某核电站主变中性点套管结构设计缺陷分析及改进

李志强 冯伟岗 武咪咪

【摘 要】某核电站500KV升压变压器在检修完成后在进行本体抽真空处理时，多次发生纯瓷型中性点套管瓷套断裂造成变压器绝缘油外漏的事件，针对此状况，结合变压器油箱结构、中性点套管结构、安装固定方式、抽真空期间变压器油箱应力分布及箱壁变形情况等进行综合分析和计算，提出改进方案，并在现场进行了实施和验证。

【Abstract】After completing the overhaul of the 500KV boost transformer in a nuclear power station， when carrying out the body evacuation treatment， the insulating oil leakage of transformer， which caused by the fracture of the porcelain sleeve of the neutral bushing of pure porcelain type， occurs many times. In view of this situation， combined with the structure of transformer fuel tank， the structure of neutral point bushing， the installation and fixing mode， the stress distribution of transformer oil tank during vacuum pumping and the deformation of tank wall， the comprehensive analysis and calculation are carried out. The improvement scheme is put forward and implemented and verified in the field.

【关键词】油箱；中性点套管；瓷套；应力

【Keywords】 oil tank； neutral point bushing； porcelain bushing； stress

施英杰【中图分类号】TE931.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）07-0170-02

1 引言

根据套管结构分类，可分為电容性和纯瓷两种类型，电容性套管重点需要关注电容层的性能，包括电容量和介损，避免由于运行期间其内部持续的局部放电或过热导致电容失效；对于纯瓷型套管而言，在运行期间则需要重点关注其机械性的损伤，机械性的损伤同样会对其绝缘性能造成影响，进而产生严重后果。

2 原始设计结构受力及变形状况分析

2.1 背景信息介绍

该变压器为某核电站一期核电厂发电机出口升压变压器，运行期间中性点采用直接接地的方式，中性点套管接线板通过铜片软连接直接与接地母排相连和接入地网，在考虑中性点绝缘和爬距的前提下，选择的中性点套管型号为Type 45N2000，额定电压45kV，额定电流2000A，爬电距离1090mm。

该变压器油箱为钟罩式油箱，变压器顶部为平顶结构，中性点套管布置在油箱顶部西侧，套管的安装采用在变压器顶部焊接固定螺栓后，利用环型钢圈将套管瓷套固定在焊接的载丝螺杆上，同时起到固定套管和对开口部位进行密封的作用。套管结构图如下所示：

如上图所示，瓷套与变压器油箱载丝螺杆连接的部位，同时具有套管紧固和确保密封面压紧力的作用，如果瓷瓶自身产生破裂等损伤的情况，将导致绝缘性能下降变压器绝缘油做为变压器绝缘和冷却的重要介质，如果在运行期间发生不可控的渗漏，将导致变压器强迫推出运行，在监控不严的情况下，甚至可能导致重大的设备损坏事故。

在变压器检修过程中，按照变压器检修相关标准的要求，在进行变压器排油检修，工作结束后，再次注入变压器油之前，都需要对变压器进行抽真空，在进行主变油箱抽真空期间，多次发生套管底部瓷套破裂导致中性点法兰密封面渗油的现象。

2.2 受力及变形量分析计算

现场条件确认：

①该变压器为钟罩式结构，变压器顶部为平顶结构，在水平方向跨度较大，顶部钢板缺少额外的支撑；

②按照变压器检修规程的要求，在进行变压器抽真空期间，要求变压器内部真空度为4mbar以下，变压器内部各处压力均相等，并且要求保持真空至少48H；

③套管处于紧固的状态，螺杆按照力矩要求进行紧固；

对套管瓷套表面受力情况进行分析，在变压器抽真空期间（在真空度为4mbar以下的状态下），计算是按照变压器内部为绝对真空进行计算，油箱承受101Kpa（约为1个大气压）的内外压差，变压器油箱的材料为Q235B的钢板，厚度约为20mm厚，利用力学分析中常用的方法，采用PRO/engineer Wildfire建立的模型，结构强度分析采用ANSYS软件，在进行数值分析时，部分单元格采用ANSYS的Mesh模型结构和计算机硬件系统设定合适的单元划分。

根据三维模型分析结果，在变压器本体抽真空期间，等效于在箱壁内侧时间-101Kpa的载荷，在假定箱壁边沿不发生位移的情况下，套管底座箱盖所受应力最大值为116.77Mpa，其最大变形量可达到1.6403mm；即在变压器抽真空期间，油箱顶部的钢板会向变压器油箱内侧方向最大产生1.6403mm的形变量（在套管安装固定的圆周范围内，由于现场条件可能产生不同的形变量，最大形变量计算为1.6403mm）。

3 改进方案的确定及受力分析

中性点套管采用钢压块压接瓷套的固定方式，在变压器抽真空期间，油箱顶部变形较大，变形产生的应力通过钢制压板直接作用在套管的瓷套上，超过瓷套的机械强度后将导致其出现裂纹，甚至断裂。

结合三维模型的计算结果以及对套管瓷套断裂原因的分析，要从根本上解决此问题，重点在于减少变压器箱壁的变形或改善瓷套表面所受应力的分布状况， 考虑改变套管安装结构，并利用加大的法兰来减少应力分布，起到加强油箱壁局部压强的作用。

方案分析：在中性点套管法兰处局部焊接升高座过渡的方案。采用此方案，利用加大的法兰来改善应力分布，同时对油箱壁起到局部加强的作用，需要通过计算，确认改进后形变量是否满足要求。现场条件设定：抽真空至绝缘真空，相当于期间油箱壁内施加载荷为-101Kpa，模型中加大的法兰采用16Mng钢板制成，箱盖采用Q235B钢板焊接制成。计算方法与原始结构分析方法一致，采用PRO/engineer Wildfire建立的模型，结构强度分析采用ANSYS软件，在进行数值分析时，部分单元格采用ANSYS的Mesh模型结构和计算机硬件系统设定合适的单元划分，假定箱壁边沿在全载荷过程中位移为零。

从计算结果可以看出，在采用新的结构和连接方式后，套管法兰安装部位的应力分布和抽真空期间的变形量都得到了明显的改善，套管底座箱盖所受应力最大值由116.77MPa降低为73.049MPa，其最大变形量可由1.6403mm缩小为0.36561mm，属于安全变形量。

同时，为匹配新设计结构带来的装配尺寸的差异，为确保与外部连接部件的可靠连接，对套管也进行了重新选型，新旧套管参数对比如下所示（新套管的所有电气性能参数均不低于原套管）：BFW-46/2000，爬电距离1255mm。

4 项目创新点及结语

本项目的创新点在于在变压器本体结构存在设计缺陷的情况下，通过对中性点套管安装部位应力状态的清晰分析和精确的计算，采用创新的方法对中性点套管安装部分的结构强度进行局部加强，消除了变压器在检修期间真空环境造成油箱变形从而对套管带来的伤害；同时在确保外部接口不做修改的情况下，对套管的绝缘性能、密封结构都进行了改进，使套管运行的可靠性得到了一定的提升。本项目的研究成果有效地弥补了原设计的结构缺陷，同时也避免了对油箱整体改造所带来的巨大的现场执行风险，对现场质量、风险和效益的管控做到了最优化。