换流变网侧高压套管将军帽优化改造措施研究

李 东 王典浪 曹 鸿

（南方电网超高压输电公司曲靖局）

换流变网侧高压套管将军帽优化改造措施研究

李 东 王典浪 曹 鸿

（南方电网超高压输电公司曲靖局）

随着电网的飞速发展，直流输电的重要性日益凸显，而换流变为直流输电系统的核心设备，其可靠性对直流输电系统的安全稳定运行影响重大。换流变网侧高压套管作为高压引线对地绝缘和支持物,其重要作用已被人们所共识。而高压套管的将军帽是换流变的一个重要部件,因为它不仅是高压侧引线的载流元件,提供与外部引线的连接,而且还是高压套管顶部密封件,可保证换流变套管中绝缘油与外界隔绝。可见,对换流变而言, 高压套管将军帽的设计是否合理对换流变安全运行至关重要。但是在实际运行和维护中发现, 牛寨换流站换流变网侧高压套管将军帽设计不合理,对换流变安全运行构成了隐患，故必须对其进行改造。

换流变；高压套管；牛寨换流站；将军帽；发热故障。

0 引言

高压直流输电长时间处于大负荷运行，对一次设备的考验非常严峻，一次设备发热缺陷时常发生，尤其是换流变网侧高压套管将军帽发热尤为突出，且难以彻底有效的解决。换流变网侧高压套管将军帽发热严重时将导致直流输电系统单极强迫停运，且长时间高温运行会导致套管损坏。以牛寨换流站换流变网侧高压套管将军帽发热故障为背景，分析将军帽发热故障的原因，提出将军帽的优化改造方案，为今后换流站换流变运维提供参考与借鉴。

1 牛寨换流站换流变网侧套管发热故障情况

溪洛渡工程牛从同塔双回直流输电电压为±500 kV，2014年6月双回正式投入运营，一端为云南省昭通市的牛寨换流站，另一端为广东省广州市的从西换流站。牛寨换流站共有运行换流变24台，备用换流变2台，换流变网侧高压套管均由南京电气集团公司生产，其型号为BRLW-550/1600-3。该类型换流变套管在南方电网超高压输电公司内共有59支，在运47支。

自牛寨换流站投运以来，122B换流变C相网侧高压套管将军帽发热检查处理3次。第1次发热温度达89.9℃，正常相温度为34℃，环境温度为20℃；第2次发热温度达51.1℃，正常相温度33℃，环境温度30℃；第3次发热温度达到127℃，正常相温度35℃，环境温度28℃，该极直流功率为1500MW。

前两次发热均判断为引流线夹与将军帽接触不良导致，均按照拆开引流线夹对接触面进行打磨等常规处理。第3次套管将军帽发热由于温度过高，对将军帽内部进行了检查处理。经检查，引线板、将军帽抱箍紧固良好，套管将军帽内部与套管导杆螺纹接触面有大面积烧灼痕迹，该套管已不能投入运行，需更换该套管。

2 发热故障原因分析

结合套管运维情况、现场检查情况及返厂检查情况，该套管顶部导电载流结构采用导电杆外螺纹与将军帽内螺纹螺接载流方式，此结构导电载流能力主要受内外螺纹配合加工精度、螺纹丝扣接触长度、内外螺纹间压紧力等因素影响，据此，对原套管顶部导电载流结构分析后认为，导致导管将军帽发热的主要原因有以下几点：

（1）导电杆外螺纹与将军帽内螺纹配合加工精度参差不齐

导电杆外螺纹与将军帽内螺纹的配合加工精度将直接影响到载流部件的实际有效接触面积，若内外丝扣配合加工尺寸精度不高，载流部件的实际有效载流面仅为丝扣局部有效接触面，这将导致载流面积不足，直接影响其载流能力。

（2） 未充分利用套管端部导电杆可螺接长度

根据厂家设计制造工艺要求，该套管导电杆上部外露长度为6～8cm，导电杆外螺纹与将军帽内螺纹丝扣接触长度控制在4～6cm，造成两者存在约2cm差异的原因为将军帽内螺纹前端为较大内孔结构（该内孔并无作用），从提高设备载流裕度角度分析，现将军帽结构并未充分利用导电杆可螺接长度，存在通过增加螺纹丝扣接触长度提高设备载流裕度的条件。

（3）将军帽水平方向未定位

将军帽、接线端子、引流线端子及相对较粗硬的引流线（约φ70）施加在套管顶部的垂直重量有50kg左右，且将军帽是用大型专用扳手较大水平扭矩力紧固（约100Nm扭矩）。将军帽与导电管之间为螺纹旋紧载流，旋紧后水平方向未定位，在引流线应力和运行中振动等因素影响下，导致将军帽转动，加之将军帽内螺纹和导电管螺纹间的配合精度不够，使将军帽在水平方向产生位移，直接影响导电杆外螺纹与将军帽内螺纹间的压紧力，减小了载流面积，套管温升增大，导致将军帽螺纹松脱载流过热。

（4）导电杆外螺纹与将军帽内螺纹间压紧力受外部应力及温升形变影响较大

采用螺接结构导电的接触面载流能力受螺纹间压紧力影响较大，该套管导电杆外螺纹与将军帽内螺纹间的压紧力主要由将军帽拧紧后与套管储油柜间的O型密封圈（该密封圈仅设计为防水防潮作用）的纵向弹力提供。根据厂家设计尺寸，在将军帽拧紧及套管无温升时，该O型密封圈的压缩量约为2mm，但当变压器套管运行存在温升后，套管导杆因温升膨胀将向外伸长（伸缩率约1mm/10K)，换流变额定负载运行时，套管温升约20℃。此时，因导杆温升伸长导致O型密封圈压缩量几乎为零，套管导电杆外螺纹与将军帽内螺纹间的压紧力仅由将军帽及导线自身较小重力提供，造成该接触面载流能力严重下降，套管温升增大，温升增大后将进一步使导杆膨胀向外伸长，最终使O型密封圈完全处于释放松动状态。这将会使雨水、潮气等进入将军帽内部，腐蚀将军帽内部与导电杆螺纹，进一步加聚了发热。

综合以上研究分析，套管顶部将军帽部位过热故障原因为：将军帽与导电管之间为螺纹旋紧载流，旋紧后未水平方向定位，在引流线应力和运行中振动等因素影响下，会导致将军帽螺纹松脱，将军帽与导电管螺纹接触不均匀、载流截面不足造成发热，并最终导致烧蚀。

3 优化改造可行性方案研究

本着改造易操作，结构简单，可靠性高，尽量减少停电改造时间，充分利用现有套管基础结构条件，降低改造成本的原则。在拆除原将军帽后发现，原套管结构设计时，在将军帽底下的过渡板上已有均匀分布6×M10（深12）的备用螺纹盲孔，但原将军帽无对应通孔。只要在原套管将军帽与导电管螺纹配合结构部位增加螺栓定位，将原将军帽改造成具有弹性形变功能，在将军帽与导电管中间采取并紧措施，是能够现场改造的。

4 制定优化改造方案

针对原网侧套管将军帽无水平定位和无长期并紧力缺陷，采取螺栓水平定位和在将军帽与导电杆中间加装并紧螺母并紧方案进行现场改造,改造后将军帽简图及改造操作说明如图1所示。

（1）制作新型将军帽

用紫铜棒加工新型将军帽，加长内部旋接螺纹，比原将军帽长10mm，提高将军帽内螺纹配合加工精度。在将军帽外沿焊接用紫铜板冲压成型的弹性板（厚2 mm），将军帽与弹性板连接处焊缝为双面焊接，焊接后镀锡。在导电管与将军帽中间加装用铸硅黄铜镀锡制作的并紧螺母，厚10 mm。改造后增加旋接螺纹配合长度20mm，充分利用原导电管头部螺纹长度。在新制作将军帽弹性板上均匀打6×φ11通孔对应原过渡板上已有均匀分布6×M10的备用螺纹盲孔圆周，新将军帽与原将军帽外形及尺寸相同。

（2）对新型将军帽采取水平定位措施

1）在将军帽与导电管中间采取并紧措施，加装并紧螺母，可控制将军帽水平移动。

2）在将军帽弹性板圆周上加装6颗定位螺栓，可控制将军帽水平移动。

图1 改造后将军帽简图及改造操作说明

（3）对新型将军帽采取有效密封措施

原将军帽和过渡板之间采用 “O”形丁腈材料橡胶垫，该种橡胶垫形变能力差，易老化。新型将军帽与过渡板之间采用压缩量大、耐高温和寿命长的“O”形软木橡胶垫，代替“O”形丁腈材料橡胶垫。根据分析套

图2 改造后将军帽实物图

5 改造方案的创新性

通过对牛寨换流站换流变网侧高压套管将军帽发热故障原因的深入研究，准确地分析出将军帽发热故障原因，并研究制定了现场可实施改造方案。

该改造方案的创新性如下：

1）不需改变原套管结构。充分利用原套管导电头顶部结构，在原结构基础上进行改造，具有投资少、工期短等特点。

2）将原将军帽改造成具备弹性形变功能。在新型将管正常运行时将军帽与过渡板之间的间隙最大增加量应为0.8mm左右情况，“O”形软木橡胶垫压缩量只要不小于0.8mm，就能更好地起到防雨水潮气和防污秽作用。改造后和改造前的对比如图2、图3所示。军帽外沿焊接用紫铜板冲压成型的弹性板，使将军帽在导电管因热膨胀时具有一定的形变功能，同时能保证将军帽底部与外界隔绝。

图3 改造前将军帽

3）新型将军帽具有水平定位功能。通过在将军帽与过渡板中间加装并紧螺母和在弹性板圆周上加装6颗定位螺栓，使得将军帽具有水平方向定位功能，当将军帽收到引流线应力和换流变震动影响时，可保证将军帽在水平方向不位移，不倾斜，从而使得将军帽内部螺纹与导电管连接紧密。

6 结束语

通过换流变网侧高压套管将军帽优化改造措施研究，准确分析出了该类型套管将军帽发热的原因，该研究成果完全能够应用于所有该类型套管将军帽的改造，可彻底解决该类型套管将军帽发热故障的问题，现场可实施性高，对提高设备运行的可靠性具有重要意义，可为今后换流站换流变运维提供参考与借鉴。

[1] 浙江大学. 高压直流输电[M ]. 北京: 电力工业出版社, 1982.

[2] 浙江大学发电教研组直流输电科研组. 直流输电[M].北京: 水利电力出版社, 1985.

[3]Zhejiang.University Teaching and Research Group DCpower Transmission Research Group. DC powertransmission[M]. Beijing: Hydraulic and Electric PowerPress, 1985.

[4] 卢飞. 大型变压器高压套管将军帽的改造[J]. 变压器. 2001,38(8).

[5]陈润晶,赵爱丽,刘爽,等.变压器套管将军帽发热原因分析及对策.变压器[J],2012(10).

2016-09-22）