500 kV換流變高壓套管防滲水結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究

李 東，尹 啟

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 引言

±500 kV 某換流站極2 122B 換流變C 相網(wǎng)側(cè)高壓套管將軍帽發(fā)熱，溫度達(dá)到127 ℃，導(dǎo)致極2 緊急停運(yùn)［1-3］，經(jīng)停電現(xiàn)場檢查，拆除套管將軍帽后，發(fā)現(xiàn)將軍帽與導(dǎo)電管的部分螺紋有明顯燒蝕痕跡［4-6］。隨后對(duì)極2其他5臺(tái)換流變進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)YD A相和YY C相換流變套管將軍帽與導(dǎo)電管的螺紋也存在輕微燒蝕痕跡［7-9］。另外，在后續(xù)的運(yùn)維過程中，極1 211B 換流變B相1.1套管將軍帽運(yùn)行溫度一直相對(duì)其他相高10 ℃～15 ℃，最高溫度達(dá)到68.3 ℃，并多次處理無效果［10-12］。在檢修過程中，對(duì)極1 211B換流變B相1.1套管將軍帽進(jìn)行深入檢查處理，打開套管頂部過渡板后發(fā)現(xiàn)套管油枕頂部空腔有大量積水［13-15］。隨后對(duì)極1 112B 換流變A 相、極2 122B 換流變A 相、極1 211B 換流變ABC 相、212B 換流變ABC 相進(jìn)行了抽查，共抽查了8支套管，發(fā)現(xiàn)122B換流變A相、211B換流變B相、211B換流變C 相網(wǎng)側(cè)1.1 套管油枕頂部空腔有大量積水［16-18］，具體情況如圖1至圖7所示［19-21］。

圖1 套管頂部過渡板Fig.1 Transition plate on top of casing

圖2 導(dǎo)電管頂部情況Fig.2 Top of the conductive tube

圖3 油枕頂部空腔大量積水Fig.3 A large amount of water in the cavity at the top of the oil pillow

圖5 將軍帽內(nèi)部情況Fig.5 The internal situation of the general's cap

圖6打開過渡板后發(fā)現(xiàn)套管頂部大量積水Fig.6 After opening the transition plate,a large amount of water is found on the top of the casing

圖7 打開過渡板后發(fā)現(xiàn)套管頂部少量積水Fig.7 After opening the transition plate,a small amount of water is found on the top of the casing

1）122B換流變A相

2）211B換流變B相

3）211B換流變C相

處理情況［22-24］：1）對(duì)空腔內(nèi)部積水進(jìn)行清理如圖8、圖9；2）對(duì)導(dǎo)電管、接線抱夾、引線板等接觸面進(jìn)行打磨清洗處理；3）安裝一次引流線，進(jìn)行螺栓力矩緊固。

圖8 清除空腔內(nèi)積水Fig.8 Remove the water in the cavity

圖9 打開蓋板對(duì)積水進(jìn)行徹底清除Fig.9 Open the cover to completely remove the water

1 進(jìn)水及發(fā)熱原因分析

1.1 運(yùn)維情況分析

如圖10 所示，極1 211B 換流變B 相1.1 套管將軍帽在運(yùn)行過程中溫度一直相對(duì)其他相高10 ℃～15 ℃，最高溫度達(dá)到68.3 ℃，并多次處理無效果。

圖10 211B換流變1.1套管將軍帽紅外測溫趨勢圖Fig.10 Infrared temperature measurement trend diagram of 211B converter transformer 1.1 casing general cap

1.2 套管將軍帽滲水原因分析

1）將軍帽密封結(jié)構(gòu)分析［25-27］：將軍帽和過渡板之間采用“O”形軟木橡膠墊，如圖11所示，“O”形軟木橡膠墊壓縮量只要不小于0.8 mm 就能起到防水作用。根據(jù)分析，當(dāng)變壓器套管運(yùn)行存在溫升后，套管導(dǎo)桿因溫升膨脹將向外伸長（伸縮率約1 mm/10 K），換流變額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，套管溫升約20 ℃，當(dāng)導(dǎo)電管溫升40 K時(shí)最大膨脹伸長量為5.5 mm，相應(yīng)的瓷套、法蘭等也會(huì)膨脹，雖然“O”形軟木橡膠墊有螺栓壓緊，但是仍然無法保證原將軍帽和過渡板之間的間隙小于0.8 mm。當(dāng)該間隙大于0.8 mm時(shí)，將軍帽與過渡板之間將存在縫隙，導(dǎo)致雨水、潮氣等進(jìn)入將軍帽內(nèi)部，隨著溫濕度的交替變化，長期運(yùn)行之后將導(dǎo)致軟木橡膠墊進(jìn)一步腐蝕惡化。加之該軟木橡膠墊邊沿長期暴露在外界中，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)橡膠墊邊沿存在開裂的情況，在雨水等外界因素的作用下使之老化速度加快，使用壽命減小。根據(jù)現(xiàn)場檢查情況，軟木橡膠墊損壞嚴(yán)重，密封失效，導(dǎo)致雨水進(jìn)入套管頂部空腔。

圖11 將軍帽軟木橡膠墊Fig.11 General cap cork rubber pad

2）過渡板密封結(jié)構(gòu)分析［28-30］：打開過渡板后從過渡板的密封結(jié)構(gòu)來看，如圖12 所示，密封由過渡板與套管儲(chǔ)油柜間的O 型密封圈的縱向彈力提供，且密封面積較大，過渡板由8顆螺栓固定壓緊密封圈，現(xiàn)場檢查密封圈未損壞，雨水從此進(jìn)入的可能性不大。

1.3 進(jìn)水原因分析

結(jié)合套管運(yùn)維情況及現(xiàn)場檢查情況分析，判斷造成套管油枕頂部空腔積水的主要原因?yàn)閷④娒迸c過渡板之間的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和密封材質(zhì)不合理，存在密封失效導(dǎo)致雨水浸入的設(shè)計(jì)缺陷，當(dāng)O 型軟木橡膠墊密封失效時(shí)，雨水浸入，通過導(dǎo)電管進(jìn)入空腔，隨著導(dǎo)電頭部溫度升高，水分蒸發(fā)到將軍帽頂部，溫度下降后凝結(jié)在導(dǎo)電管頂部，這也就是導(dǎo)電管頂部存在少量積水的原因。

1.4 發(fā)熱原因分析

1）導(dǎo)電管外螺紋與將軍帽內(nèi)螺紋間壓緊力分析：采用螺接結(jié)構(gòu)導(dǎo)電的接觸面載流能力受螺紋間壓緊力影響較大，該套管導(dǎo)電管外螺紋與將軍帽內(nèi)螺紋間的壓緊力主要由將軍帽及導(dǎo)線自身的較小重力和并緊螺母提供。安裝并緊螺母時(shí)，旋緊板手需卡在并緊螺母上，并緊螺母與將軍帽并緊后，將軍帽彈性板上的孔與軟木膠圈下端過渡板上的螺孔必須對(duì)準(zhǔn)，在現(xiàn)場操作時(shí)，很難達(dá)到對(duì)準(zhǔn)，往往需要回旋將軍帽使螺孔對(duì)準(zhǔn)，這樣就失去了并緊螺母的并緊力作用。套管導(dǎo)電管螺紋與將軍帽內(nèi)螺紋間的壓緊力僅由將軍帽及導(dǎo)線自身較小重力提供，造成將軍帽與導(dǎo)電管螺紋接觸不均勻，接觸面載流面積減小，載流能力嚴(yán)重下降，套管溫升增大。

2）載流面積分析：由于并緊螺母的存在，使得將軍帽與導(dǎo)電管之間的螺紋旋合長度減小10 mm，導(dǎo)電管和將軍帽的載流螺紋得不到充分利用，載流面積減小，載流能力下降，套管溫升增大。

3）積水的影響：水蒸氣在相對(duì)密封的環(huán)境下無法及時(shí)排出，在溫度的交替變換和電流的作用下進(jìn)一步腐蝕將軍帽內(nèi)部與導(dǎo)電管螺紋，增大了接觸電阻，進(jìn)一步加劇了發(fā)熱。

2 將軍帽優(yōu)化改造方案

本著改造易操作，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，盡量減少停電改造時(shí)間，充分利用現(xiàn)有套管基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)條件，降低改造成本的原則，著力解決將軍帽密封問題，提高將軍帽與導(dǎo)電管螺紋旋接的夾緊力。根據(jù)上述原則和目標(biāo)，可采取哈弗結(jié)構(gòu)的將軍帽來實(shí)現(xiàn)，哈弗結(jié)構(gòu)的將軍帽可通過螺栓將導(dǎo)電管與將軍帽夾緊，可在水平和垂直方向很好地固定將軍帽，不發(fā)生位移。針對(duì)目前套管將軍帽密封不良，將軍帽與導(dǎo)電管螺紋旋接的夾緊力不足的缺陷，采取哈弗結(jié)構(gòu)的將軍帽方案進(jìn)行現(xiàn)場改造。

2.1 將軍帽結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采取哈弗結(jié)構(gòu)的將軍帽，如圖13 所示，在加工將軍帽內(nèi)部螺紋之前，過中心點(diǎn)在將軍帽壁厚上加工2個(gè)寬3 mm長91 mm開口槽，在開口槽兩端打6個(gè)M8×35 的螺孔，并在開口槽根部進(jìn)行圓化處理，避免開口槽根部應(yīng)力過于集中。將軍帽旋入導(dǎo)電管到位之后，通過6顆M8×35的螺栓把將軍帽與導(dǎo)電管夾緊。

圖13 哈弗結(jié)構(gòu)將軍帽Fig.13 Haval structure general cap

2.2 有效載流面積優(yōu)化

取消原套管頂部過渡板，并緊螺母結(jié)構(gòu)，如圖14所示。將軍帽可旋入到更接近套管油枕頂部彈性板固定螺母的位置，如圖15 所示。將軍帽與導(dǎo)管的旋合長度較之前增加約100 mm，該處將軍帽直徑為70 mm，換算成載流面積，改進(jìn)前，將軍帽與導(dǎo)管的旋合長度為134 mm，則其載流面積約為29 468 mm2，改進(jìn)后載流面積約為51 459 mm2，增加載流面積約為21 991 mm2。按2 500 A 電流計(jì)算，改進(jìn)后載流密度約為0.048 6 A/mm2，改進(jìn)后有效載流面積得到大幅提高。

圖14 原結(jié)構(gòu)將軍帽旋入深度示意Fig.14 Schematic diagram of the screw-in depth of the general cap of the original structure

圖15 改進(jìn)后的將軍帽旋入深度示意Fig.15 Schematic diagram of the improved general cap screwing depth

2.3 密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

取消套管頂部過渡板密封結(jié)構(gòu)，采用防水罩代替，并在防水罩下部開槽（槽深1.3 mm），如圖16 所示，減小安裝完成后防水罩與套管頂部的縫隙，如圖17 所示，起到更好的防水作用，在槽內(nèi)放置丁晴橡膠材質(zhì)密封墊（φ113×φ125×6）。在防水罩上部加裝珠形氟膠圈與將軍帽的光滑圓柱面實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)密封，如圖18 所示，并在該密封圈上端加裝壓圈實(shí)現(xiàn)將軍帽與導(dǎo)電管載流螺紋接觸面全封閉，與外部環(huán)境空氣完全隔離，可避免環(huán)境空氣中的濕度和酸雨等對(duì)載流螺紋接觸面的腐蝕，可以長期保證螺紋載流接觸面的良好電接觸狀況。整體裝配如圖19所示。

圖16 套管頂部過渡板防水罩下部開槽Fig.16 Slotting on the bottom of the waterproof cover of the transition plate at the top of the casing

圖17 減小安裝完成后防水罩與套管頂部的縫隙Fig.17 Reduce the gap between the waterproof cover and the top of the casing after installation

圖19 整體裝配效果Fig.19 Overall assembly effect

2.4 改造方案的操作說明及關(guān)鍵工藝控制

依序拆下產(chǎn)品上的接線端子、均壓環(huán)，再拆除需更換的將軍帽、并緊螺母、過渡板、導(dǎo)電頭與過渡板的密封墊圈。用酒精對(duì)油枕蓋及密封槽端面等頭部零部件進(jìn)行清潔、干燥。將軍帽哈弗線夾螺栓緊固的力矩要求為，從載流導(dǎo)管頂端旋入將軍帽，旋入深度大約為105 mm，從外部對(duì)此尺寸進(jìn)行管控的數(shù)值為45 mm～50 mm，將軍帽旋到位后，用M8 內(nèi)六角板手、力矩板手、M8內(nèi)六角螺栓把將軍帽旋緊在載流導(dǎo)管上，M8螺栓緊固力矩28 N·m。將油枕蓋板上的矩形密封槽用酒精清洗干凈，密封平面應(yīng)保持平整，壓圈放置于油枕蓋板及其密封膠圈上，用8個(gè)M10×35螺栓將其壓緊在油枕蓋板的密封膠圈上，M10 螺栓緊固力矩42 N·m。將珠形氟膠圈內(nèi)圓表面均勻的涂覆一層變壓器油，然后將該膠圈套入在柱形將軍帽上；將限位墊圈套入柱形將軍帽上；將O 型膠圈表面均勻的涂覆一層變壓器油后，放入壓圈的密封槽內(nèi)；然后再將壓圈連同O型膠圈一起，套入柱形將軍帽上。6 個(gè)M10×45 螺栓，將上述的墊圈連同壓圈一起，壓緊到珠形氟膠圈上，M10螺栓緊固力矩為42 N·m，恢復(fù)引線接線端子。

3 優(yōu)化改造方案評(píng)估

3.1 將軍帽與導(dǎo)電管螺紋旋接的夾緊力評(píng)估

為了驗(yàn)證將軍帽與導(dǎo)電管螺紋旋接的夾緊力，采取最嚴(yán)格的考核方式，即露出導(dǎo)電管載流螺紋，導(dǎo)電管端部僅到將軍帽中部螺栓位置，緊固中間2顆螺栓，力矩28 N·m（8.8 級(jí)熱鍍鋅螺栓），其他螺栓不上。用0.7 m 杠桿檢測哈弗結(jié)構(gòu)的夾緊力，80 kg 成人對(duì)杠桿施加全部壓力時(shí)將軍帽不會(huì)相對(duì)導(dǎo)電管發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。該極端情況足以證明，在正常安裝方式下，即緊固4顆夾緊螺栓，該結(jié)構(gòu)將軍帽完全可消除引線拉力、風(fēng)載、換流變震動(dòng)、導(dǎo)電管熱脹冷縮應(yīng)力對(duì)哈弗結(jié)構(gòu)夾緊力的影響，能有效保證將軍帽與導(dǎo)電管螺紋旋接的夾緊力，能夠耐受各種運(yùn)行時(shí)的自然力對(duì)將軍帽傳導(dǎo)電流的影響，如圖20所示。

圖20 將軍帽與導(dǎo)電管螺紋旋接的夾緊力評(píng)估過程Fig.20 The evaluation process of the clamping force of the screw connection between the general cap and the conductive pipe

3.2 密封結(jié)構(gòu)密封性能評(píng)估

為嚴(yán)格考核將軍帽密封結(jié)構(gòu)的密封性能，將改進(jìn)后的將軍帽安裝到套管上，內(nèi)部充滿變壓油，套管放于浸油工藝烘箱內(nèi)，加溫到75 ℃，加油壓0.24±0.01 MPa，該過程持續(xù)保持12 h，如圖21所示。觀察將軍帽是否有無滲漏現(xiàn)象，如果經(jīng)過12 h的高溫高壓狀態(tài)，將軍帽沒有滲漏發(fā)生，則表明將軍帽滿足密封要求。

圖21 密封結(jié)構(gòu)密封性能評(píng)估過程Fig.21 Sealing structure sealing performance evaluation process

4 結(jié)語

通過對(duì)換流變網(wǎng)側(cè)套管將軍帽滲水及發(fā)熱原因的深入研究，準(zhǔn)確地分析出將軍帽滲水及發(fā)熱原因，并研究制定了現(xiàn)場可實(shí)施改造方案。該改造方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）不需改變?cè)坠芙Y(jié)構(gòu)。充分利用原套管導(dǎo)電頭頂部結(jié)構(gòu)，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，具有投資少、工期短，適用范圍廣等特點(diǎn)。

2）新結(jié)構(gòu)將軍帽能有效保證將軍帽與導(dǎo)電管螺紋旋接的夾緊力。新結(jié)構(gòu)將軍帽采取哈弗結(jié)構(gòu)，可通過螺栓夾緊的方式可靠保證將軍帽與導(dǎo)電管螺紋旋接的夾緊力，從而保證將軍帽在受到引流線應(yīng)力和換流變震動(dòng)等外部因素影響時(shí)，將軍帽在水平方向不位移，不傾斜，從而使得將軍帽內(nèi)部螺紋與導(dǎo)電管連接緊密。

3）新結(jié)構(gòu)將軍帽有效載流面積大幅提高。采取取消原套管頂部過渡板結(jié)構(gòu)，使得將軍帽旋入深度增加約100 mm，提高了載流面積，降低了載流密度，能有效降低套管將軍帽溫升。

4）新結(jié)構(gòu)將軍帽具有良好的密封性能。采用防水罩代替原套管頂部過渡板密封結(jié)構(gòu)，在防水罩上部加裝珠形氟膠圈與將軍帽的光滑圓柱面實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)密封，并在該密封圈上端加裝壓圈實(shí)現(xiàn)將軍帽與導(dǎo)電管載流螺紋接觸面全封閉，與外界完全隔離，可避免環(huán)境空氣中的濕度和酸雨等對(duì)載流螺紋接觸面的腐蝕，可以長期保證螺紋載流接觸面的良好電接觸狀況。

借助年度檢修時(shí)機(jī)將換流站該型號(hào)套管將軍帽進(jìn)行全部更換。自更換后，現(xiàn)場運(yùn)行情況良好，滿負(fù)荷時(shí)溫度在25 ℃左右，未出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。該改造無需對(duì)套管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，無需更換套管，按照單根套管20 萬元的價(jià)值估算，以該換流站為例可節(jié)約投資480萬元。因此，本改造可徹底解決該類型套管將軍帽滲水及發(fā)熱的問題，減少設(shè)備停運(yùn)時(shí)間，對(duì)提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性、確保電網(wǎng)安全運(yùn)行、保障社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。