Analýza trhlin v podpěrných závěsách venkovních vysokovoltových odpojovačů v elektrárně

Funkční stav a spolehlivost zařízení v elektrárnách přímo ovlivňují bezpečnost a stabilitu elektrické sítě. Většina zařízení v elektrárnách se skládá z kovových komponent různých materiálů, jako je čistý měď, uhlíková ocel a nerezová ocel. Během dlouhodobého provozu dochází k degradaci vlastností těchto kovových materiálů, což často vedje k poruchám zařízení a představuje významné riziko pro bezpečný a stabilní provoz elektráren.

Vynikajícím příkladem jsou venkovní vysokonapěťové odpojovače. Jejich správné fungování je klíčové nejen pro spolehlivost, bezpečnost a stabilitu dodávky elektrické energie v elektrárnách, ale také proto, že jejich selhání může potenciálně vyvolat kolaps celé elektrické sítě. Proto má velký význam aktivně analyzovat hlavní příčiny běžných poruch zařízení v elektrárnách a navrhovat cílená ochranná opatření.

1. Úvod do venkovních vysokonapěťových odpojovačů

Venkovní vysokonapěťové odpojovače v určitém 330 kV podpůrném uzlu jsou staršími modely sérií GW4 vyrobenými bývalou továrnou na vysokonapěťové přepínací zařízení. Mají dvojsloupovou horizontální strukturu s symetrií zleva doprava a skládají se z podložky, nosných závorek, izolátorů a hlavního vodiče. Hlavní vodič zahrnuje pružné spoje, koncové svorky, vodičové tyče, kontakty, kontaktové prsty, pružiny a ochrany proti dešti.

V září 2017 bylo během rutinní údržby zjištěno, že některé z těchto venkovních odpojovačů mají v nosných závorách různé stupně trhlin spolu s vážnou korozí. To představovalo závažné bezpečnostní riziko při ručním ovládání. Jako následek byla provedena makroskopická zkouška morfologie trhlin. Kromě toho byla provedena mikroskopická metalografická analýza kontaminantů shromážděných z obou stran nosných závorek – ze strany svorky i terminálové strany. Dále byl použit spektrometr pro komplexní analýzu chemického složení nosných závorek, vodičových tyčí a přidružených kontaminantů.

2. Výsledky kontroly trhlin v nosných závorách

2.1 Makroskopická morfologie

Povrchové pokrytí nosných závorek odpojovačů se odtrhlo, což odhalilo vážnou korozí. Mezi závorou a vodičovou tyčí byly pozorovány zřetelné produkty korozí. Trhliny měly charakter britského zlomu s viditelnými hranami ve tvaru písmene V („housenkový“ vzor). Původ a zóny šíření trhlin byly černé nebo tmavě šedé.

Měření deflexe ukázalo deformaci 3,0 mm na straně terminálové desky a 2,0 mm na straně svorky, což potvrzuje významnou strukturální deformaci závory.

2.2 Mikroskopická morfologie

Mikroskopická metalografická analýza odhalila tloušťku vrstvy kontaminantů 1,1–3,3 mm na straně svorky a 3,2–3,5 mm na straně terminálové desky nosných závorek.

2.3 Spektrální analýza

Spektrometrická analýza nosných závorek, vodičových tyčí a kontaminantů přinesla následující klíčové zjištění (viz Tabulka 1):

• Nosná závora obsahovala 94,3 % hliníku, což naznačuje, že byla vyrobena z litinové hliníkové slitiny.

• Vodičová tyč obsahovala 92,7 % mědi spolu s stopovými prvky, což potvrzuje, že jde o trubkovou měděnou slitinu.

• Kontaminanty obsahovaly také 94,3 % hliníku.

V vlhkých atmosferických podmínkách tvoří hliník (z závory) a měď (z vodičové tyče) galvanický párový článek, který iniciuje elektrochemickou (galvanickou) reakci korozí. Tento proces vytváří produkty korozí bohaté na hliníkové iony – identifikované jako hlavní kontaminant vedoucí k degradaci materiálu a konečnému trhnutí.

3. Analýza příčin a ochranná opatření

3.1 Analýza příčin praskání podpěrného držáku

Obecně lze selhání kovových materiálů připsat dvěma kategoriím faktorů:

• Interní faktory: související s kvalitou materiálu a výrobními procesy;

• Externí faktory: související s provozními podmínkami, jako jsou mechanické zatěžování, čas, teplota a prostředí.

3.1.1 Analýza interních faktorů

V elektřinářských projektech podléhají kovové komponenty před nasazením striktním kontrolem kvality, včetně složení materiálu a očekávané životnosti. Zkušenosti v terénu ukazují, že venkovní vysokonapěťové odpojovače fungují v náročném prostředí a jejich spolehlivost je hlavně ovlivněna externími provozními podmínkami, nikoli vnitřními vadami materiálu. Proto praskání podpěrného držáku tohoto odpojovače není způsobeno špatnou kvalitou materiálu, ale je primárně ovlivněno expozicí na prostředí.

3.1.2 Analýza externích faktorů

330 kV pobočka se nachází v severozápadní oblasti s typickým temperátním polopouštním klimatem, charakterizovaným suchým vzduchem, hojným slunečním svitem a velkými denními a ročními kolísáními teplot. Zimy jsou dlouhé a chladné s minimálními srážkami, zatímco léta jsou krátká, ale horká.

Aluminiumový podpěrný držák odpojovače byl neustále expozován tomuto náročnému atmosférickému prostředí, vystaven silným větrům, termickým cyklům, akumulaci ledu a občasným dešťům – podmínky, které jsou velmi vhodné pro praskání způsobené korozí pod napětím (SCC).

SCC označuje křehké rozštěpení namáhané kovové komponenty v korozním prostředí. Jeho vznik vyžaduje dva zásadní podmínky: tahové napětí a specifické korozní prostředí.

V tomto případě:

• Tahová napětí existují dolů na obou stranách spodní středové linie držáku a nahoru uprostřed, což vede k nerovnoměrnému rozdělení napětí.

• Toto nerovnoměrné zatěžování způsobuje plastické deformace a posun dislokací v kovu, což urychluje iniciaci, šíření a konečné rozštěpení SCC.

Držák je vyroben z litiny hliníkové slitiny. V přítomnosti vlhkosti a letitého prachu, který tvoří rozpustné kontaminanty, snadno dochází ke galvanické a mezerní korozí – zejména na straně klece, kde se může shromažďovat voda nebo led.

Synergetický efekt tahového napětí a korozního útoku nakonec vedl k praskání.

Makroskopicky mají povrchy praskání SCC černé nebo tmavě šedé počáteční body a zóny šíření praskání kvůli korozí, s náhlými křehkými oblastmi, které ukazují radiální vzory nebo šipkové ("housenkové") značky – což přesně odpovídá pozorované morfologii praskání držáku odpojovače. To pevně potvrzuje, že mechanismus selhání byl praskání způsobené korozí pod napětím.

3.2 Ochranná opatření proti praskání držáku

Jako nejpočetnější typ zařízení v pobočkách, venkovní odpojovače čelí významným rizikům při dlouhodobém fungování v expozovaném prostředí – zejména s rostoucím nasazováním bezosazených poboček, které vyžadují vyšší spolehlivost. Navrhujeme následující čtyři ochranné strategie:

3.2.1 Instalace ochranných obalů

Protože venkovní odpojovače jsou přímo expozovány atmosférickým podmínkám – a jsou zvláště zranitelné v extrémních klimatických podmínkách (např. horské chlad, vysoké teplo, pobřežní slanost nebo oblasti s nastudnutím) – instalace izolačních štítů nebo ochranných obalů může vytvořit kontrolované mikroprostředí, což významně sníží korozní útok.

3.2.2 Zlepšení pravidelných inspekcí

Vzhledem k tomu, že nerovnoměrné rozdělení napětí v kombinaci s náročnými provozními podmínkami způsobilo SCC, musí operátoři zintenzivnit vizuální a mechanické kontroly klíčových komponent – zejména podpěrných nosníků a klecí – aby detekovali předčasné známky deformace, korozí nebo praskání a zabránili sekundárnímu poškození nebo bezpečnostním incidentům.

3.2.3 Zlepšení monitorování korozí

Monitorování stavu zařízení v pobočkách není jen efektivním způsobem, jak zlepšit efektivitu údržby, ale také základem plnohodnotného řízení celoživotního cyklu majetku. By měly být aktivně nasazeny pokročilé technologie pro detekci korozí a jejich reálné časové monitorování pro pravidelné, cílené hodnocení venkovních odpojovačů a jejich příslušenství.

3.2.4 Použití vysokovýkonných protikorozních nátěrů

Použití vysokokvalitních protikorozních nátěrů je jedním z nejefektivnějších způsobů, jak inhibovat korozí na zařízení v pobočkách. Na podpěrných držácích odpojovačů mohou nátěry s vynikající odolností vůči permeaci kyslíkem, vlhkostí a iontovými kontaminanty efektivně izolovat povrch kovu od korozních činitelů. Takové nátěry poskytují robustní fyzickou barierovou ochranu, vytvářejí spolehlivou první linii obrany proti degradaci prostředím.

4. Závěr

Na základě komplexních testů a analýz podpěrného držáku, vodiče a kontaminantů z venkovního vysokonapěťového odpojovače 330 kV pobočky jsou dány následující závěry:

(1) Hlavní příčinou praskání podpěrného držáku je praskání způsobené korozí pod napětím (SCC). Nerovnoměrné tahové napětí u základny držáku, spojené s mezerní korozí v mezerech klece pod kolísajícími klimatickými podmínkami, urychlily degradaci materiálu a nakonec vedly k praskání.

(2) Doporučené ochranné opatření zahrnují instalaci izolačních obalů, použití vysokovýkonných protikorozních nátěrů, posílení pravidelných prohlídek a implementaci systémového monitoringu korozního poškození. Pro specifická místa by měla být vypracována komplexní strategie snižování korozního poškození specifická pro dané místo, aby bylo zajištěno bezpečné, stabilní a spolehlivé fungování zařízení v elektrárně.