500 kV换流变高压套管防渗水结构优化技术研究

李 东，尹 启

（南方电网超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 引言

±500 kV 某换流站极2 122B 换流变C 相网侧高压套管将军帽发热，温度达到127 ℃，导致极2 紧急停运［1-3］，经停电现场检查，拆除套管将军帽后，发现将军帽与导电管的部分螺纹有明显烧蚀痕迹［4-6］。随后对极2其他5台换流变进行排查，发现YD A相和YY C相换流变套管将军帽与导电管的螺纹也存在轻微烧蚀痕迹［7-9］。另外，在后续的运维过程中，极1 211B 换流变B相1.1套管将军帽运行温度一直相对其他相高10 ℃～15 ℃，最高温度达到68.3 ℃，并多次处理无效果［10-12］。在检修过程中，对极1 211B换流变B相1.1套管将军帽进行深入检查处理，打开套管顶部过渡板后发现套管油枕顶部空腔有大量积水［13-15］。随后对极1 112B 换流变A 相、极2 122B 换流变A 相、极1 211B 换流变ABC 相、212B 换流变ABC 相进行了抽查，共抽查了8支套管，发现122B换流变A相、211B换流变B相、211B换流变C 相网侧1.1 套管油枕顶部空腔有大量积水［16-18］，具体情况如图1至图7所示［19-21］。

图1 套管顶部过渡板Fig.1 Transition plate on top of casing

图2 导电管顶部情况Fig.2 Top of the conductive tube

图3 油枕顶部空腔大量积水Fig.3 A large amount of water in the cavity at the top of the oil pillow

图5 将军帽内部情况Fig.5 The internal situation of the general's cap

图6打开过渡板后发现套管顶部大量积水Fig.6 After opening the transition plate,a large amount of water is found on the top of the casing

图7 打开过渡板后发现套管顶部少量积水Fig.7 After opening the transition plate,a small amount of water is found on the top of the casing

1）122B换流变A相

2）211B换流变B相

3）211B换流变C相

处理情况［22-24］：1）对空腔内部积水进行清理如图8、图9；2）对导电管、接线抱夹、引线板等接触面进行打磨清洗处理；3）安装一次引流线，进行螺栓力矩紧固。

图8 清除空腔内积水Fig.8 Remove the water in the cavity

图9 打开盖板对积水进行彻底清除Fig.9 Open the cover to completely remove the water

1 进水及发热原因分析

1.1 运维情况分析

如图10 所示，极1 211B 换流变B 相1.1 套管将军帽在运行过程中温度一直相对其他相高10 ℃～15 ℃，最高温度达到68.3 ℃，并多次处理无效果。

图10 211B换流变1.1套管将军帽红外测温趋势图Fig.10 Infrared temperature measurement trend diagram of 211B converter transformer 1.1 casing general cap

1.2 套管将军帽渗水原因分析

1）将军帽密封结构分析［25-27］：将军帽和过渡板之间采用“O”形软木橡胶垫，如图11所示，“O”形软木橡胶垫压缩量只要不小于0.8 mm 就能起到防水作用。根据分析，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1 mm/10 K），换流变额定负载运行时，套管温升约20 ℃，当导电管温升40 K时最大膨胀伸长量为5.5 mm，相应的瓷套、法兰等也会膨胀，虽然“O”形软木橡胶垫有螺栓压紧，但是仍然无法保证原将军帽和过渡板之间的间隙小于0.8 mm。当该间隙大于0.8 mm时，将军帽与过渡板之间将存在缝隙，导致雨水、潮气等进入将军帽内部，随着温湿度的交替变化，长期运行之后将导致软木橡胶垫进一步腐蚀恶化。加之该软木橡胶垫边沿长期暴露在外界中，现场检查发现橡胶垫边沿存在开裂的情况，在雨水等外界因素的作用下使之老化速度加快，使用寿命减小。根据现场检查情况，软木橡胶垫损坏严重，密封失效，导致雨水进入套管顶部空腔。

图11 将军帽软木橡胶垫Fig.11 General cap cork rubber pad

2）过渡板密封结构分析［28-30］：打开过渡板后从过渡板的密封结构来看，如图12 所示，密封由过渡板与套管储油柜间的O 型密封圈的纵向弹力提供，且密封面积较大，过渡板由8颗螺栓固定压紧密封圈，现场检查密封圈未损坏，雨水从此进入的可能性不大。

1.3 进水原因分析

结合套管运维情况及现场检查情况分析，判断造成套管油枕顶部空腔积水的主要原因为将军帽与过渡板之间的密封结构设计和密封材质不合理，存在密封失效导致雨水浸入的设计缺陷，当O 型软木橡胶垫密封失效时，雨水浸入，通过导电管进入空腔，随着导电头部温度升高，水分蒸发到将军帽顶部，温度下降后凝结在导电管顶部，这也就是导电管顶部存在少量积水的原因。

1.4 发热原因分析

1）导电管外螺纹与将军帽内螺纹间压紧力分析：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，该套管导电管外螺纹与将军帽内螺纹间的压紧力主要由将军帽及导线自身的较小重力和并紧螺母提供。安装并紧螺母时，旋紧板手需卡在并紧螺母上，并紧螺母与将军帽并紧后，将军帽弹性板上的孔与软木胶圈下端过渡板上的螺孔必须对准，在现场操作时，很难达到对准，往往需要回旋将军帽使螺孔对准，这样就失去了并紧螺母的并紧力作用。套管导电管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，造成将军帽与导电管螺纹接触不均匀，接触面载流面积减小，载流能力严重下降，套管温升增大。

2）载流面积分析：由于并紧螺母的存在，使得将军帽与导电管之间的螺纹旋合长度减小10 mm，导电管和将军帽的载流螺纹得不到充分利用，载流面积减小，载流能力下降，套管温升增大。

3）积水的影响：水蒸气在相对密封的环境下无法及时排出，在温度的交替变换和电流的作用下进一步腐蚀将军帽内部与导电管螺纹，增大了接触电阻，进一步加剧了发热。

2 将军帽优化改造方案

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，着力解决将军帽密封问题，提高将军帽与导电管螺纹旋接的夹紧力。根据上述原则和目标，可采取哈弗结构的将军帽来实现，哈弗结构的将军帽可通过螺栓将导电管与将军帽夹紧，可在水平和垂直方向很好地固定将军帽，不发生位移。针对目前套管将军帽密封不良，将军帽与导电管螺纹旋接的夹紧力不足的缺陷，采取哈弗结构的将军帽方案进行现场改造。

2.1 将军帽结构优化

采取哈弗结构的将军帽，如图13 所示，在加工将军帽内部螺纹之前，过中心点在将军帽壁厚上加工2个宽3 mm长91 mm开口槽，在开口槽两端打6个M8×35 的螺孔，并在开口槽根部进行圆化处理，避免开口槽根部应力过于集中。将军帽旋入导电管到位之后，通过6颗M8×35的螺栓把将军帽与导电管夹紧。

图13 哈弗结构将军帽Fig.13 Haval structure general cap

2.2 有效载流面积优化

取消原套管顶部过渡板，并紧螺母结构，如图14所示。将军帽可旋入到更接近套管油枕顶部弹性板固定螺母的位置，如图15 所示。将军帽与导管的旋合长度较之前增加约100 mm，该处将军帽直径为70 mm，换算成载流面积，改进前，将军帽与导管的旋合长度为134 mm，则其载流面积约为29 468 mm²，改进后载流面积约为51 459 mm²，增加载流面积约为21 991 mm²。按2 500 A 电流计算，改进后载流密度约为0.048 6 A/mm²，改进后有效载流面积得到大幅提高。

图14 原结构将军帽旋入深度示意Fig.14 Schematic diagram of the screw-in depth of the general cap of the original structure

图15 改进后的将军帽旋入深度示意Fig.15 Schematic diagram of the improved general cap screwing depth

2.3 密封结构优化

取消套管顶部过渡板密封结构，采用防水罩代替，并在防水罩下部开槽（槽深1.3 mm），如图16 所示，减小安装完成后防水罩与套管顶部的缝隙，如图17 所示，起到更好的防水作用，在槽内放置丁晴橡胶材质密封垫（φ113×φ125×6）。在防水罩上部加装珠形氟胶圈与将军帽的光滑圆柱面实现滑动密封，如图18 所示，并在该密封圈上端加装压圈实现将军帽与导电管载流螺纹接触面全封闭，与外部环境空气完全隔离，可避免环境空气中的湿度和酸雨等对载流螺纹接触面的腐蚀，可以长期保证螺纹载流接触面的良好电接触状况。整体装配如图19所示。

图16 套管顶部过渡板防水罩下部开槽Fig.16 Slotting on the bottom of the waterproof cover of the transition plate at the top of the casing

图17 减小安装完成后防水罩与套管顶部的缝隙Fig.17 Reduce the gap between the waterproof cover and the top of the casing after installation

图19 整体装配效果Fig.19 Overall assembly effect

2.4 改造方案的操作说明及关键工艺控制

依序拆下产品上的接线端子、均压环，再拆除需更换的将军帽、并紧螺母、过渡板、导电头与过渡板的密封垫圈。用酒精对油枕盖及密封槽端面等头部零部件进行清洁、干燥。将军帽哈弗线夹螺栓紧固的力矩要求为，从载流导管顶端旋入将军帽，旋入深度大约为105 mm，从外部对此尺寸进行管控的数值为45 mm～50 mm，将军帽旋到位后，用M8 内六角板手、力矩板手、M8内六角螺栓把将军帽旋紧在载流导管上，M8螺栓紧固力矩28 N·m。将油枕盖板上的矩形密封槽用酒精清洗干净，密封平面应保持平整，压圈放置于油枕盖板及其密封胶圈上，用8个M10×35螺栓将其压紧在油枕盖板的密封胶圈上，M10 螺栓紧固力矩42 N·m。将珠形氟胶圈内圆表面均匀的涂覆一层变压器油，然后将该胶圈套入在柱形将军帽上；将限位垫圈套入柱形将军帽上；将O 型胶圈表面均匀的涂覆一层变压器油后，放入压圈的密封槽内；然后再将压圈连同O型胶圈一起，套入柱形将军帽上。6 个M10×45 螺栓，将上述的垫圈连同压圈一起，压紧到珠形氟胶圈上，M10螺栓紧固力矩为42 N·m，恢复引线接线端子。

3 优化改造方案评估

3.1 将军帽与导电管螺纹旋接的夹紧力评估

为了验证将军帽与导电管螺纹旋接的夹紧力，采取最严格的考核方式，即露出导电管载流螺纹，导电管端部仅到将军帽中部螺栓位置，紧固中间2颗螺栓，力矩28 N·m（8.8 级热镀锌螺栓），其他螺栓不上。用0.7 m 杠杆检测哈弗结构的夹紧力，80 kg 成人对杠杆施加全部压力时将军帽不会相对导电管发生转动。该极端情况足以证明，在正常安装方式下，即紧固4颗夹紧螺栓，该结构将军帽完全可消除引线拉力、风载、换流变震动、导电管热胀冷缩应力对哈弗结构夹紧力的影响，能有效保证将军帽与导电管螺纹旋接的夹紧力，能够耐受各种运行时的自然力对将军帽传导电流的影响，如图20所示。

图20 将军帽与导电管螺纹旋接的夹紧力评估过程Fig.20 The evaluation process of the clamping force of the screw connection between the general cap and the conductive pipe

3.2 密封结构密封性能评估

为严格考核将军帽密封结构的密封性能，将改进后的将军帽安装到套管上，内部充满变压油，套管放于浸油工艺烘箱内，加温到75 ℃，加油压0.24±0.01 MPa，该过程持续保持12 h，如图21所示。观察将军帽是否有无渗漏现象，如果经过12 h的高温高压状态，将军帽没有渗漏发生，则表明将军帽满足密封要求。

图21 密封结构密封性能评估过程Fig.21 Sealing structure sealing performance evaluation process

4 结语

通过对换流变网侧套管将军帽渗水及发热原因的深入研究，准确地分析出将军帽渗水及发热原因，并研究制定了现场可实施改造方案。该改造方案具有如下优点：

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，适用范围广等特点。

2）新结构将军帽能有效保证将军帽与导电管螺纹旋接的夹紧力。新结构将军帽采取哈弗结构，可通过螺栓夹紧的方式可靠保证将军帽与导电管螺纹旋接的夹紧力，从而保证将军帽在受到引流线应力和换流变震动等外部因素影响时，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。

3）新结构将军帽有效载流面积大幅提高。采取取消原套管顶部过渡板结构，使得将军帽旋入深度增加约100 mm，提高了载流面积，降低了载流密度，能有效降低套管将军帽温升。

4）新结构将军帽具有良好的密封性能。采用防水罩代替原套管顶部过渡板密封结构，在防水罩上部加装珠形氟胶圈与将军帽的光滑圆柱面实现滑动密封，并在该密封圈上端加装压圈实现将军帽与导电管载流螺纹接触面全封闭，与外界完全隔离，可避免环境空气中的湿度和酸雨等对载流螺纹接触面的腐蚀，可以长期保证螺纹载流接触面的良好电接触状况。

借助年度检修时机将换流站该型号套管将军帽进行全部更换。自更换后，现场运行情况良好，满负荷时温度在25 ℃左右，未出现发热现象。该改造无需对套管结构进行改变，无需更换套管，按照单根套管20 万元的价值估算，以该换流站为例可节约投资480万元。因此，本改造可彻底解决该类型套管将军帽渗水及发热的问题，减少设备停运时间，对提高设备运行的可靠性、确保电网安全运行、保障社会稳定具有重要意义。