Anàlisi de la fractura del suport de les claus d'alt voltatge a l'exterior en una subestació

L'estat operatiu i la fiabilitat dels equips dins les subestacions afecten directament la seguretat i l'estabilitat de la xarxa elèctrica. La majoria dels equips de subestació estan compostos per components metàl·lics fabricats amb diversos materials com el cobre puro, l'acer al carboni i l'acer inoxidable. Durant una operació a llarg termini, la degradació del rendiment d'aquests materials metàl·lics sovint porta a fallades d'equipament, posant en risc significatiu la segura i estable operació de les subestacions.

Els interruptors de desconnecte a alta tensió exteriors són un exemple destacat. El seu funcionament adequat és crític no només per la fiabilitat, seguretat i estabilitat del subministrament elèctric de la subestació, sinó també perquè la seva fallada pot desencadenar una col·laboració de tota la xarxa elèctrica. Per tant, té una gran importància analitzar activament les causes radicals de les fallades d'equipament habituals a les subestacions i proposar mesures protectoras específiques.

1. Introducció als Interruptors de Desconnecte a Alta Tensió Exteriors

Els interruptors de desconnecte a alta tensió exteriors d'una certa subestació de 330 kV són productes de la sèrie GW4 de models antics fabricats per una antiga fàbrica d'equips de commutació a alta tensió. Presenten una estructura doble columna horitzontal amb simetria esquerra-dreta i estan compostos per una base, suports, aïllants i un conjunt conductor principal. El conjunt conductor principal inclou connectors flexibles, clamps terminals, barras conductores, contactes, dits de contacte, muelles i proteccions contra la pluja.

En setembre de 2017, durant la manteniment rutinari, els operadors van descobrir que alguns d'aquests interruptors de desconnecte exteriors presentaven fissuracions de divers grau en els seus suports, acompanyades d'una forta corrosió. Això representava un perilós risc de seguretat durant la manipulació manual. Com a conseqüència, es va realitzar un exàmen macroscòpic de la morfologia de les fisures. Addicionalment, es va portar a terme una anàlisi microscòpica metal·logràfica dels contaminants recollits tant del costat del clamp com del costat terminal dels suports. Més endavant, es va utilitzar un espectròmetre per analitzar de manera integral la composició química dels suports, les barras conductores i els contaminants associats.

2. Resultats d'Inspecció de la Fissuració dels Suports

2.1 Morfologia Macroscòpica

El revestiment superficial dels suports dels interruptors de desconnecte havia esquitxallat, mostrant una forta corrosió. Es van observar productes de corrosió evidents entre el suport i la barra conductora. Les fisures presentaven característiques de fractura brittla, amb patrons en forma de V ("de cuirassa de peix") visibles en les superfícies de fractura. L'origen i les zones de propagació de les fisures apareixien negres o gris foscos.

Les mesures de deflexió van mostrar una deformació de 3,0 mm al costat de la placa terminal i 2,0 mm al costat del clamp, confirmant una distorsió estructural significativa del suport.

2.2 Morfologia Microscòpica

L'anàlisi microscòpica metal·logràfica va revelar espessor de capes de contaminants de 1,1-3,3 mm al costat del clamp i de 3,2-3,5 mm al costat de la placa terminal del suport.

2.3 Anàlisi Espectromètrica

L'anàlisi espectromètrica del suport, la barra conductora i els contaminants va donar els següents resultats clau (vegeu Taula 1):

• El suport contenia un 94,3% d'alumini, indicant que estava fet d'alli d'alumini fundit.

• La barra conductora contenia un 92,7% de cobre, juntament amb elements traça, confirmant que era un tub d'alli de cobre.

• Els contaminants també contenien un 94,3% d'alumini.

En condicions atmosfèriques húmides, l'alumini (del suport) i el cobre (de la barra conductora) formen un parell gavanic, desencadenant una reacció de corrosió electroquímica (gavanica). Aquest procés genera productes de corrosió ric en ions d'alumini—identificats com el contaminant principal que causa la degradació del material i la fissuració final.

3. Anàlisi de les causes i mesures de protecció

3.1 Anàlisi de les causes de la fractura del suport

En general, el fracàs del material metàl·lic es pot atribuir a dos categories de factors:

• Factors interns: relacionats amb la qualitat del material i els processos de fabricació;

• Factors externs: relacionats amb les condicions de servei com la càrrega mecànica, el temps, la temperatura i els mitjans ambientals.

3.1.1 Anàlisi dels factors interns

En els projectes de xarxa elèctrica, els components metàl·lics solen passar per inspeccions de qualitat rigoroses—incloent la composició del material i la vida útil prevista—abans de la seva implantació. L'experiència en el terreny mostra que els interruptors de mà de alta tensió a l'exterior operen en entorns durs, i la seva fiabilitat està predominantment governada per les condicions de servei externes més que per defectes inherents del material. Per tant, la fractura observada en el suport d'aquest interruptor no és deguda a una qualitat pobra del material sinó que és principalment impulsada per l'exposició ambiental.

3.1.2 Anàlisi dels factors externs

La subestació de 330 kV es troba en una regió nord-oest amb un clima típic temperat semiàrid—caracteritzat per aire sec, abundància de soles i grans variacions de temperatura diàries i anuals. Els hiverns són llargs i fredits amb mínimes precipitacions, mentre que els estius són curts però calents.

El suport d'alumini de l'interruptor ha estat exposat contínuament a aquest entorn atmosfèric sever, subjecte a vents forts, cicles tèrmics, acumulació de neu i pluja ocasional—condicions altament favorables a la fractura per corrosió sota tensió (SCC).

La SCC fa referència a la fractura fràgil d'un component metàl·lic sotmès a tensió en un medi corrosiu. La seva ocurrència requereix dues condicions essencials: tensió de tracció i un medi corrosiu específic.

En aquest cas:

• Existeixen tensions de tracció cap avall a cada costat de la línia central inferior del suport i cap amunt al centre, resultant en una distribució de tensió desuniforme.

• Aquesta càrrega no uniforme induix deformació plàstica i desplaçament de dislocacions en el metall, accelerant l'inici, la propagació i la fractura final de la SCC.

El suport està fet d'una alliaga d'alumini fondu. En presència d'humitat i partícules de pols aeri que formen contaminants solubles, ocorre fàcilment la corrosió galvànica i de creuadura—especialment a la fessura lateral del ganxo, on pot acumular-se aigua o neu.

L'efecte sinèrgic de la tensió de tracció i l'atac corrosiu va acabar provocant la fractura.

Macroscòpicament, les superfícies de fractura de la SCC solen mostrar orígens de fractures negres o gris-negres i zones de propagació a causa de la corrosió, amb àrees de fractura brusca que exhibeixen patrons radials o en forma de V ("espinaca")—que coincideix exactament amb la morfologia de la fractura observada en el suport de l'interruptor. Això confirma fortement que el mecanisme de fallida va ser la fractura per corrosió sota tensió.

3.2 Mesures de protecció contra la fractura del suport

Com el tipus d'equipament més nombros en les subestacions, els interruptors de mà a l'exterior encareixen riscos significatius quan operen a llarg termini en entorns exposats—especialment amb l'increment de la implantació de subestacions sense supervisió, que reben una demanda més elevada de fiabilitat. Es proposen les següents quatre estratègies de protecció:

3.2.1 Instal·lar envoltures protectora

Ja que els interruptors de mà a l'exterior estan directament exposats a les condicions atmosfèriques—i són particularment vulnerables en climats extrems (per exemple, fred alpí, calor intensa, salinitat costanera o zones de gel)—la instal·lació d'escuts d'isolació o envoltures protectora pot crear un microentorn controlat, mitigant significativament la corrosió.

3.2.2 Millorar les inspeccions rutinàries

Atès que la distribució desuniforme de tensió combinada amb les condicions ambientals dures van desencadenar la SCC, els operadors han de intensificar les inspeccions visuals i mecàniques dels components crítics—especialment els suports base i les estructures de prensa—per detectar els primers signes de deformació, corrosió o fractura i prevenir danys secundaris o incidents de seguretat.

3.2.3 Reforçar la monitorització de la corrosió

La monitorització de l'estat de l'equipament de la subestació no només és un mitjà eficient per millorar l'eficàcia de la manteniment, sinó també un element fonamental de la gestió d'activos a tot el cicle de vida. S'haurien de implementar activament tecnologies avançades de detecció de corrosió i monitorització en temps real per avaluacions periòdiques i dirigides dels interruptors de mà a l'exterior i els seus accessoris.

3.2.4 Aplicar revestiments anti-corrosius d'alta prestació

Aplicar revestiments anti-corrosius de alta qualitat és una de les maneres més efectives d'inhibir la corrosió en l'equipament de la subestació. En els suports dels interruptors de mà, els revestiments amb excel·lent resistència a la permeabilitat de l'oxigen, l'humitat i els contaminants iònics poden aïllar eficientment la superfície metàl·lica dels agents corrosius. Aquests revestiments proporcionen una robusta protecció física, establint una primera línia de defensa fiable contra la degradació ambiental.

4. Conclusió

Basant-nos en un test exhaustiu i anàlisi del suport, la barra conductora i els contaminants de l'interruptor de mà de alta tensió a l'exterior de la subestació de 330 kV, es poden traure les següents conclusions:

(1) La causa principal de la fractura del suport és la fractura per corrosió sota tensió (SCC). La tensió de tracció desuniforme a la base del suport, combinada amb la corrosió de creuadura a la fessura lateral del ganxo sota condicions climàtiques variables, va accelerar la degradació del material i va acabar provocant la fractura.

(2) Les mesures de protecció recomanades inclouen l'instal·lació de closques d'isolament, l'aplicació de revestiments anticorrosius d'alt rendiment, la millora de les inspeccions rutinàries i la implementació d'un monitoratge sistemàtic de la corrosió. Per a llocs específics, s'hauria de desenvolupar una estratègia integral de mitigació de la corrosió adaptada al lloc per assegurar el funcionament segur, estable i fiable dels equips de la subestació.