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【摘 要】分析油纸电容式高压套管末屏故障现象和末屏结构特点，并结合套管电气试验数据，针对末屏接地提出可靠性改进措施并实施。
【关键词】套管；末屏；接地
一、引言
变压器套管作为变压器的重要部件之一，它不但要将变压器内部高低压侧引线引出，同时还担负着固定引线、与外部架空线相连接的作用，因此它必须有足够的绝缘强度和机械强度。套管的可靠性将直接影响变压器的安全运行。一直以来，套管故障在变压器故障中占有较高的比例，而末屏故障又是套管的常见故障之一。本文以一起套管末屏故障导致紧急停变压器的实例，对油纸电容式套管常见末屏接地方式可靠性进行探究，进而提出改进方式并成功实施改造。
二、油纸电容式套管结构
目前，油纸电容式套管是高压套管的主要型式之一，在国外电力系统中广泛使用。其主绝缘是若干串联的电容芯子、它绕在中心铜管上，组成同心圆柱体电容器，以使套管中心铜管与接地法兰间的径向和轴向电场分布均匀。套管主绝缘的好坏通过测量绝缘电阻和介质损耗来判断，同时测试套管电容量来判断串联的电容屏有无击穿。
套管由中心导管、电容芯子、外绝缘及法兰等组成。其末屏测量端子（从套管内电容芯子最外一层电容屏用铜导体引出至套管外）将套管总电容量分为C1和C2两部分，其中C1为套管中心的导管与末屏测量端子之间的电容量，这是套管本体的主绝缘电容。R1是高压导杆与末屏之间的绝缘电阻，这是套管的主绝缘。C2 、R2为末屏至法兰间的电容量和绝缘电阻。其电容绝缘结构图如图1所示。
图1 套管电容绝缘结构图
变压器运行中，套管末屏测量端子必须接地，系统高电压全部施加在C1上，而C2因为末屏与法兰已经短接并接地，所以不承受电压。而当末屏未接地或接地不良时，末屏端子电压U=Ue*C2/（C1+C2），该电压可以达到几千伏。由此可知，变压器套管正常运行中可靠接地是非常重要的，否则末屏端子将产生高压放电引起套管故障。
三、一例套管末屏渗漏缺陷处理
某电厂02启备变C相高压套管于2013年4月15日发现套管末屏出现严重渗漏，套管油位明显下降，用红外热成像检测渗漏套管温度比其它正常运行套管温度高2度左右。情况表明由于套管末屏渗漏的影响，套管内绝缘材料可能出现轻微受潮，情况比较紧急。马上申请02启备变停电，设备停电后检查发现高压侧C相套管末屏击穿烧坏。
图2 套管末屏烧坏
1、末屏故障原因分析
该套管型号为COT1050-1250，是英国传奇HAEFELY TRENCH公司1997年的产品。其套管末屏装置属于内置式，如图2所示
图3 套管末屏装置示意图
1 末屏引线与电容芯的焊接点 2末屏引线与引出小铜杆的焊接点 3末屏接地帽内的弹簧触头装置 4 弹簧触头装置与接地帽的接触处 5末屏帽与套管底座螺牙接触面 6末屏接地帽 7套管金属底座 8电容芯 9末屏内连接软铜线 10末屏引出绝缘小套管 11末屏小铜杆 12末屏接地瘫痪触头装置
如图2所示，套管末屏接地的路径：1—9—2—11—3—4—5。即套管末屏引出小铜杆通过连接软铜线焊接并穿过绝缘小套管后，由接地帽上螺丝后进行接地。
由于套管金属底座和末屏帽都是铝材质，末屏帽连接螺丝只有4个丝牙，而且材质软。在变压器每个年度定检中都要对套管末屏进行试验，末屏接地帽需要多次反复拆装，这必然会对其连接紧固螺丝牙造成磨损，如果末屏接地帽拆装操作过程方法不当或紧固过量，将引起螺丝滑牙导致末屏接地不良。从拆出来的故障末屏位置看，其安装紧固的内外螺丝都几乎全部磨平，套管运行中末屏端子产生高电压而引发对地放电，将穿心式绝缘小套管烧毁，从而引起套管内绝缘油严重渗漏 。
处理方法：发现套管故障后立即对备用套管进行电气预防性试验，检测发现备用套管整体绝缘、介损、绝缘油耐压值等指标都不合格，經过咨询厂家，可能的原因是套管存放时间太久（15年）内部受潮或劣化所致，需要检查处理后才可投入运行。由于02启备变必须尽快恢复送电，经过分析后将01启备变C相高压套管拆出后安装在02启备变上。
鉴于C相套管末屏故障的情况，对其它所有套管末屏接地情况进行彻底检查，发现B相的末屏接地螺帽螺丝也存在严重的磨损滑牙现象，其接地已经不可靠，必须针对滑牙情况采取措施提高其接地可靠性。
2、末屏接地方式探究和改进方法
末屏接地设计和安装方式可靠性分析
2.1 从已经损坏的套管末屏观察，与套管末层电容屏相焊接的带透明绝缘层的多股软铜线，其铜线线径大约1.5mm2左右，两端焊接非常牢固，都不易松脱或损坏。
2.2末屏引出铜杆小套管是复合材料绝缘，与引出铜杆浇注一体，密封性能良好，连着铜杆的小套管一旦安装紧固后，在末屏接地帽拆装过程中不会出现常见的“连轴转”现象。
2.3 末屏接地帽内与铜杆相接触部件类似高压开关的动触头，该装置有18个小触指，触指两头固定压缩形成弧形接触面，整个触头装置牢固镶嵌在末屏帽内。该触头的设计有别于常见铜片夹，其接触可靠性大大提高。当末屏接地帽完全安装到位时，末屏小铜杆与触指的接触插入深度超过12mm。由于末屏帽是铝质，而末屏引出小铜杆和接触触指是铜材质，厂家在设计制造时已经采取措施防止铜铝电腐蚀的现象。因此可以看出该部位是能够保证可靠接触的。
2.4 另外一个接地接触点则是末屏帽与套管金属底座的螺纹连接部位，紧固螺牙4个，螺丝旋紧深度7mm左右，末屏帽用O型橡胶圈密封，防止雨水潮气进入末屏装置。正常情况下末屏帽旋紧安装到位时该接触面是能够接触良好。
最后一个接地点是套管的法兰底座，该部位是金属面用12颗螺栓紧固连接与变压器本体练成一体，变压器有专用的双接地线。因此套管法兰底座的接地是可靠的。 3、末屏损坏情况分析和改进策略
该电厂共有英国传奇生产的同类套管22支，排查发现有6支的末屏装置螺纹接触位出现不同程度的磨损，其中的两支磨损严重，出现严重的滑牙。由此可见末屏帽紧固螺纹磨损而引起该接触点接触不良正是引发套管故障原因。
该接触面螺纹磨损原因分析，一、末屏帽与套管底座都是铝质的，材质偏软。如果末屏帽安装紧度过大，极易引起铝质螺牙相互“咬死”，下次拆开时需要强行拆卸，导致螺牙磨损损坏。二、由于末屏帽安装位置受到其它设备的遮拦，操作不便，在螺纹未对准的情况下紧固，引起螺纹错位安装，导致相互间磨损。三、末屏帽由于试验需要必须多次反复拆装会引起螺纹的自然磨损。
末屏帽接地可靠性改造思路，改造成“可见式的双接地系统”。从以上分析可知，末屏装置除了螺纹接触面容易出现接触不良外，其它接地回路中的接触点都是可靠的，所以只需要在螺纹接触位置增加可靠接地即可。
4、具体改造方法
如下图3所示
下图6，用厚度2mm的铝板做成一片10mm宽，40mm长的一个铝片。
在末屏帽六角螺母的其中一个面机械加工个φ3，深度6mm的螺牙孔，并将做好的2mm厚的铝片用螺丝安装在该孔上。
拆开套管法兰的其中一个螺母（法兰盘共有12颗固定螺栓），安装上一个2mm厚的铝片接地桩，如下图15。
将末屏帽上的铝片与新增接地桩用绿线连接起来，如下图14。这样就新增了一路可见的接地线，确保末屏可靠接地。而原来的磨损的螺丝接触面只是作为辅助接触和密封功能。在末屏帽拆装时先拆开螺栓连接14，新增接地线完全不会影响拆装操作。
改造注意事项：第一，新增外接地材料必须考虑铜铝电腐蚀的问题，所以选用与末屏帽相同材质的薄铝板。第二，薄铝板与末屏帽的连接不能用焊接方式，主要原因是薄铝片焊接难度大同时焊接产生的热量可能引起末屏帽内的触头片表面氧化造成末屏铜杆与触頭接触不良，因此用机械加工开孔攻丝的方式，这方式加工方便可控，不会损坏设备。
图4 末屏接地改造后示意图
四、结束语
套管末屏接地不良引起套管不正常运行是多发性故障，其后果往往都比较严重。为提高套管设备的安全可靠运行，建议制造厂根据用户实际使用情况，重视末屏的设备和制造工艺，改进末屏接地结构。可以借鉴《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》第17.7中“重要设备已设备构架等宜有两根与地网不同地点连接的接地”，增加双接地措施，确保末屏接地可靠，使末屏能够满足现场试验多次拆装而保持其良好可靠接地的状态，满足套管安全运行的需要。
另外，用户单位在设备维护和试验中更要充分重视套管末屏接地的可靠性，在设备年度定检中增加套管末屏检查维护工作项目，确认末屏接地装置无损坏无异常。在试验过程中，末屏的拆装严禁野蛮操作，特别是铝质末屏接地帽，在安装紧固时必须对准螺牙，力矩大约15N.M即可，防止螺帽滑丝导致接地不良。
作者简介：
周少旭，男，1974年，从事电厂电气设备检修维护，电气工程师，高级技师。
【关键词】套管；末屏；接地
一、引言
变压器套管作为变压器的重要部件之一，它不但要将变压器内部高低压侧引线引出，同时还担负着固定引线、与外部架空线相连接的作用，因此它必须有足够的绝缘强度和机械强度。套管的可靠性将直接影响变压器的安全运行。一直以来，套管故障在变压器故障中占有较高的比例，而末屏故障又是套管的常见故障之一。本文以一起套管末屏故障导致紧急停变压器的实例，对油纸电容式套管常见末屏接地方式可靠性进行探究，进而提出改进方式并成功实施改造。
二、油纸电容式套管结构
目前，油纸电容式套管是高压套管的主要型式之一，在国外电力系统中广泛使用。其主绝缘是若干串联的电容芯子、它绕在中心铜管上，组成同心圆柱体电容器，以使套管中心铜管与接地法兰间的径向和轴向电场分布均匀。套管主绝缘的好坏通过测量绝缘电阻和介质损耗来判断，同时测试套管电容量来判断串联的电容屏有无击穿。
套管由中心导管、电容芯子、外绝缘及法兰等组成。其末屏测量端子（从套管内电容芯子最外一层电容屏用铜导体引出至套管外）将套管总电容量分为C1和C2两部分，其中C1为套管中心的导管与末屏测量端子之间的电容量，这是套管本体的主绝缘电容。R1是高压导杆与末屏之间的绝缘电阻，这是套管的主绝缘。C2 、R2为末屏至法兰间的电容量和绝缘电阻。其电容绝缘结构图如图1所示。
图1 套管电容绝缘结构图
变压器运行中，套管末屏测量端子必须接地，系统高电压全部施加在C1上，而C2因为末屏与法兰已经短接并接地，所以不承受电压。而当末屏未接地或接地不良时，末屏端子电压U=Ue*C2/（C1+C2），该电压可以达到几千伏。由此可知，变压器套管正常运行中可靠接地是非常重要的，否则末屏端子将产生高压放电引起套管故障。
三、一例套管末屏渗漏缺陷处理
某电厂02启备变C相高压套管于2013年4月15日发现套管末屏出现严重渗漏，套管油位明显下降，用红外热成像检测渗漏套管温度比其它正常运行套管温度高2度左右。情况表明由于套管末屏渗漏的影响，套管内绝缘材料可能出现轻微受潮，情况比较紧急。马上申请02启备变停电，设备停电后检查发现高压侧C相套管末屏击穿烧坏。
图2 套管末屏烧坏
1、末屏故障原因分析
该套管型号为COT1050-1250，是英国传奇HAEFELY TRENCH公司1997年的产品。其套管末屏装置属于内置式，如图2所示
图3 套管末屏装置示意图
1 末屏引线与电容芯的焊接点 2末屏引线与引出小铜杆的焊接点 3末屏接地帽内的弹簧触头装置 4 弹簧触头装置与接地帽的接触处 5末屏帽与套管底座螺牙接触面 6末屏接地帽 7套管金属底座 8电容芯 9末屏内连接软铜线 10末屏引出绝缘小套管 11末屏小铜杆 12末屏接地瘫痪触头装置
如图2所示，套管末屏接地的路径：1—9—2—11—3—4—5。即套管末屏引出小铜杆通过连接软铜线焊接并穿过绝缘小套管后，由接地帽上螺丝后进行接地。
由于套管金属底座和末屏帽都是铝材质，末屏帽连接螺丝只有4个丝牙，而且材质软。在变压器每个年度定检中都要对套管末屏进行试验，末屏接地帽需要多次反复拆装，这必然会对其连接紧固螺丝牙造成磨损，如果末屏接地帽拆装操作过程方法不当或紧固过量，将引起螺丝滑牙导致末屏接地不良。从拆出来的故障末屏位置看，其安装紧固的内外螺丝都几乎全部磨平，套管运行中末屏端子产生高电压而引发对地放电，将穿心式绝缘小套管烧毁，从而引起套管内绝缘油严重渗漏 。
处理方法：发现套管故障后立即对备用套管进行电气预防性试验，检测发现备用套管整体绝缘、介损、绝缘油耐压值等指标都不合格，經过咨询厂家，可能的原因是套管存放时间太久（15年）内部受潮或劣化所致，需要检查处理后才可投入运行。由于02启备变必须尽快恢复送电，经过分析后将01启备变C相高压套管拆出后安装在02启备变上。
鉴于C相套管末屏故障的情况，对其它所有套管末屏接地情况进行彻底检查，发现B相的末屏接地螺帽螺丝也存在严重的磨损滑牙现象，其接地已经不可靠，必须针对滑牙情况采取措施提高其接地可靠性。
2、末屏接地方式探究和改进方法
末屏接地设计和安装方式可靠性分析
2.1 从已经损坏的套管末屏观察，与套管末层电容屏相焊接的带透明绝缘层的多股软铜线，其铜线线径大约1.5mm2左右，两端焊接非常牢固，都不易松脱或损坏。
2.2末屏引出铜杆小套管是复合材料绝缘，与引出铜杆浇注一体，密封性能良好，连着铜杆的小套管一旦安装紧固后，在末屏接地帽拆装过程中不会出现常见的“连轴转”现象。
2.3 末屏接地帽内与铜杆相接触部件类似高压开关的动触头，该装置有18个小触指，触指两头固定压缩形成弧形接触面，整个触头装置牢固镶嵌在末屏帽内。该触头的设计有别于常见铜片夹，其接触可靠性大大提高。当末屏接地帽完全安装到位时，末屏小铜杆与触指的接触插入深度超过12mm。由于末屏帽是铝质，而末屏引出小铜杆和接触触指是铜材质，厂家在设计制造时已经采取措施防止铜铝电腐蚀的现象。因此可以看出该部位是能够保证可靠接触的。
2.4 另外一个接地接触点则是末屏帽与套管金属底座的螺纹连接部位，紧固螺牙4个，螺丝旋紧深度7mm左右，末屏帽用O型橡胶圈密封，防止雨水潮气进入末屏装置。正常情况下末屏帽旋紧安装到位时该接触面是能够接触良好。
最后一个接地点是套管的法兰底座，该部位是金属面用12颗螺栓紧固连接与变压器本体练成一体，变压器有专用的双接地线。因此套管法兰底座的接地是可靠的。 3、末屏损坏情况分析和改进策略
该电厂共有英国传奇生产的同类套管22支，排查发现有6支的末屏装置螺纹接触位出现不同程度的磨损，其中的两支磨损严重，出现严重的滑牙。由此可见末屏帽紧固螺纹磨损而引起该接触点接触不良正是引发套管故障原因。
该接触面螺纹磨损原因分析，一、末屏帽与套管底座都是铝质的，材质偏软。如果末屏帽安装紧度过大，极易引起铝质螺牙相互“咬死”，下次拆开时需要强行拆卸，导致螺牙磨损损坏。二、由于末屏帽安装位置受到其它设备的遮拦，操作不便，在螺纹未对准的情况下紧固，引起螺纹错位安装，导致相互间磨损。三、末屏帽由于试验需要必须多次反复拆装会引起螺纹的自然磨损。
末屏帽接地可靠性改造思路，改造成“可见式的双接地系统”。从以上分析可知，末屏装置除了螺纹接触面容易出现接触不良外，其它接地回路中的接触点都是可靠的，所以只需要在螺纹接触位置增加可靠接地即可。
4、具体改造方法
如下图3所示
下图6，用厚度2mm的铝板做成一片10mm宽，40mm长的一个铝片。
在末屏帽六角螺母的其中一个面机械加工个φ3，深度6mm的螺牙孔，并将做好的2mm厚的铝片用螺丝安装在该孔上。
拆开套管法兰的其中一个螺母（法兰盘共有12颗固定螺栓），安装上一个2mm厚的铝片接地桩，如下图15。
将末屏帽上的铝片与新增接地桩用绿线连接起来，如下图14。这样就新增了一路可见的接地线，确保末屏可靠接地。而原来的磨损的螺丝接触面只是作为辅助接触和密封功能。在末屏帽拆装时先拆开螺栓连接14，新增接地线完全不会影响拆装操作。
改造注意事项：第一，新增外接地材料必须考虑铜铝电腐蚀的问题，所以选用与末屏帽相同材质的薄铝板。第二，薄铝板与末屏帽的连接不能用焊接方式，主要原因是薄铝片焊接难度大同时焊接产生的热量可能引起末屏帽内的触头片表面氧化造成末屏铜杆与触頭接触不良，因此用机械加工开孔攻丝的方式，这方式加工方便可控，不会损坏设备。
图4 末屏接地改造后示意图
四、结束语
套管末屏接地不良引起套管不正常运行是多发性故障，其后果往往都比较严重。为提高套管设备的安全可靠运行，建议制造厂根据用户实际使用情况，重视末屏的设备和制造工艺，改进末屏接地结构。可以借鉴《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》第17.7中“重要设备已设备构架等宜有两根与地网不同地点连接的接地”，增加双接地措施，确保末屏接地可靠，使末屏能够满足现场试验多次拆装而保持其良好可靠接地的状态，满足套管安全运行的需要。
另外，用户单位在设备维护和试验中更要充分重视套管末屏接地的可靠性，在设备年度定检中增加套管末屏检查维护工作项目，确认末屏接地装置无损坏无异常。在试验过程中，末屏的拆装严禁野蛮操作，特别是铝质末屏接地帽，在安装紧固时必须对准螺牙，力矩大约15N.M即可，防止螺帽滑丝导致接地不良。
作者简介：
周少旭，男，1974年，从事电厂电气设备检修维护，电气工程师，高级技师。