運行中變壓器COT型套管缺陷分析和改進方案

廣東能建電力設備廠有限公司 廣東 廣州 510285

1 前言

近年,在某電網公司系統內掛網運行的變壓器的COT型套管連續發生了多次絕緣故障,于是電網公司委托我司對該類型套管進行解體檢查分析。根據解體檢查分析,該類型套管是因其上部結構在設計、制造工藝等方面存在缺陷,導致套管在室外運行時容易進水受潮,從而引起絕緣故障。本文對該類型套管的上部密封結構進行了分析,找出造成容易進水缺陷的主要原因,并提出改進方案,以保障變壓器乃至電網的安全穩定運行。

2 缺陷分析

2.1 COT型套管上部結構分析 COT型套管及頭部外形圖如圖1所示。經過對COT型套管上部進行解體檢查分析,套管上部結構主要存在兩個缺陷：①套管電纜接線柱連接結構存在密封缺陷；②套管儲油柜上部連接結構存在密封缺陷。

2.2 套管密封缺陷分析

2.2.1 套管電纜接線柱連接結構密封缺陷分析 套管電纜接線柱的連接方式如圖1所示,具體安裝順序如下：電纜接線柱套上矩形橡膠墊圈后,從防雨帽(帽蓋)內部穿過,將帽蓋(連同電纜接線柱下端)扣裝在通心導管上,旋緊帽蓋內螺紋,在帽蓋外側放置薄石棉橡膠墊片、定位銷,然后擰緊迫緊螺母,再放置厚石棉橡膠墊片,最后擰緊接線端子。從COT型套管頭部密封結構看到,電纜接線柱有3處密封：分別為①矩形橡膠墊圈的密封；②薄石棉橡膠墊片的密封；③厚石棉橡膠墊片的密封。其三處密封及相關緊固件、密封位置如圖2所示。另外,從COT型套管頭部密封結構看到,電纜接線柱有3處密封：分別為①矩形橡膠墊圈的密封；②薄石棉橡膠墊片的密封；③厚石棉橡膠墊片的密封。其三處密封及相關緊固件、密封位置如圖2所示。

(1)矩形橡膠墊圈的密封原理：由迫緊螺母通過帽蓋,對電纜接線柱的螺紋收緊,使矩形橡膠墊圈產生軸向壓縮、內外徑向膨脹,實現對通心導管內徑、電纜接線柱外徑及軸肩、帽蓋內平面所形成的內腔的四周密封。

(2)薄石棉橡膠墊片的密封原理：薄石棉橡膠墊片放置在迫緊螺母與帽蓋之間,在迫緊螺母對電纜接線柱螺紋收緊的同時,實現迫緊螺母對帽蓋的平面密封。

圖1 COT型套管及頭部外形圖位置

圖2 COT型套管頭部密封結構圖

圖3 非剛性結構簡圖

(3)厚石棉橡膠墊片的密封的原理：厚石棉橡膠墊片放置在迫緊螺母與接線端子之間,由接線端子對電纜接線柱的螺紋收緊,實現接線端子對迫緊螺母的平面密封。同時該結構還起到了雙螺母互迫的防止接線端子返松作用。

但是,矩形橡膠墊圈的密封是非剛性密封結構,其在外力作用下,電纜接線柱連同迫緊螺母,會克服橡膠墊圈的彈性往上位移,及在電纜接線柱與帽蓋、通心導管內孔的間隙左右位移。如圖3所示。因此COT套管這種非剛性密封結構,長期運行很大機率會產生以下現象：①套管上部的接線銅掌與變電站母線下引線連接,使電纜接線柱承受著下引線的牽引力,在變向風力的影響下,下引線的牽引力對電纜接線柱產生交變性搖動。②經過長時間的運行,在交變性搖動下,加速了橡膠墊圈老化變形、彈性內應力衰減的進程。從而迫緊螺母對電纜接線柱的收緊力也衰減,迫緊螺母與帽蓋的薄石棉橡膠墊片平面密封也會逐漸失效,使電纜接線柱密封結構發生松動。

同時,石棉橡膠墊片外露設置不合理。厚、薄兩款石棉橡膠墊片外露設置,受大氣、雨水、紫外線的直接影響,容易加速老化、失效和斷裂,是雨水、潮氣滲進套管的危險源之一。

綜合上述現象,在套管通心導管的負壓吸力下,雨水、潮氣就有可能和容易從薄石棉橡膠墊片滲透到電纜接線柱密封結構,途經帽蓋上端的U形槽和內孔、矩形橡膠墊圈外徑,進入套管通心導管的內腔,導致主體入水從而造成主變事故。雨水進入套管本體途徑如圖4所示。

圖4 雨水進入套管本體途徑示意圖

(2)套管儲油柜上部連接結構密封缺陷分析：

管儲油柜上部連接結構如圖5所示。儲油柜套入通心導管,儲油柜上部中心孔口有大倒角的三角槽。在三角槽位置安裝O形密封圈,在通心導管上安裝蝶形彈簧組,然后通過壓緊圓螺母,蝶形彈簧組對O形密封圈進行壓緊,使O形密封圈壓縮變形,緊箍通心導管外徑,形成在儲油柜三角槽面與通心導管外徑的密封。

圖5 管儲油柜上部連接結構

本來,O形密封圈在直角三角槽實施對軸的密封是種常見的三角形密封結構。但是問題就出現在于：本案是采用蝶形彈簧壓緊O形密封圈,在壓緊過程中,蝶形彈簧的斜面容易把密封圈壓壞。蝶形彈簧與O形密封圈壓緊關系如圖6所示。其壓緊過程如下：

圖6 蝶形彈簧與O形密封圈壓緊關系

①螺母未施壓時,O形密封圈未變形；

②圓螺母將蝶形彈簧剛下壓時,蝶形彈簧的斜邊角把O形密封圈壓下,O形密封圈變形下陷,且很有可能變形過量；

③圓螺母將蝶形彈簧壓貼儲油柜平面時,O形密封圈反彈至正常變形。

另外由于蝶形彈簧內徑與通心導管外徑有間隙,在安裝蝶形彈簧時,蝶形彈簧容易產生偏心,而形成對O形密封圈產生偏心壓緊。圓螺母將蝶形彈簧剛壓至儲油柜平面時,O形密封圈變形下陷及單邊變形嚴重,極容易造成該部位O形密封圈的撕裂,從而使套管儲油柜上部的三角形密封出現缺陷,存在容易滲水的風險。詳見圖7雨水進入套管本體途徑示意圖。

綜上分析,COT型套管儲油柜上部密封結構存在的主要缺陷是：①蝶形彈簧壓緊O形密封圈,在壓緊過程中,蝶形彈簧的斜邊角容易把密封圈壓壞；②O形密封圈存在被壓至撕裂風險,導致套管儲油柜上部的三角形密封出現缺陷。

3 改進方案

3.1 改進思路

(1)需針對套管電纜接線柱和儲油柜上部存在的密封缺陷,改進后能杜絕或改善以上缺陷的發生；

(2)需便于實施、需便于恢復。該類型套管大都是在運行主變壓器套管,需要對主變壓器進行停電改造,且為了保障供電可靠性,停電時間不能太長：①在變電站現場能夠實施改造；②盡可能不改動現有套管頂部結構,不用拆解套管,保障改造后套管質量可靠；③盡可能不用排放主體油、不用拆卸套管；④盡可能不影響或不需要改動引下線接線等。

圖7 雨水進入套管本體途徑示意圖

3.2 改進方案 根據以上改進思路,設計了一套COT套管上部結構改進方案。如圖8所示。本方案采用加裝防雨罩及其壓緊密封結構和更換新接線端子方式,對原套管頂部進行改造。在改造同時更換套管相關位置密封件。

圖8 套管上部改進方案結構圖

(1)密封結構改進：本方案保留了套管原來所有密封結構,增加了防雨罩,重新設計了新的接線端子結構,并在接線端子與防雨罩間增加了O形膠圈密封。加裝的防雨罩不僅罩住了原外露的兩處石棉橡膠墊片,還罩住了套管儲油柜,既降低了原套管頭部整體密封位置的水汽,又保護了密封件不易被老化,降低套管進水風險。同時增加了圓螺母,加強壓緊力度,從而降低了接線端子被引線牽拉等造成密封不良風險。

(2)實施便利：本方案基本保持了套管原結構,只是改進了接線端子,并在新加工的接線端子上,安裝O形膠圈和新增加的防雨罩、壓緊墊圈、圓螺母。因此在變電站現場,在主變檢修狀態下,只需拆除原套管接線端子即可安裝防雨罩和新的接線端子。同時,新的接線端子接線柱跟原接線端子尺寸一致,高度相差不大,無需改動架空引下線及接線銅掌。整體實施簡單、便利。

3.3 改造質量及檢驗

(1)測試改造前、改造后主變繞組連同套管的直流電阻,對比前后數據,改造后數據應與改造前數據相差不大或者更加優化。

(2)外觀檢查套管頭部應無異常,架空引下線應無嚴重下垂等過長現象。

(3)主變運行后,可對套管接線端子進行紅外線測溫,溫度應無異常。

3.4 套管改造效果及整改中存在隱患圖片展示

(1)套管改造效果

(2)套管整改中存在隱患圖片展示

4 結束語

本文通過對運行中的COT型套管上部結構存在容易進水的缺陷進行分析,并提出了改進方案,改造方案簡單、有效,便于實施,通過改造,優化了套管結構,能夠降低套管發生故障風險,對電網安全、穩定運行,起到很好的預防性作用。同時,大大減少了電網公司因需更換套管的資金投入。