有載分接開關油位異常原因分析與處理

石張翼，董漢清

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

某核電廠的高壓廠用變壓器有載調壓開關采用德國MR公司生產的3×MI 1203A-72.5/B-12 11 1 W型單相式調壓開關，該種型號開關由選擇開關和切換開關組成。變壓器有載調壓開關的切換油室，由于開關制造廠裝配質量不良，變壓器廠出廠工藝控制不嚴，運行中密封墊老化，檢修維護不當，以及切換開關油室運行環境惡劣等因素，時常造成密封不良而與變壓器本體油箱相通的缺陷[1]。

1 故障現象

某核電廠高壓廠用變壓器2010年4月投運，從2010年6月的巡檢記錄看，油溫37℃,有載分接開關油位為5.8（37℃對應油位應為5.6，允許誤差±0.5），基本與廠家提供的油位-溫度曲線對應。從2014年6月15日之后，油位有逐漸升高的趨勢，2015年3月13日油位指示為9.1（油溫43℃，根據油位曲線應為5.9），接近報警值10。機組小修時將有載分接開關油位排至4.4，之后巡檢油位仍有上漲趨勢，至2015年8月14日，油位升至6.0，油位持續上漲偏離油位曲線。

2 缺陷原因初步排查分析

通過對有載開關儲油柜容量設計偏差核算，有載分接開關內部是否殘留氣體，油位計指示校驗，有載分接開關油室是否進水進行檢查，均無異常。最終，將故障點定位至變壓器本體與有載開關油室之間有漏點。

2.1 切換開關油室結構與滲油分析

1）切換開關油室是由開關頭蓋、頭部法蘭、絕緣筒、筒底4部分組成（如圖1）。絕緣筒是切換開關油室的主體，也是主密封，若變壓器出廠時絕緣筒有裂紋會引起滲漏。

2）絕緣筒上有有載分接開關切換開關的引線接頭（如圖1），內部有密封圈。有載分接開關調壓時，切換開關觸頭動作會對該引線接頭有較大沖擊力，其密封圈易老化變形或者其緊固螺栓松動、吊芯等裝配過程中被碰傷會引起滲漏。

3）絕緣筒筒底（如圖1）密封件由筒底聯接件、放油塞組成。筒底聯接件是有載分接開關切換開關與選擇開關的聯動機構，中間有多道密封。若裝配不當，易導致滲漏且處理困難。放油塞是有載分接開關煤油氣相真空干燥后排放有載分接開關油室中殘油用，放油塞處有密封圈，變壓器總裝過程中存在煤油放油螺栓緊固不到位的問題[2]。由于煤油氣相真空干燥的加熱效率高等優越性，對于同一臺變壓器，絕緣中含水量不大于0.5%（質量比）時，與熱風真空干燥相比，器身干燥時間約可以節省一半[3]。故大多變壓器廠家采用該干燥方式，但是常常因煤油放油塞處雜質未沖洗干凈或者該放油塞未擰緊，導致開關與變壓器本體間滲漏。

4）切換開關油室的密封包含絕緣筒上端密封和絕緣筒筒底密封。在絕緣筒上端鉚接有支撐法蘭，支撐法蘭與絕緣筒通過鉚釘鉚接為一體，下端密封的筒底鑄件與絕緣筒也是通過鉚釘鉚接（如圖1），它們之間有密封圈，絕緣筒鉚接處必須密封良好。

圖1 切換開關結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the switch structure

2.2 切換開關油室與變壓器箱體密封結構與滲油分析

切換開關油室自帶的支撐法蘭與變壓器箱體上安裝的法蘭通過螺栓相連，使切換開關油室被固定在變壓器箱體上。支撐法蘭和安裝法蘭平面接觸，支撐法蘭和安裝法蘭之間安裝有密封圈，密封圈內側是切換開關油室區，外側是變壓器箱體空間，密封圈受壓縮起密封作用，這樣切換開關油室和變壓器箱體油室空間就被隔開，變壓器總裝時將開關裝上變壓器箱蓋前，該密封圈需正確安裝。若安裝不到位或密封圈損壞，易滲漏。同類電廠有類似情況發生，如圖2。

圖2 安裝法蘭和支撐法蘭結構圖Fig.2 Structural diagram of mounting flange and support flange

3 缺陷處理

3.1 方案提出

如果開關油位上升是由開關油室與變壓器箱體密封不良導致本體油開關油室滲漏所致，則可能的滲漏部位為絕緣筒、引線接頭、筒底聯接件、放油塞、支撐法蘭和安裝法蘭之間密封圈。若絕緣筒、引線接頭或筒底聯接件處滲漏，需要對變壓器吊罩后處理。因放油塞（在煤油氣相真空干燥后）和支撐法蘭密封圈（變壓器總裝時將開關裝上變壓器箱蓋前）在變壓器廠操作過，漏油可能性最大。自4號常規島廠變投運以來，滲漏的油量較少，最大可能滲漏點是底部放油塞和上部法蘭密封圈處，因此提出處理方案如下：

1）若放油塞處滲油，檢查其緊固及密封墊是否損壞，并更換。

2）若開關頭安裝法蘭與支撐法蘭連接處滲漏，檢查該處螺栓力矩及密封墊是否損壞，并更換新密封圈。

3）若沒有發現漏點，全部更換放油塞處、支撐法蘭和安裝法蘭之間處密封圈。

3.2 方案實施

1）將有載分接開關從7以上分接位置切換至校準位置6。

2）將切換開關油室中油排凈，從油室垂直吊出切換開關芯子。

3）檢查切換開關芯子是否異常（測量過渡電阻、檢查放電弧片和切換芯子外觀檢查）[4]。

4）清理有載分接開關筒內殘油，用干燥氮氣在變壓器本體油枕膠囊處加壓檢漏（壓力不超過20Kpa）。

5）加壓約1h后，發現C相筒底放油塞處有滲漏痕跡，取出密封圈有裂紋，進一步檢查發現C相放油塞密封面處有一橡皮雜質，如圖3所示。

圖3 放油塞密封圈處裂紋、絕緣筒筒底放油塞處雜質Fig.3 Cracks at the oil drain plug sealing ring and impurities at the oil drain plug at the bottom of the insulating cylinder

3.3 缺陷消除

1）將C相放油塞子密封圈進行更換，用專用工具檢查其他兩相密封圈緊固，無異常。

2）對支撐法蘭和安裝法蘭之間螺栓進行力矩檢查，對引線接頭進行緊固檢查，正常。

3）用同樣方法對有載分接開關油箱進行檢漏試驗，壓力為20Kpa，時間為1h，檢查無滲漏油跡，滲漏部位消除。

4 根本原因分析

4.1 密封圈老化因素分析

對變壓器密封圈的要求是：耐熱性、耐油性好，具有良好的機械強度和合適的彈性。變壓器常用密封圈材料為丁腈橡膠，是一種以丁二烯和丙烯腈為單體的合成橡膠，其分子式[5]為：

密封圈老化是指橡膠制品在生產或使用過程中，受外界環境影響，其內部結構發生變化，使得其性能逐漸下降的情況。以丁腈橡膠為例，歸納分析影響密封圈老化因素如下：

1）氧化

氧是活性原子，因丁腈橡膠分子結構是不飽和的，不飽和鏈易與氧原子起化學反應，在橡膠密封圈材料中同橡膠分子發生游離基連鎖反應，分子鏈發生斷裂過程或過度交聯，破壞原橡膠的結構，引起橡膠制品性能的下降，發生龜裂。

2）臭氧

臭氧化學反應能力比氧強得多，其自由基活性是氧的幾千倍，對丁腈橡膠的作用更大，同樣使分子鏈斷裂和交聯。

3）高溫

溫度影響分子運行速度，溫度升高加劇了橡膠內部分子和氧分子的擴散速度，從而加速橡膠氧化反應速度。如變壓器接線端子接觸不良、過負荷運行等，使得變壓器溫度分布得不均勻，會使其局部溫度超過密封墊的極限溫度，造成密封墊提前老化。另外，隨著變壓器煤油氣相干燥工藝的應用，部分有載開關密封件也隨變壓器器身一起干燥。由于煤油蒸汽最高溫度高達125℃～130℃[6]，且干燥時間長，因而加速了密封橡膠的氧化反應。

4）輻射

在太陽光中紫外線的輻照下，密封橡膠分子鏈會斷裂成活性分子，進而加速橡膠的老化。

5）水

水對丁腈橡膠作用有利有弊：利是與水接觸會產生一層保護膜，避免發生氧化反應；不利是水分子與橡膠中親水基團發生溶解反應，破壞橡膠內部分子結構而加速老化。

6）機械應力

橡膠密封圈長期在機械應力作用下，特別當其應力不均勻時，會破壞橡膠密封圈分子鏈結構而斷裂，大分子鏈斷裂成多個小分子鏈，小分子鏈繼續重組，交聯反應發生，形成力化學過程，最終導致橡膠材料老化。橡膠是靠其彈力來密封的，若橡膠壓縮量小，密封墊彈力小，起不到密封作用；反之，若壓縮量過大，超過橡膠承受的極限，將造成密封橡膠的永久塑性變形而失去彈性，甚至發生密封圈的開裂現象。這樣不僅起不到密封作用，而且會影響密封橡膠的使用壽命，一般應將變壓器密封橡膠的壓縮量控制在25%～30%。若法蘭剛度不足、密封面不平整或有異物，密封橡膠的局部部位會壓縮過量，而其它部位并未受壓或受壓太小，會出現滲漏或者短時未滲漏，但是不能經受時間的考驗[7]。

7）其他方面的因素

化學介質（不耐油）、變價金屬離子、電和生物等也會影響橡膠密封圈材料的老化程度。

4.2 要因確認

變壓器本體大多數密封圈采用丁腈橡膠材質，MR有載調壓開關密封圈采用氟橡膠材質。氟橡膠是主鏈或側鏈的碳原子含有氟原子的合成橡膠，由于C-F鍵能大，且氟原子共價半徑為0.064 nm，相當于C-C鍵長度的一半，可以很好地屏蔽C-C主鏈，具有優良的穩定性，其耐高溫性、耐老化性、耐油性、耐化學腐蝕、耐候性、耐機械性及耐輻射性等較好。表1為3種密封橡膠材料部分性能對比。

綜合密封圈老化因素，因有載開關煤油放油塞浸漬在變壓器油中，運行中接觸不到氧、臭氧、水和大氣中的紫外線，所以氧化老化、臭氧老化、輻射老化均可排除，化學介質（不耐油）、變價金屬離子、電和生物因素也非主要因素。下面重點對高溫老化和機械應力老化重點分析：

4.2.1 高溫老化分析

MR煤油放油塞材質為氟橡膠，由表1可知，其最高使用溫度為250℃，實際使用壽命為30年。變壓器煤油氣相真空干燥最高為130℃，時間較短，日常變壓器運行時變壓器油面溫度不超過85℃，故高溫老化導致密封圈產生裂紋而密封不良為非要因。

表1 密封材料性能對比表[8]Table 1 Performance comparison table of sealing materials[8]

4.2.2 機械應力老化分析

煤油放油塞密封圈設計為O形軸向密封，密封圈尺寸為Φ50×4.5（O型圈內徑d1×O型圈截面直徑d2），O形密封圈和密封槽詳細參數見表2。

表2 密封圈和密封槽尺寸參數表Table 2 Size parameter table of sealing ring and sealing groove

用放大鏡目視檢查變壓器煤油放油塞處及密封面處無銳角、毛刺等缺陷，機械強度正常。測量O形圈內徑、截面直徑、密封槽寬度、密封槽深度和內徑，均滿足要求。計算O型圈壓縮率為20.58%，滿足液壓靜密封用O型密封圈壓縮量為15.0%～34.5%的要求[9]，非設計和制造原因導致密封圈因機械應力過大而老化。

缺陷處理過程中發現變壓器C相煤油放油塞處有一橡皮雜質，測量橡皮雜質最厚處厚度為0.88mm，計算密封圈的最大壓縮率為：XMAX%=100%×（d2-h+0.88）/d2=40.04%，遠大于34.5%的壓縮量要求，分析該密封圈局部部位壓縮過量，發生大分子鏈的機械降解，最終密封圈有兩處裂紋，導致密封不良而漏油。

4.2.3 橡皮雜質未清理根本原因分析

查找該煤油放油塞相關工藝要求為：①變壓器器身入爐干燥前，需將有載開關切換油室內殘油放出，拆除開關頂蓋，放油塞保持打開狀態，器身干燥出爐后，關閉放油塞；②變壓器總裝時，需檢查確認有載開關煤油放油塞已擰緊。

工藝解讀為：變壓器煤油氣相真空干燥前打開煤油放油塞，由于切換開關芯子連同變壓器一塊兒放入真空罐中干燥，切換開關芯子未吊出，工作人員只能在切換開關油室底部與分接選擇器機構之間將煤油放油塞松開；器身干燥出爐后，關閉放油塞，也僅僅能在切換開關底部與分接選擇器機構之間將放油塞關閉并緊固，并未將切換開關芯子吊出并打開煤油放油塞，檢查其密封面是否干凈無異物，見圖4示意圖，進而造成了異物遺留在密封面。變壓器總裝時，需要將有載開關切換芯子吊出清理切換開關油室，此工藝中只要求檢查有載開關煤油放油塞是否擰緊，無打開檢查密封面要求。

圖4 切換開關示意圖Fig.4 Schematic diagram of the switch

綜上分析，原因分析如下：

直接原因：有載開關O型煤油放油塞密封圈有裂紋。

促成原因：變壓器C相有載開關油室底部煤油放油塞子密封圈有雜質，密封圈長期被雜質擠壓、局部壓縮過量，導致老化產生裂紋。

根本原因：針對該煤油放油塞相關工藝要求不明確，僅靠車間師傅經驗檢查該密封圈和密封面的情況。

5 結束語

缺陷處理至今已有5年多，常規島廠變有載開關油位正常，這次缺陷處理效果良好，也為處理同類缺陷找到寶貴的工作經驗。

變壓器運行中若發生有載開關儲油柜的油位異常現象，或與本體儲油柜的油位趨于一致時，有載開關絕緣筒可能存在滲漏現象，可采取以上檢修方法按先易后難的順序處理，即變壓器不排油時，先確保非假油位后再考慮排油檢查。若需排油檢查，先在變壓器本體不排油時，將切換開關吊芯，檢查滲漏部位并作相關處理，可達到事半功倍的效果[10]。若是部分切換開關引線可達處滲漏，需要打開變壓器人孔進行檢查與處理；若是部分切換開關引線不可達處、絕緣筒、筒底鑄件或筒底聯接結構處滲漏，需要對變壓器吊罩大修處理，詳見圖5。

圖5 油位異常由易到難處理框架結構Fig.5 Frame structure of abnormal oil level from easy to difficult