变压器密封失效分析及防治措施研究

　　摘要：本文中作者详细分析了各种变压器橡胶密封失效的原因，并结合实际情况给出了防止变压器密封失效的具体措施。

　　1引言

　　变压器的密封性能对变压器安全、可靠、经济运行造成的影响较大，一方面，密封性能不佳增加了变压器的检修维护工作量。以深圳电网为例，2008年～2012年，110kV及以上主变压器共发生渗漏油缺陷617起，约占同期变压器缺陷数的33.1%，基层检修班组接近1/3的工作量都在处理各类变压器渗漏缺陷，另一方面，变压器关键部位密封失效将直接导致设备故障，套管密封失效时水分进入将直接导致设备发生内部短路击穿故障，甚至引发设备爆炸、起火等严重事件。本文中笔者将分析变压器橡胶密封失效的原因，并结合技术及经济比较，提出防治变压器密封失效的措施。

　　2 缺陷分析

　　图1为深圳电网110kV及以上变压器渗漏油缺陷统计图。从图1可以看出，变压器密封失效的发生概率与运行年限相关，变压器运行前15 年，渗漏油缺陷率基本保持稳定，当变压器运行超过15年后，渗漏油缺陷发生率显著上升，由此可知，变压器密封件在设备运行15年左右的时间开始批量老化失效。其中，运行超过20年的设备几乎全部存在渗漏油的缺陷。目前，变压器设计已逐步向自然冷却方式发展，油泵、风机等易损件逐渐减少，变压器密封失效已日趋成为变压器的主要缺陷类型。

　　3 密封失效因素分析

　　影响电力设备密封性能的主要因素有运行环境、密封件自身的材质、密封面的制造及安装工艺。其中，密封件的材质主要影响电力设备生命周期中后期的密封性能，运行环境、制造及安装工艺等造成的影响将贯穿设备整个生命周期，并且是造成密封早期失效的主要原因。

　　3.1 运行环境

　　大型电力变压器基本为油浸式结构，以合成橡胶为密封件材料，一般放置于户外，密封件须承受高温变压器油、紫外线、氧气、冷热循环及振动等因素的影响，其中，氧气、臭氧可使橡胶分子发生游离基链锁反应，分子链发生断裂或过度交联，引起橡胶性能的改变，导致密封件龟裂，是导致密封件老化的主要因素;变压器运行油温可达70℃以上，而提高温度可提高氧扩散速度和活化氧化反应，从而加速橡胶氧化反应速度;紫外线除了能直接引起橡胶分子链的断裂和交联外，橡胶因吸收光能而产生游离基还可引发并加速氧化链反应过;冷热循环及振动将导致密封件受到机械应力的反复作用，这会使橡胶分子链断裂生成游离基，引发氧化链反应，容易引起臭氧龟裂。因此，实际的运行工况下，变压器的橡胶密封件使用寿命将大大短于其试验室理论寿命，目前广泛采用的丁腈橡胶密封件，其使用寿命一般为15年～18年。

　　3.2 密封件材质

　　目前，应用于电力变压器的密封材料主要有丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶和氟橡胶等几类，其均具有耐油的特点，与变压器油的相容性较好，其性能方面的主要区别在于耐高低温性能与耐候性能。

　　表1为密封材料性能表。从表1可以看出，采用丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶和氟橡胶等材料在性能方面均可满足电力变压器的密封需求，目前，电力变压器主要采用丁腈橡胶作为密封件，其具有使用成本低，机械性能好的优点。但由于丁腈橡胶在耐老化及耐候性能方面的缺陷，致使其实际使用寿命只有15年～18年，远小于变压器本体30年以上的设计寿命。

　　首先，丁腈橡胶的耐高温性能较差，其最高使用温度接近于变压器重负荷时的使用温度，而橡胶材料的运行寿命与使用温度高度相关，温度越高，使用寿命降低越严重，在90℃下，丁腈橡胶的寿命不到60℃时的1/4，而变压器在夏季高温、重负荷时，油温常超过70℃，部分变压器过载运行时，油温甚至可以达到90℃，在此环境下，丁腈橡胶容易发生加速老化，按照深圳电网的运行经验，秋季是变压器漏油缺陷的高发季节，这也与在夏季时，橡胶密封件发生了热老化相关。

　　其次，丁腈橡胶耐臭氧性能较差，变电站高压设备运行时常发生持续的电晕放电，生成臭氧，变压器周边的臭氧浓度较一般工业场合高，尤其是装置于户内的变压器，周围环境中的臭氧含量尤其高，耐氧化性能差的丁腈橡胶材料暴露于臭氧氛围中，将发生加速老化。

　　综合上述分析，丁腈橡胶自身的材质缺陷是导致其运行寿命较短的主要原因。

　　3.3 设计及安装

　　设计者在设计过程中常常将精力集中在设备的使用功能上，而忽视了密封问题，从而导致密封设计存在缺陷。变压器密封件大多属于挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力达到密封效果。如果压缩变形量过小，则起不到密封效果;相反，如果压缩变形量过大，超过橡胶承受的极限，将造成密封橡胶的永久塑性变形而失去弹性，甚至在机械应力作用下发生局部龟裂，导致密封失效，早期的变压器在设计时常常不设置密封槽，依靠密封面直接压缩密封件，造成密封件过度压缩，引起密封失效。

　　装配的影响中，密封件要起到密封作用，除须有合理的变形之外，还须充分填充密封空间。在装配时，如工艺控制不当，很容易造成密封件局部或整体填充不充分，导致密封失效，例如装配时密封件安装方向错误、未彻底清洁密封面、密封面机械损伤及装配时受力不均等均可造成密封面出现不均匀填充、应力过度集中等，导致密封失效。装配工艺的影响是造成变压器早期渗漏油缺陷的主要原因。

　　4 防治措施

　　要彻底解决变压器密封失效的问题，必须从造成密封失效的内因、外因入手。但是要解决密封失效的外部因素问题，难度较高，变压器放置于户外，受紫外线影响、运行负载率高、运行温度高等现象都难以在短时间内改变。因此，在现阶段，防止密封失效还须从密封材料及密封设计 装配方面入手。

　　4.1 采用合理的密封材料

　　从性能方面分析，丙烯酸酯橡胶和氟橡胶的耐老化、耐高温及耐候性能远优于丁腈橡胶，选用丙烯酸酯橡胶和氟橡胶将可避免变压器因密封失效而进行中期大修。由于氟橡胶的耐低温性能较差，应用于冬季气温较低的地区时，容易发生低温脆化，因此，对于我国北方地区，选用高、低温性能均较为优异的丙烯酸酯橡胶较为妥当。

　　从经济方面分析，一台220kV、240MVA主变采用丁腈橡胶作密封材料，其密封件成本为2万元～3万元，采用丙烯酸酯橡胶和氟橡胶作为密封材料，其密封件成本约为10万元～15万元，但由于电力变压器整体造价较高，一台220kV、240MVA主变造价超过1000万元，即使采用氟橡胶作为密封材料，其密封件所占的成本比重仍然不到2%，而如果在变压器寿命中期对密封件进行更换，其费用一般可以占到变压器总造价的5%～10%，远远超过密封材料本身的价值。按照深圳电网的统计，变压器全生命周期运维成本约占设备采购价格的15%左右，按此计算，在新购置变压器时，如采用性能较好的密封材料，避免寿命中期大量更换密封件，预计可降低变压器的全生命周期成本30%～60%。目前，已有变压器制造厂采用丙烯酸酯橡胶、氟橡胶作为密封件制造出口用变压器，用户反映良好。

　　综合上述分析，根据地理气候特点，宜采用丙烯酸酯橡胶、氟橡胶作为新入网变压器的密封材料，以降低全生命周期成本;如是存量设备，考虑其剩余使用寿命问题，如不足 15年，在大修更换密封件时，仍可采用丁腈橡胶作为密封材料，以节约改造成本。

　　4.2 严格管控设备的设计及装配环节

　　为避免因设计不当造成的密封缺陷，设计人员应充分考虑设备的实际运行工况，合理选择密封形式。在设备设计时，在密封面采用槽形限位结构，合理控制密封件压缩量，一般变压器密封橡胶的压缩量控制在28%～35%之间较为合理。另外，在设计时，还应考虑加工精度问题，当按沟槽外径设计时，密封圈外径负公差控制;当按沟槽内径设计时，密封圈内径正公差控制，确保密封件安装时，伸长率在0%～5%之间，防止因过度拉伸密封件，导致密封填充不足，引起密封失效。对于密封难度大且用户不要求分解的部分，可采用焊接的方式进行密封。

　　为避免工厂、现场装配不当引起密封失效，应对装配人员进行专项的教育及培训，密封件装配的一般原则是：装配前清洗密封槽以及与之相配合的密封面，所使用的清洗液应与密封件的材料相容，清洗完成后应作干燥处理。除此之外还应注意以下方面：密封面应去除毛刺，锐边应导圆角;加工残余，如碎屑、脏物、外来颗粒等应在安装前去除;通孔安装用螺纹尖端应遮盖，各螺栓紧固顺序及力矩应符合制造厂要求;密封件和零件应涂润滑脂或润滑油，建议采用所密封的流体来润滑;密封面不得使用含固体添加剂的润滑脂，如二硫化钼、硫化锌等。

　　5 结束语

　　综上所述造成电力设备密封失效的原因：(1)电力设备固有的运行环境对密封件的长寿命运行不利;(2)密封件材质自身的问题造成运行中提前老化失效;(3)不当的设计与装配造成密封件不合理压缩及填充导致密封失效。在了解了上述原因后，电力企业应在运行环境、技术标准及管理重点上加以改进，降低设备的全生命周期运维成本及风险。

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