帽內部異常發熱[8]。

（2）導電管外螺紋與將軍帽內螺紋配合加工精度參差不齊

導電管外螺紋與將軍帽內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螺紋與載流導管外螺紋配合不緊密，受換流變振動、引線拉力等因素影響，將軍帽與載流導管連接螺紋局部接觸不良，導致將軍帽內部異常發熱[9]。

（3）導線的拉力影響

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]，加之將軍帽內螺紋和導電管螺紋間的配合精度不夠，使將軍帽與導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，導致將軍帽內部異常發熱。

（4）軟木橡膠墊圈密封功能不佳

將軍帽通過限位螺栓進行固定，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，加劇了發熱情況[11]。

（5）導電管材質與將軍帽材質不同

套管導管材質為黃銅，將軍帽材質為紫銅，運行過程中因負荷變化，引起在導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，進而導致將軍帽內部異常發熱[12]。

3 制定優化改造方案

針對原網側套管將軍帽僅靠將軍帽與導電管螺紋咬合來承受導線的拉力、密封效果不佳以及載流面積不夠等問題，本文提出新結構的將軍帽。

3.1 新結構將軍帽

新結構將軍帽將密封面和導流面分離，避免原結構因密封失效引起導流面的發熱問題。新結構將軍帽示意圖如圖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。新結構將軍帽實物如圖6 所示。

圖5 新結構將軍帽示意圖

圖6 新結構將軍帽實物圖

將軍帽本體采用兩側開槽的哈夫結構。安裝時，首先將將軍帽旋到導電管上，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；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。改進前、后套管將軍帽的結構對比如表2 所示。

表2 改進前、后套管將軍帽的結構對比

3.2 新結構將軍帽特性

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

（2）哈夫結構將軍帽旋入油枕蓋板下方，通過螺栓抱緊導電管，防止將軍帽與導電管螺紋咬合不緊密。將軍帽底部嵌入導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入將軍帽內部。

（4）氟橡膠有優異的耐油耐高溫性能，以及優異的耐天候老化、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，當導管熱脹冷縮時，將軍帽的圓柱面與氟膠圈接觸面會出現相對移動，使密封性能不受影響。

4 試驗驗證

根據套管現場運行情況以及GB/T 4109—2008《交流電壓高于1 000 V 的絕緣套管》相關規定，設計了溫升試驗、彎曲負荷下的密封試驗、模擬冷熱循環工況下的密封試驗[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，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 處熱電偶進行溫度測量，熱電偶位置如圖7 所示。

對變壓器油進行加熱，使變壓器油溫升達到60 K，當套管各部分溫度穩定時（如果1 h 內溫度變化不超過±1 K，則認為達到了穩定狀態），記錄下各部分溫升情況，如圖8 所示。

試驗結果表明，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》規定的70 K 的要求，溫升試驗通過。

（2）彎曲負荷下的密封試驗

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 水平負荷20 次，每次維持60 s。同時，在套管頭部的各密封結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，在氟橡膠圈內部以及將軍帽側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 將軍帽壓板內部及油枕蓋板上部

（3）模擬冷熱循環工況下的密封試驗

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

試驗模擬套管導管從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 的計算結果，將圖11 所示裝配好的試驗模型放置于壓力機上，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28 次，觀察模擬的套管新將軍帽結構的密封狀況。

圖11 冷熱循環試驗模型

圖12 組裝完成的部件放在油壓機上

試驗過程中，對套管頭部結構的內部填充0.2 MPa 氣體。如圖13 所示，在每次移動套管導電管前后，均在將軍帽試驗模型的各密封圈面涂抹肥皂水，發現將軍帽各密封面均密封良好，未見鼓泡現象。上述試驗完成后，將試驗模型整體浸入水中，結果無任何滲漏現象，無氣泡產生。試驗前后，模型內部壓力指示無變化。

圖13 試驗模型密封性檢查

上述試驗過程及結果表明，新結構將軍帽模擬冷熱循環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。新結構將軍帽在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。

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 結語

通過對換流變網側高壓套管將軍帽發熱現象的深入研究，準確分析出該類型套管將軍帽發熱的原因，并提出了有效的將軍帽整改方案，經試驗驗證合格，現場長時間運行未再出現過熱問題。該研究成果可應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熱問題，現場可實施性強，對提高設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。