换流变压器套管将军帽故障分析及改进措施

（国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

0 引言

换流变压器（以下简称“换流变”）高压套管对高压绕组引出线起绝缘和支持作用，其套管顶部的将军帽是换流变套管与外部引线连接的重要部件[1]。将军帽为高压套管顶部提供密封，使套管内部绝缘油与外界隔绝，阻止外部水分进入套管本体，保证套管绝缘油不会渗漏和受潮变质[2-3]。若换流变套管将军帽长期高温运行会导致套管损坏，进而导致直流输电系统单极强迫停运[4]。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[5]。下面介绍某特高压换流站换流变网侧高压套管将军帽发热故障的现象及检查处理情况，详细分析发热故障的原因，并针对此类故障提出整改措施。

1 将军帽结构及缺陷现象

1.1 将军帽结构简介

换流变网侧高压套管将军帽结构见图1。

图1 原将军帽结构示意图

该套管型号为BRLW-550/2500-3，由南京电气（集团）有限责任公司生产，实物如图2 所示。

图2 原将军帽实物

软木橡胶垫圈在套管头部与过渡板之间形成密封，与将军帽形成防雨水结构；并紧圆螺母与将军帽内螺纹组成双螺母结构增加并紧力，防止将军帽松动[6]；通过6 颗限位螺栓将紧固后的将军帽进行限位，进一步防止将军帽因换流变运行振动而导致松动。安装时首先将并紧圆螺母拧到套管导电管底部，然后将将军帽旋入导电管，全部旋入后，利用专用扳手将并紧圆螺母回旋，与将军帽组成双螺母结构增加并紧力，最后利用6颗六角螺栓将将军帽与过渡板固定，利用螺栓的紧固力，下压将军帽边沿，保证其压紧软木橡胶垫圈。

1.2 将军帽发热缺陷现象

该结构将军帽自2016 年3 月投运以来发热故障频发。2016 年迎峰度夏至今发热情况如表1所示。根据DL/T 664—2008《带电设备红外诊断应用规范》，电流致热型设备与金属部件的连接热点，温差在15 K 以内为一般缺陷，温度在353.15～383.15 K为严重缺陷，温度高于383.15 K为危急缺陷[7]。

表1 将军帽发热情况

前两次发热缺陷停电处理时，均发现将军帽与导电管螺纹连接部位有过热变色痕迹，如图3所示，属于内部接头发热，均对导电管接触面进行打磨处理，并换上新的将军帽。

第三次发热缺陷停电处理时，由于将军帽已与导电管卡死，无法拆卸，现场对换流变套管进行整体更换，同时对其他换流变套管将军帽打开检查时，发现导电管头部以及螺纹等部位均存在积水或水渍，如图4 所示。

图3 将军帽及导电管接触面发热痕迹

图4 导电管头部积水

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管外螺纹与将军帽内螺纹接触载流方式，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的影响。该套管将军帽与过渡板之间采用软木橡胶垫圈进行密封，此结构密封效果主要受将军帽边沿弹性板压紧力的影响。据此，导致套管将军帽受潮、发热主要有以下五方面原因。

（1）并紧螺母安装工艺不佳

现场施工时高空作业难度较大，并紧螺母紧固程度较难控制，具有分散性。紧固并紧螺母时无法利用力矩扳手按施工工艺规范进行操作，不能有效验证安装力矩。若并紧圆螺母存在松动，在换流变长期运行时，会造成将军帽与载流导管连接螺纹松动或接触不良，进而导致将军帽内部异常发热[8]。

（2）导电管外螺纹与将军帽内螺纹配合加工精度参差不齐

导电管外螺纹与将军帽内螺纹的配合加工精度将会直接影响到载流部件的实际有效接触面积。部分套管的将军帽内螺纹与载流导管外螺纹配合不紧密，受换流变振动、引线拉力等因素影响，将军帽与载流导管连接螺纹局部接触不良，导致将军帽内部异常发热[9]。

（3）导线的拉力影响

将军帽、接线夹以及相对较粗的引流线施加在套管顶部的水平拉力较大[10]，加之将军帽内螺纹和导电管螺纹间的配合精度不够，使将军帽与导电管螺纹在水平方向咬合不均匀，减小了载流面积，增大了接触电阻，导致将军帽内部异常发热。

（4）软木橡胶垫圈密封功能不佳

将军帽通过限位螺栓进行固定，由于将军帽制造工艺的分散性，弹性板很难将软木橡胶垫压紧密封。换流变运行过程中，套管头部振动较大，套管负荷相对较高，加之热胀冷缩等因素的综合作用，将军帽密封失效，雨水通过软木橡胶圈垫进入将军帽中，加速了接触面的氧化，增大了接触电阻，加剧了发热情况[11]。

（5）导电管材质与将军帽材质不同

套管导管材质为黄铜，将军帽材质为紫铜，运行过程中因负荷变化，引起在导管与将军帽热胀冷缩过程中形变量不同，造成螺纹间有效接触面积减小，进而导致将军帽内部异常发热[12]。

3 制定优化改造方案

针对原网侧套管将军帽仅靠将军帽与导电管螺纹咬合来承受导线的拉力、密封效果不佳以及载流面积不够等问题，本文提出新结构的将军帽。

3.1 新结构将军帽

新结构将军帽将密封面和导流面分离，避免原结构因密封失效引起导流面的发热问题。新结构将军帽示意图如图5 所示，将军帽由丁腈橡胶密封圈、将军帽本体、压板、氟橡胶密封圈、压圈等组成。新结构将军帽实物如图6 所示。

图5 新结构将军帽示意图

图6 新结构将军帽实物图

将军帽本体采用两侧开槽的哈夫结构。安装时，首先将将军帽旋到导电管上，旋入深度85 mm，以留有空间能安装将军帽上部两组螺栓为准；然后依次安装将军帽本体上部两组固定螺栓、丁腈橡胶密封圈、压板、氟橡胶密封圈、压圈。改进前、后套管将军帽的结构对比如表2 所示。

表2 改进前、后套管将军帽的结构对比

3.2 新结构将军帽特性

（1）相比原将军帽，新将军帽本体及内部螺纹均加长50 mm，增大了将军帽与导电管的接触面积。

（2）哈夫结构将军帽旋入油枕盖板下方，通过螺栓抱紧导电管，防止将军帽与导电管螺纹咬合不紧密。将军帽底部嵌入导电管和油枕盖板之间，通过压板固定，防止因切向拉力引起将军帽摆动。

（3）通过压圈、密封圈、压板组成一道纵向本体密封。在压板和压圈间增加氟橡胶材质密封圈，压板对密封圈起到支撑和限位的作用，压圈对密封圈提供一个横向和纵向的压紧力，横向压力使密封圈压紧将军帽，纵向压力使密封圈压紧压板。同时密封圈对将军帽的纵向开口槽也起到密封作用，可以防止雨水或潮气进入将军帽内部。

（4）氟橡胶有优异的耐油耐高温性能，以及优异的耐天候老化、耐臭氧老化性能，使用工作温度为253.15～523.15 K[13]。氟橡胶的密封面安装在将军帽的圆柱面上，当导管热胀冷缩时，将军帽的圆柱面与氟胶圈接触面会出现相对移动，使密封性能不受影响。

4 试验验证

根据套管现场运行情况以及GB/T 4109—2008《交流电压高于1 000 V 的绝缘套管》相关规定，设计了温升试验、弯曲负荷下的密封试验、模拟冷热循环工况下的密封试验[14]。

（1）温升试验

模拟套管带将军帽实际运行时的温升情况，将套管下端浸入变压器油内，油面接近套管底部安装法兰。在套管上施加2 500 A 的电流，在套管及将军帽各主要部位埋置8 处热电偶进行温度测量，热电偶位置如图7 所示。

对变压器油进行加热，使变压器油温升达到60 K，当套管各部分温度稳定时（如果1 h 内温度变化不超过±1 K，则认为达到了稳定状态），记录下各部分温升情况，如图8 所示。

试验结果表明，套管各部分温升均小于GB/T 4109—2008《交流电压高于1 000 V 的绝缘套管》规定的70 K 的要求，温升试验通过。

（2）弯曲负荷下的密封试验

图7 热偶位置分布

图8 套管各部分温升

为检验将军帽实际运行中受导线拉力时的密封性能，对套管接线端子左右两个方向（相差180°）施加2 000 N 水平负荷20 次，每次维持60 s。同时，在套管头部的各密封结合处不断施加尽可能多的品红溶液。

试验完成后，拆卸将军帽零部件，检查各部分的密封情况。氟橡胶圈提供将军帽纵向开口的轴向密封性能，由图9 可知，在氟橡胶圈内部以及将军帽侧面都有明显的品红分界线，说明品红溶液未透过氟橡胶圈，氟橡胶圈密封性能良好。

图9 将军帽氟橡胶圈及压板上部

由图10 可知，在将军帽压板内部以及油枕盖板上丁腈橡胶圈处，都有明显的品红分界线，说明丁腈橡胶圈起到了良好的密封性能。

图10 将军帽压板内部及油枕盖板上部

（3）模拟冷热循环工况下的密封试验

为检验将军帽长期在剧烈温度变化时的密封性能，设计了冷热循环工况下的密封试验[15]。按图11 所示方式，将套管头部结构进行组装，将两个将军帽及套管油枕盖板对接后安装在导电铜管上进行密封试验。

试验模拟套管导管从293.15～363.15 K 相对于油枕盖板最大伸长变化量为4.2 mm，从293.15～248.15 K 最大收缩变化量为2.7 mm 的计算结果，将图11 所示装配好的试验模型放置于压力机上，如图12 所示。利用压力机下压将军帽，使将军帽向下移动4 mm，模拟温度从293.15 K 下降到248.15 K 以下导电管收缩的情况；再向上移动（4+6）mm，模拟温度从248.15 K 上升到363.15 K 以上，反复28 次，观察模拟的套管新将军帽结构的密封状况。

图11 冷热循环试验模型

图12 组装完成的部件放在油压机上

试验过程中，对套管头部结构的内部填充0.2 MPa 气体。如图13 所示，在每次移动套管导电管前后，均在将军帽试验模型的各密封圈面涂抹肥皂水，发现将军帽各密封面均密封良好，未见鼓泡现象。上述试验完成后，将试验模型整体浸入水中，结果无任何渗漏现象，无气泡产生。试验前后，模型内部压力指示无变化。

图13 试验模型密封性检查

上述试验过程及结果表明，新结构将军帽模拟冷热循环工况下的密封状况良好。

（4）套管将军帽改造效果

2018 年5 月，完成了对双极低端换流变套管将军帽的改造工作。新结构将军帽在2019 年迎峰度夏期间运行良好，未见异常温升。图14 为极1 低Y/Y-A 相和极2 低Y/Y-A 相换流变套管将军帽一年内的温升趋势，将军帽温升最大值为26.8 K，温升值在正常范围内。

图14 极1 低Y/Y-A 相和极2 低Y/Y-A 相换流变套管将军帽温升趋势

5 结语

通过对换流变网侧高压套管将军帽发热现象的深入研究，准确分析出该类型套管将军帽发热的原因，并提出了有效的将军帽整改方案，经试验验证合格，现场长时间运行未再出现过热问题。该研究成果可应用于所有该类型套管将军帽的改造，可彻底解决将军帽的发热问题，现场可实施性强，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的运维提供参考与借鉴。