張晉寅，孫 勇，夏谷林，伍 衡，韋曉星，楚金偉

換流變壓器網(wǎng)側(cè)油紙電容式套管頂部過熱缺陷分析與整改措施的研究

張晉寅1，孫 勇1，夏谷林2，伍 衡1，韋曉星1，楚金偉1

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣州510663；2.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣州510663）

換流變壓器套管作為換流變壓器的關(guān)鍵組件，其運(yùn)行和維護(hù)一直都是關(guān)注的焦點(diǎn)。2015年6月—10月，南方電網(wǎng)”兩渡”直流工程發(fā)生了多起換流變網(wǎng)側(cè)套管頂部過熱的缺陷。檢查發(fā)現(xiàn)套管頂部將軍帽內(nèi)部與導(dǎo)電桿螺紋連接處有燒蝕痕跡。首先介紹了該類型套管的頂部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；其次，通過計(jì)算和試驗(yàn)說明了將軍帽與導(dǎo)電桿螺紋連接在運(yùn)行過程中預(yù)緊力不足導(dǎo)致發(fā)熱的原因；最后，從套管頂部載流連接預(yù)緊力和密封性能兩方面進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的套管通過了溫升、氣密和疲勞試驗(yàn)，運(yùn)行狀況良好。上述研究成果對(duì)于變壓器套管頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)均具有重要指導(dǎo)意義。

換流變套管；將軍帽；螺紋載流連接；缺陷診斷方法

0 引言

換流變壓器作為高電壓直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保證。在換流變壓器運(yùn)行過程中，網(wǎng)側(cè)套管長(zhǎng)期受到電、熱、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境因素的影響，故障率較高。在每年迎峰渡夏期間，換流變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)套管長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在高電壓、大電流、高溫度的狀況下，同時(shí)套管頭部受到連接引線拉力和風(fēng)力等外力的作用，是換流變壓器中運(yùn)行條件較為惡劣的組件之一。在電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于網(wǎng)側(cè)套管引發(fā)的換流變壓器事故和缺陷頻繁發(fā)生，換流變壓器網(wǎng)側(cè)高壓套管質(zhì)量已成為影響其安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一[1-4]。

目前，國(guó)內(nèi)直流工程主要設(shè)備組部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)廠家吸取了早期進(jìn)口產(chǎn)品換流變網(wǎng)側(cè)套管設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，研發(fā)出了較為成熟的產(chǎn)品，并在國(guó)內(nèi)新建直流工程中大量應(yīng)用。在南方電網(wǎng)公司已建成的“兩渡”直流工程換流變網(wǎng)側(cè)套管全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，在運(yùn)行過程中較為穩(wěn)定，未發(fā)生內(nèi)部絕緣擊穿或閃絡(luò)的問題。但在負(fù)荷較大的情況下，部分套管多次發(fā)生油枕頂部引線端子（又稱“將軍帽”）發(fā)熱缺陷，在2015年6月到10月期間，造成了4次直流系統(tǒng)非計(jì)劃停運(yùn)[5-7]。

筆者對(duì)發(fā)生過熱缺陷換流變壓器套管頂部結(jié)構(gòu)和缺陷原因進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)該類型套管在頂部載流和密封設(shè)計(jì)方面存在問題，并結(jié)合缺陷原因提出了該類型套管的頂部改進(jìn)措施，有利于及時(shí)消除安全隱患，保障換流變壓器安全運(yùn)行。

1 幾起換流變壓器網(wǎng)側(cè)套管頂部過熱缺陷

南方電網(wǎng)“兩渡”直流工程換流變網(wǎng)側(cè)套管在2015年發(fā)生了多起由于引線接頭過熱引起的頂部螺紋燒蝕和頂部漏油缺陷，嚴(yán)重影響了換流變壓器的運(yùn)行安全。

2015年6月18日，云南普洱某換流站極Ⅰ低端換流變B相停電發(fā)現(xiàn)整根網(wǎng)側(cè)套管瓷瓶上均有明顯的油流痕跡，確定滲油部位應(yīng)為網(wǎng)側(cè)套管將軍帽頂部，檢查發(fā)現(xiàn)套管將軍帽一側(cè)有明顯翹起的情況，見圖1。

圖1 套管頂部漏油Fig.1 Oil leakage at terminal of bushing

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該套管進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)套管將軍帽有松動(dòng)跡象，與導(dǎo)電管未貼合緊密，拆下將軍帽后，發(fā)現(xiàn)將軍帽內(nèi)部腔壁及導(dǎo)電管外部螺紋有明顯的燒損現(xiàn)象。將該漏油套管更換下來以后，檢修人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該套管本體充入氮?dú)?，通過高壓氮?dú)鈾z測(cè)套管滲油點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從套管導(dǎo)電管頂部密封蓋板焊縫處有油滲出，套管其他部位未發(fā)現(xiàn)滲油。9月24日，運(yùn)行人員利用紅外測(cè)溫觀察到該換流站極1低端換流變（Y/Y）A相網(wǎng)側(cè)套管頭部也出現(xiàn)了過熱的情況，將軍帽附近溫度為82.6℃，現(xiàn)場(chǎng)人員拆開套管將軍帽后，發(fā)現(xiàn)將軍帽內(nèi)部和導(dǎo)電銅棒螺紋上均有燒蝕痕跡。

2015年8月18日，運(yùn)行人員通過紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)云南昭通某換流站一回極2低端換流變C相1.1套管頭部溫度達(dá)到44℃，至8月28日將軍帽抱箍處溫度升至127℃（正常相溫度35℃），檢查發(fā)現(xiàn)套管頭部將軍帽內(nèi)側(cè)和導(dǎo)電頭上有燒蝕痕跡，見圖2。

圖2 套管頂部螺紋燒蝕情況Fig.2 Thread ablation at terminal of bushing

檢修人員拆除套管將軍帽后，發(fā)現(xiàn)將軍帽與導(dǎo)電管的部分螺紋有大面積燒灼痕跡。同時(shí)對(duì)一回極2其他5臺(tái)換流變進(jìn)行了排查，發(fā)現(xiàn)YD A相、YY C相換流變套管將軍帽與導(dǎo)電管螺紋也存在燒蝕的痕跡。

2015年9月9日，運(yùn)行人員利用紅外測(cè)溫觀察到廣東某換流站極2低端Y/△A相換流變1.1套管端部溫度達(dá)到100.5℃。停電后，檢修人員現(xiàn)場(chǎng)拆開極2低端Y/△A相換流變1.1套管將軍帽后發(fā)現(xiàn)將軍帽內(nèi)部和導(dǎo)電銅棒螺紋上均有燒蝕痕跡。

從上述案例可以看出，幾起套管頂部發(fā)熱或漏油缺陷現(xiàn)象相似，檢查結(jié)果均為將軍帽內(nèi)部與導(dǎo)電桿螺紋處燒蝕所致，故判斷該類型套管頂部將軍帽設(shè)計(jì)或安裝方面存在問題。

2 原因分析

2.1 缺陷套管油枕頂部結(jié)構(gòu)

發(fā)生發(fā)熱缺陷的換流變網(wǎng)側(cè)套管頂部結(jié)構(gòu)見圖3，套管載流結(jié)構(gòu)為導(dǎo)桿式載流，其頭部將軍帽與導(dǎo)電管螺紋旋緊載流，將軍帽上部配有分裂式接線板。套管導(dǎo)電管材質(zhì)為H62黃銅，將軍帽和分裂式接線板材質(zhì)為ZHPb59-1鑄鉛黃銅，將軍帽下部有“O”形密封圈。套管頂部設(shè)計(jì)將軍帽的主要作用是防止雨水和潮氣從套管頂部進(jìn)入。此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)考慮到導(dǎo)電管熱膨脹問題，將軍帽下檐未固定在油枕蓋板上（未水平方向定位）。油枕蓋板壓裝彈性板，彈性板與導(dǎo)電管接觸位置上（油枕蓋板下部）、下（彈性板下部）有2個(gè)螺母壓緊并有雙道軸密封。彈性板的主要作用是對(duì)套管頂部導(dǎo)電管進(jìn)行軸密封，并給導(dǎo)電管留出一定的熱脹冷縮裕度。

圖3 缺陷套管頂部結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Top structure of defective bushing

從現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來看，將軍帽松動(dòng)導(dǎo)致載流接觸不良是引起套管頂部發(fā)熱甚至燒蝕漏油的直接原因。將軍帽松動(dòng)的原因有兩種：1）安裝時(shí)未旋轉(zhuǎn)到底，螺紋僅靠將軍帽和引線重力接觸會(huì)導(dǎo)致松動(dòng)；2）安裝時(shí)已旋緊，將軍帽底部“O”形密封圈壓緊，螺紋靠旋緊后密封墊向上的彈力接觸，此時(shí)接觸良好。若這種情況下，導(dǎo)電管受熱膨脹，密封圈彈力減小甚至與將軍帽下檐脫離接觸，螺紋受力就與將軍帽未旋緊的情況相同。漏油缺陷發(fā)生后，運(yùn)行單位對(duì)套管頂部將軍帽進(jìn)行了緊固，但緊固后仍然發(fā)生了過熱缺陷，說明將軍帽松動(dòng)的原因?yàn)榈?種。

由于該類型套管導(dǎo)電管下部螺母與下瓷套壓緊，導(dǎo)桿的膨脹和收縮與套管外套發(fā)生的相對(duì)位移只能發(fā)生在油枕頂部，故將軍帽在導(dǎo)電管溫度升高膨脹（導(dǎo)電管的熱膨脹系數(shù)大于瓷件）后，下檐與油枕蓋板上的過渡板之間會(huì)產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致螺紋接觸力減小，將軍帽松動(dòng)。套管現(xiàn)場(chǎng)安裝后，引線與套管有一定夾角，導(dǎo)致將軍帽處受到側(cè)向力的作用，同時(shí)風(fēng)力和換流變振動(dòng)也作用在松動(dòng)的將軍帽上，使在靜態(tài)下靠重力接觸的螺紋接觸電阻變大，在負(fù)荷電流的作用下發(fā)熱。

2.2 導(dǎo)電桿伸長(zhǎng)量的計(jì)算和試驗(yàn)

以下從不同溫度下套管導(dǎo)電桿伸長(zhǎng)量計(jì)算和試驗(yàn)分析套管頂部發(fā)熱的原因。

根據(jù)套管尺寸和導(dǎo)電管材料特性，估算套管在極線運(yùn)行條件時(shí)導(dǎo)電管的伸縮量，從而估算出將軍帽與油枕蓋板上部過渡板間的間隙距離。對(duì)于導(dǎo)電管使用的鑄硅黃銅材料，其線膨脹系數(shù)為17.5（1/K）。對(duì)于套管上下瓷套使用的電瓷材料，其線膨脹系數(shù)為9.0（1/K）。對(duì)于套管法蘭和CT安裝鋁筒，其鋁材料的線膨脹系數(shù)為23.2（1/K）。

取套管在廠內(nèi)組裝時(shí)的環(huán)境溫度為25℃，此時(shí)將將軍帽旋緊，測(cè)量將軍帽與過渡板的間隙距離為2.2 mm?？紤]最高運(yùn)行環(huán)境溫度和最大運(yùn)行過負(fù)荷電流作用下，導(dǎo)電管的溫度取各測(cè)點(diǎn)的平均溫度60℃，溫升為35K，法蘭溫度穩(wěn)定為45.5℃，溫升為20.5 K，油中CT鋁筒溫度為油溫80℃，溫升為55 K，瓷套平均溫度約為35℃，溫升為10 K。此處近似認(rèn)為各種材料在此溫升范圍內(nèi)線膨脹系數(shù)不變，按圖4中的尺寸計(jì)算各結(jié)構(gòu)的伸長(zhǎng)量為導(dǎo)電管4.7 mm，法蘭0.3 mm，CT鋁筒1 mm，瓷件0.5 mm。計(jì)算得到將軍帽與過渡板間的間隙距離在此極限溫升條件下增大了2.9 mm變?yōu)?.1 mm。可以看出，此時(shí)將軍帽底部直徑6 mm的密封件已起不到密封作用。

圖4 套管外形尺寸Fig.4 Bushing size

若停電時(shí)，套管在最低環(huán)境溫度下，整體溫度均勻?yàn)?10℃，此時(shí)計(jì)算得到的導(dǎo)電管伸縮量為-4.7 mm，其他結(jié)構(gòu)伸縮量為-2.9 mm，計(jì)算得到將軍帽與過渡板間的間隙距離會(huì)減小1.8 mm，此間隙距離會(huì)被套管各處密封件的壓縮量補(bǔ)償。

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)該類型套管設(shè)計(jì)了溫升試驗(yàn)和頂部接觸電阻試驗(yàn)。

為了使套管在通流條件下熱場(chǎng)分布接近運(yùn)行狀態(tài)，按照GB/T4109的要求，將試品置入直徑4 m，深度4 m的試驗(yàn)油箱中，提前加熱油箱，使油箱內(nèi)溫度達(dá)到83℃，對(duì)套管施加1 600 A的電流持續(xù)7 h，待溫度平衡，期間測(cè)量套管不同位置的溫度分布與將軍帽與過渡板之間的間隙，結(jié)果見表1。

表1 套管通流試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Current test data of bushing

從表1可以看出，將軍帽附近的最高溫度為57.5℃，溫升為34.5 K，實(shí)測(cè)將軍帽與過渡板之間的間隙（圖5箭頭指示位置）增加量為1.5 mm，變?yōu)?.7 mm，此時(shí)密封件已不能起到密封作用。

圖5 溫升試驗(yàn)驗(yàn)證套管導(dǎo)電管伸長(zhǎng)量Fig.5 Bushing conductor extension was confirmed by temperature rise test

為了驗(yàn)證將軍帽松動(dòng)和受力對(duì)螺紋接觸電阻的影響。將原將軍帽安裝在套管上，用手晃動(dòng)分裂式接線板模擬換流變套管運(yùn)行中的受力情況，測(cè)量將軍帽頂部對(duì)導(dǎo)電管末端直流電阻變化情況。測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 套管導(dǎo)電桿回路電阻測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 The data of the bushing conductor resistance

從試驗(yàn)結(jié)果得出，將軍帽在沒旋緊和沒有機(jī)械（如并緊螺母或緊固件）并緊情況下，受運(yùn)行中變壓器振動(dòng)等因素影響，直流電阻值變化范圍較大，將軍帽螺紋載流有接觸不良現(xiàn)象[8-11]。

2.3 小結(jié)

通過上述分析，認(rèn)為該類型套管發(fā)生在運(yùn)行過程中發(fā)生頂部過熱缺陷的原因：套管將軍帽與導(dǎo)電管之間無定位，螺紋載流連接在導(dǎo)電管受熱膨脹、將軍帽底部預(yù)緊力不足松動(dòng)，套管頂部引流線擺動(dòng)等因素，導(dǎo)致將軍帽與導(dǎo)電管螺紋接觸不良造成局部過熱。

從發(fā)熱套管頂部檢查的情況看，將軍帽內(nèi)螺紋與導(dǎo)電管螺紋的燒蝕部位通常不是全部接觸面，這也說明了螺紋接觸在力的作用下接觸電阻分布不均，良好接觸的螺紋面積已不足以通過負(fù)荷電流。某些發(fā)熱缺陷較為嚴(yán)重的套管頂部已發(fā)生漏油，漏油處導(dǎo)電管頭螺紋燒蝕嚴(yán)重，使將軍帽和導(dǎo)電管接觸空隙加大，將軍帽在導(dǎo)線的重力作用下向一側(cè)傾斜，造成導(dǎo)電管和油枕蓋板上部過渡板位置有明顯的放電燒蝕痕跡，導(dǎo)電管頭部在長(zhǎng)時(shí)間電弧燒蝕下，密封蓋板一側(cè)焊縫融化開裂，內(nèi)部的套管油被油枕空腔內(nèi)的空氣壓出。

3 套管改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)方案的提出

針對(duì)套管頂部載流接觸不良和密封存在隱患的問題，考慮從螺紋載流的預(yù)緊力、套管頭部密封性兩個(gè)方面對(duì)套管進(jìn)行改進(jìn)[12-13]。提出以下改進(jìn)方案。

改進(jìn)后的套管頭部結(jié)構(gòu)見圖6。將軍帽邊緣使用帶密封結(jié)構(gòu)彈性板，解決套管頂部密封的問題。將軍帽為紫銅加工，內(nèi)部旋接螺紋比原將軍帽長(zhǎng)10 mm，將軍帽邊緣彈性板為紫銅板沖壓成型，將軍帽與彈性板連接處焊縫為雙面焊接，焊接后鍍錫。使用并緊螺母增大螺紋連接的緊固力，使導(dǎo)電桿在伸縮過程中均與將軍帽接觸良好，并有一定的預(yù)緊力。

圖6 改進(jìn)方案安裝說明Fig.6 Installation instructions of Improved program

3.2 改進(jìn)方案的驗(yàn)證

1）改造后套管溫升試驗(yàn)情況：按以上操作方法改造后，連接溫升試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)套管施加額定電流1 600 A。環(huán)境溫度23℃，油箱中油溫83℃，待溫度平衡后，持續(xù)時(shí)間7 h，測(cè)將軍帽部位最高溫度46.3℃，溫升23.3 K，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（套管標(biāo)準(zhǔn)GB/T4109規(guī)定：限值75 K，如果預(yù)期會(huì)有嚴(yán)重氧化限值50 K）。

2）改造后彈性板正反壓力變形疲勞試驗(yàn)情況：在以上溫升試驗(yàn)后，拆卸將軍帽和過渡板，對(duì)其進(jìn)行彈性板正反壓力變形疲勞試驗(yàn)[14]（見圖7），驗(yàn)證彈性板圓弧部位和焊縫處變形情況。利用裝配套管用的油壓機(jī)，連續(xù)快速正反壓力5個(gè)循環(huán)（共10次，幅度皆為8 mm左右），結(jié)果發(fā)現(xiàn)每次操作時(shí)，彈性板都在其圓弧部位變形，焊縫處無變化，外觀和鍍錫層也無變化。

3）改造后頭部局部密封試驗(yàn)情況：在以上彈性板連續(xù)快速較大幅度正反壓力變形疲勞試驗(yàn)后，對(duì)改造后頭部進(jìn)行了局部密封試驗(yàn)，驗(yàn)證將軍帽與彈性板焊接處、彈性板與過渡板之間（軟木橡膠墊密封）的密封情況[15-16]。充氣表壓大于0.2 MPa持續(xù)15 mim后，將軍帽與彈性板焊接處、彈性板與過渡板之間（軟木橡膠墊密封）的密封皆不滲漏，見圖8。

圖7 彈性板疲勞試驗(yàn)Fig.7 Elastic plate fatigue test

圖8 套管頭部密封性試驗(yàn)Fig.8 Sealing test at terminal of bushing

4）改進(jìn)效果評(píng)估：此方案將軍帽與彈性板焊接成一體，螺栓緊固定位，并緊螺母有并緊力，可以解決將軍帽緊固定位和套管頭部密封問題。彈性板有可靠變形性，運(yùn)行時(shí)導(dǎo)電管膨脹伸長(zhǎng)不會(huì)頂壞套管頭部，在安裝并緊螺母時(shí)應(yīng)保證并緊力，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件在并緊螺母與過渡板間預(yù)留一定的間隙，保證套管在較低溫度下導(dǎo)電管收縮時(shí)有一定裕度。此方案在現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，需拆卸均壓環(huán)才能操作。

4 結(jié)論

通過上述分析，認(rèn)為該類型套管發(fā)生在運(yùn)行過程中發(fā)生頂部過熱缺陷的原因是套管將軍帽與導(dǎo)電管之間無定位，螺紋載流連接在導(dǎo)電管受熱膨脹、將軍帽底部預(yù)緊力不足松動(dòng)，套管頂部引流線擺動(dòng)等因素，導(dǎo)致將軍帽與導(dǎo)電管螺紋接觸不良造成局部過熱。

針對(duì)上述問題提出一種改進(jìn)方案：使用雙面焊接彈性板的將軍帽配合軟木橡膠墊、壓圈和定位螺栓對(duì)將軍帽進(jìn)行定位和套管頭部密封，同時(shí)利用并緊螺母反向并緊將軍帽。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為該方案可以解決將軍帽緊固定位和套管頭部密封問題，可用于套管現(xiàn)場(chǎng)頭部改造。

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Analysis and Rectification Measures on the Overheat Defectsat the Top of the Capacitance Bushing at the Grid Side of Converter Transformer

ZHANG Jinyin1，SUN Yong1，XIA Gulin2，WU Heng1，WEI Xiaoxing1，CHU Jinwei1
（1.EHV Power Transmission Company Maintenance&Test Center，CSG，Guangzhou 510663，China;2.EHV Power Transmission Company，CSG，Guangzhou 510663，China）

As a key component of converter transformer，the operation and maintenance of the bush?ings are the focus of attention all along.From June to October 2015，more than two overheat defects at the terminal of converter transformer line side bushings are found during inspection at converter stations of“l(fā)iangdu”HVDC project.After disassembling，trace of ablation in threaded connection between inner conductor and top end nut is found.In this paper，the structure and feature of the bushing is introduced first.Then the reason caused by less tightening force between inner conductor and top end nut was con?firmed by the result of calculation and test.Finally，the two aspects of the tightening force and sealing performance of the bushing are improved.The bushing after improvement passed the temperature rise，air tightness and fatigue test and run well.The research results can be useful to the top structure design operation and maintenance of transformer bushings.

converter transformer bushing；top end nut；thread current connection；failure detec?tion method

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.033

2016-08-05

張晉寅（1986—）男，工程師，主要從事?lián)Q流站/變電站設(shè)備高電壓試驗(yàn)技術(shù)、變壓器套管故障診斷等研究工作。