运行中变压器COT型套管缺陷分析和改进方案

广东能建电力设备厂有限公司 广东 广州 510285

1 前言

近年,在某电网公司系统内挂网运行的变压器的COT型套管连续发生了多次绝缘故障,于是电网公司委托我司对该类型套管进行解体检查分析。根据解体检查分析,该类型套管是因其上部结构在设计、制造工艺等方面存在缺陷,导致套管在室外运行时容易进水受潮,从而引起绝缘故障。本文对该类型套管的上部密封结构进行了分析,找出造成容易进水缺陷的主要原因,并提出改进方案,以保障变压器乃至电网的安全稳定运行。

2 缺陷分析

2.1 COT型套管上部结构分析 COT型套管及头部外形图如图1所示。经过对COT型套管上部进行解体检查分析,套管上部结构主要存在两个缺陷：①套管电缆接线柱连接结构存在密封缺陷；②套管储油柜上部连接结构存在密封缺陷。

2.2 套管密封缺陷分析

2.2.1 套管电缆接线柱连接结构密封缺陷分析 套管电缆接线柱的连接方式如图1所示,具体安装顺序如下：电缆接线柱套上矩形橡胶垫圈后,从防雨帽(帽盖)内部穿过,将帽盖(连同电缆接线柱下端)扣装在通心导管上,旋紧帽盖内螺纹,在帽盖外侧放置薄石棉橡胶垫片、定位销,然后拧紧迫紧螺母,再放置厚石棉橡胶垫片,最后拧紧接线端子。从COT型套管头部密封结构看到,电缆接线柱有3处密封：分别为①矩形橡胶垫圈的密封；②薄石棉橡胶垫片的密封；③厚石棉橡胶垫片的密封。其三处密封及相关紧固件、密封位置如图2所示。另外,从COT型套管头部密封结构看到,电缆接线柱有3处密封：分别为①矩形橡胶垫圈的密封；②薄石棉橡胶垫片的密封；③厚石棉橡胶垫片的密封。其三处密封及相关紧固件、密封位置如图2所示。

(1)矩形橡胶垫圈的密封原理：由迫紧螺母通过帽盖,对电缆接线柱的螺纹收紧,使矩形橡胶垫圈产生轴向压缩、内外径向膨胀,实现对通心导管内径、电缆接线柱外径及轴肩、帽盖内平面所形成的内腔的四周密封。

(2)薄石棉橡胶垫片的密封原理：薄石棉橡胶垫片放置在迫紧螺母与帽盖之间,在迫紧螺母对电缆接线柱螺纹收紧的同时,实现迫紧螺母对帽盖的平面密封。

图1 COT型套管及头部外形图位置

图2 COT型套管头部密封结构图

图3 非刚性结构简图

(3)厚石棉橡胶垫片的密封的原理：厚石棉橡胶垫片放置在迫紧螺母与接线端子之间,由接线端子对电缆接线柱的螺纹收紧,实现接线端子对迫紧螺母的平面密封。同时该结构还起到了双螺母互迫的防止接线端子返松作用。

但是,矩形橡胶垫圈的密封是非刚性密封结构,其在外力作用下,电缆接线柱连同迫紧螺母,会克服橡胶垫圈的弹性往上位移,及在电缆接线柱与帽盖、通心导管内孔的间隙左右位移。如图3所示。因此COT套管这种非刚性密封结构,长期运行很大机率会产生以下现象：①套管上部的接线铜掌与变电站母线下引线连接,使电缆接线柱承受着下引线的牵引力,在变向风力的影响下,下引线的牵引力对电缆接线柱产生交变性摇动。②经过长时间的运行,在交变性摇动下,加速了橡胶垫圈老化变形、弹性内应力衰减的进程。从而迫紧螺母对电缆接线柱的收紧力也衰减,迫紧螺母与帽盖的薄石棉橡胶垫片平面密封也会逐渐失效,使电缆接线柱密封结构发生松动。

同时,石棉橡胶垫片外露设置不合理。厚、薄两款石棉橡胶垫片外露设置,受大气、雨水、紫外线的直接影响,容易加速老化、失效和断裂,是雨水、潮气渗进套管的危险源之一。

综合上述现象,在套管通心导管的负压吸力下,雨水、潮气就有可能和容易从薄石棉橡胶垫片渗透到电缆接线柱密封结构,途经帽盖上端的U形槽和内孔、矩形橡胶垫圈外径,进入套管通心导管的内腔,导致主体入水从而造成主变事故。雨水进入套管本体途径如图4所示。

图4 雨水进入套管本体途径示意图

(2)套管储油柜上部连接结构密封缺陷分析：

管储油柜上部连接结构如图5所示。储油柜套入通心导管,储油柜上部中心孔口有大倒角的三角槽。在三角槽位置安装O形密封圈,在通心导管上安装蝶形弹簧组,然后通过压紧圆螺母,蝶形弹簧组对O形密封圈进行压紧,使O形密封圈压缩变形,紧箍通心导管外径,形成在储油柜三角槽面与通心导管外径的密封。

图5 管储油柜上部连接结构

本来,O形密封圈在直角三角槽实施对轴的密封是种常见的三角形密封结构。但是问题就出现在于：本案是采用蝶形弹簧压紧O形密封圈,在压紧过程中,蝶形弹簧的斜面容易把密封圈压坏。蝶形弹簧与O形密封圈压紧关系如图6所示。其压紧过程如下：

图6 蝶形弹簧与O形密封圈压紧关系

①螺母未施压时,O形密封圈未变形；

②圆螺母将蝶形弹簧刚下压时,蝶形弹簧的斜边角把O形密封圈压下,O形密封圈变形下陷,且很有可能变形过量；

③圆螺母将蝶形弹簧压贴储油柜平面时,O形密封圈反弹至正常变形。

另外由于蝶形弹簧内径与通心导管外径有间隙,在安装蝶形弹簧时,蝶形弹簧容易产生偏心,而形成对O形密封圈产生偏心压紧。圆螺母将蝶形弹簧刚压至储油柜平面时,O形密封圈变形下陷及单边变形严重,极容易造成该部位O形密封圈的撕裂,从而使套管储油柜上部的三角形密封出现缺陷,存在容易渗水的风险。详见图7雨水进入套管本体途径示意图。

综上分析,COT型套管储油柜上部密封结构存在的主要缺陷是：①蝶形弹簧压紧O形密封圈,在压紧过程中,蝶形弹簧的斜边角容易把密封圈压坏；②O形密封圈存在被压至撕裂风险,导致套管储油柜上部的三角形密封出现缺陷。

3 改进方案

3.1 改进思路

(1)需针对套管电缆接线柱和储油柜上部存在的密封缺陷,改进后能杜绝或改善以上缺陷的发生；

(2)需便于实施、需便于恢复。该类型套管大都是在运行主变压器套管,需要对主变压器进行停电改造,且为了保障供电可靠性,停电时间不能太长：①在变电站现场能够实施改造；②尽可能不改动现有套管顶部结构,不用拆解套管,保障改造后套管质量可靠；③尽可能不用排放主体油、不用拆卸套管；④尽可能不影响或不需要改动引下线接线等。

图7 雨水进入套管本体途径示意图

3.2 改进方案 根据以上改进思路,设计了一套COT套管上部结构改进方案。如图8所示。本方案采用加装防雨罩及其压紧密封结构和更换新接线端子方式,对原套管顶部进行改造。在改造同时更换套管相关位置密封件。

图8 套管上部改进方案结构图

(1)密封结构改进：本方案保留了套管原来所有密封结构,增加了防雨罩,重新设计了新的接线端子结构,并在接线端子与防雨罩间增加了O形胶圈密封。加装的防雨罩不仅罩住了原外露的两处石棉橡胶垫片,还罩住了套管储油柜,既降低了原套管头部整体密封位置的水汽,又保护了密封件不易被老化,降低套管进水风险。同时增加了圆螺母,加强压紧力度,从而降低了接线端子被引线牵拉等造成密封不良风险。

(2)实施便利：本方案基本保持了套管原结构,只是改进了接线端子,并在新加工的接线端子上,安装O形胶圈和新增加的防雨罩、压紧垫圈、圆螺母。因此在变电站现场,在主变检修状态下,只需拆除原套管接线端子即可安装防雨罩和新的接线端子。同时,新的接线端子接线柱跟原接线端子尺寸一致,高度相差不大,无需改动架空引下线及接线铜掌。整体实施简单、便利。

3.3 改造质量及检验

(1)测试改造前、改造后主变绕组连同套管的直流电阻,对比前后数据,改造后数据应与改造前数据相差不大或者更加优化。

(2)外观检查套管头部应无异常,架空引下线应无严重下垂等过长现象。

(3)主变运行后,可对套管接线端子进行红外线测温,温度应无异常。

3.4 套管改造效果及整改中存在隐患图片展示

(1)套管改造效果

(2)套管整改中存在隐患图片展示

4 结束语

本文通过对运行中的COT型套管上部结构存在容易进水的缺陷进行分析,并提出了改进方案,改造方案简单、有效,便于实施,通过改造,优化了套管结构,能够降低套管发生故障风险,对电网安全、稳定运行,起到很好的预防性作用。同时,大大减少了电网公司因需更换套管的资金投入。