Analyse af sprækker i støttebjælke i udendørs højspændingsafkoblingsanordninger på en understation

Driftsstatus og -fiabilitet af udstyr i understationer har direkte indflydelse på sikkerheden og stabiliteten af kraftnettet. Mest udstyr i understationer består af metaldele lavet af forskellige materialer som rent kobber, kulstål og rustfrit stål. Under langvarig drift kan ydedygtighedsnedgang af disse metaller ofte føre til udstyrssvigt, hvilket udgør en betydelig risiko for den sikre og stabile drift af understationerne.

Udendørs højspændingsafkoblere er et typisk eksempel. Deres korrekte funktion er afgørende – ikke blot for fiabiliteten, sikkerheden og stabiliteten af strømforsyningen i understationen, men også fordi deres fejl kan potentielt udløse et sammenbrud af hele kraftnettet. Derfor er det af stor betydning aktivt at analysere de grundlæggende årsager til almindelige udstyrssvigte i understationer og foreslå målrettede beskyttelsesforanstaltninger.

1. Introduktion til udendørs højspændingsafkoblere

De udendørs højspændingsafkoblere i en bestemt 330 kV understation er tidligere modeller af GW4-serien produceret af en tidligere højspændingsafkoblingsfabrik. De har en dobbeltkolonne-horisontal struktur med venstre-højre symmetri og består af en base, støttebjælke, isolatorer og en hovedledningsmontage. Hovedledningsmontagen inkluderer fleksible forbindelser, terminalklamper, ledningsstænger, kontakter, kontaktfinger, fjeder og regnskygger.

I september 2017 opdagede operatører under rutinemæssig vedligeholdelse, at nogle af disse udendørs afkoblere havde forskellig grad af sprækning i støttebjælken, sammen med alvorlig korrosion. Dette udgjorde en alvorlig sikkerhedshindre under manuel operation. Der blev derfor foretaget en makroskopisk undersøgelse af sprækningens morfologi. Desuden blev mikroskopiske metallografiske analyser udført på forureningssubstanster, der var samlet fra både klamp-siden og terminal-siden af støttebjælken. Yderligere blev en spektrometer anvendt til en omfattende analyse af de kemiske sammensætninger i støttebjælken, ledningsstangen og de associerede forureningssubstanster.

2. Inspektionsresultater for støttebjælkens sprækning

2.1 Makroskopisk morfologi

Overfladebelægningen på afkoblernes støttebjælke havde løsnet, hvilket afslørede alvorlig korrosion. Tydelige korrosionsprodukter blev observeret mellem støttebjælken og ledningsstangen. Sprækningerne viste karakteristika af brittelt brud, med pilet ("haleben") mønstre synlige på brudsurface. Oprindelsen og spredningszonerne for sprækningen så sort eller mørkegrå ud.

Afbøjningsmålinger viste en deformation på 3,0 mm på terminalpladesiden og 2,0 mm på klampsiden, hvilket bekræftede en betydelig strukturel forvrængning af støttebjælken.

2.2 Mikroskopisk morfologi

Mikroskopiske metallografiske analyser afslørede forureningsskiktykkelse på 1,1-3,3 mm på klampsiden og 3,2-3,5 mm på terminalpladesiden af støttebjælken.

2.3 Spektralanalyse

Spektrometrisk analyse af støttebjælken, ledningsstangen og forureningssubstanster resulterede i følgende vigtige fund (se tabel 1):

• Støttebjælken indeholdt 94,3% aluminium, hvilket angav, at den var lavet af gøs aluminiumlegering.

• Ledningsstangen indeholdt 92,7% kobber, sammen med spor elementer, hvilket bekræftede, at det var en kobberlegeringsrør.

• Forureningssubstansterne indeholdt også 94,3% aluminium.

Under fugtige atmosfæriske forhold danner aluminium (fra støttebjælken) og kobber (fra ledningsstangen) en galvanisk par, hvilket udløser en elektrokemisk (galvanisk) korrosionsreaktion. Denne proces genererer aluminium-ion-rige korrosionsprodukter – identificeret som den primære forureningsstof, der forårsager materialedegrad og eventuelle sprækninger.

3. Årsagsanalyse og beskyttelsesforanstaltninger

3.1 Analyse af årsager til sprækning i støttebjælke

Generelt kan metalmaterialers mislykkede funktionalitet tilskrives to kategorier af faktorer:

• Interne faktorer: relateret til materialekvalitet og produktionssystemer;

• Eksterne faktorer: relateret til anvendelsesbetingelser som mekanisk belastning, tid, temperatur og miljømedier.

3.1.1 Analyse af interne faktorer

I strømnetprojekter gennemgår metaldele typisk omfattende kvalitetskontroller - herunder materialekomposition og forventet levetid - før de sættes i brug. Erfaringer fra feltet viser, at udendørs højspændingsafbrydere opererer under hårde forhold, og deres pålidelighed styres primært af eksterne anvendelsesbetingelser snarere end indbyggede materialedefekter. Derfor skyldes den observerede sprækning i denne afbryders støttebjælke ikke dårlig materialekvalitet, men er primært drevet af miljøeksponering.

3.1.2 Analyse af eksterne faktorer

Den 330 kV understation er placeret i en nordvestlig region med et typisk tempereret semi-tørkede klima - karakteriseret ved tørt luft, rigelig sollys og store diurnale og årlige temperatursvajninger. Vinteren er lang og kold med minimal nedbør, mens sommeren er kort, men varm.

Aluminiumslegerningsstøttebjælken i afbryderen har været udsat for dette hårde atmosfæriske miljø, udsat for stærke vind, termiske cyklusser, isakkumulation og lejlighedsvis nedbør - forhold, der er højst gunstige for spændingstro corrosion (SCC).

SCC refererer til brittle brud af en spændt metalkomponent i et korrosivt miljø. Dets forekomst kræver to essentielle betingelser: spændingsspænd og et specifikt korrosivt medium.

I dette tilfælde:

• Spændingsspænd findes nedad på begge sider af støttebjælkens bundcentrallinje og opad i midten, hvilket resulterer i ulige spændingsfordeling.

• Denne ulige belastning inducerer plastisk spænding og dislokationsslip i metallet, hvilket øger SCC's initiering, udbredelse og endelige brud.

Støttebjælken er lavet af formet aluminiumslegerning. I tilstedeværelsen af fugt og luftbårne støvpartikler, der dannes løselige forurenere, finder galvanisk og kløfterrosion nemt sted - især i klemmesiden kløften, hvor vand eller is kan akkumuleres.

Synergien mellem spændingsspænd og korrosiv angreb førte sidstnævnt til sprækning.

Makroskopisk viser SCC-bruds overflader typisk sorte eller gråsorte brudstartpunkter og udbredelseszoner pga. korrosion, med pludselige brittlege brudsområder, der viser radielle mønstre eller skildpadde ("hvidfisk") mærker - præcis matchende den observerede brudmorfologi af afbryderstøttebjælken. Dette bekræfter stærkt, at fejlmechanismen var spændingstro corrosion.

3.2 Beskyttelsesforanstaltninger mod støttebjælke-sprækning

Som det mest talrige udstyrstype i understationer, står udendørs afbrydere over for betydelige risici, når de opererer længere tid i eksponerede miljøer - især med den øgede installation af ubemandede understationer, der kræver højere pålidelighed. De følgende fire beskyttelsesstrategier foreslås:

3.2.1 Installér beskyttelsesbeholder

Da udendørs afbrydere er direkte udsat for atmosfæriske forhold - og særdeles sårbare i ekstreme klimaer (fx alpine kolde, høje temperaturer, kystsalinitet eller iszoner) - kan installation af isolations skjolde eller beskyttelsesbeholdere skabe et kontrolleret mikromiljø, der betydeligt nedsætter korrosion.

3.2.2 Forbedr rutinerede inspektioner

Eftersom ulige spændingsfordeling kombineret med hårde miljøbetingelser udløste SCC, skal operatører intensivere visuelle og mekaniske inspektioner af kritiske komponenter - især basestøtter og klemmekonstruktioner - for at opdage tidlige tegn på deformation, korrosion eller sprækning og forhindre sekundære skader eller sikkerhedshændelser.

3.2.3 Styrk korrosionsovervågning

Tilstandsovervågning af understationsudstyr er ikke kun en effektiv måde at forbedre vedligeholdelseseffektiviteten, men også en grundpille i fuld livscyklus aktivforvaltning. Avancerede korrosionsdetektion og realtidsovervågningsteknologier bør aktivt implementeres for periodisk, målrettet vurdering af udendørs afbrydere og deres tilbehør.

3.2.4 Anvend højytrende antikorrosionsbelægninger

Anvendelse af højkvalitets antikorrosionsbelægninger er en af de mest effektive måder at inhibere korrosion på understationsudstyr. På afbryderstøttebjælker kan belægninger med fremragende modstand mod oksygen-, fugt- og ionisk forureningsindtrængen effektivt isolere metaloverfladen fra korrosive agenser. Sådanne belægninger yder robust fysisk barrierebeskyttelse, der etablerer en pålidelig første linje af forsvar mod miljønedbrydning.

4. Konklusion

Baseret på en omfattende test og analyse af støttebjælken, ledningen og forurenere fra 330 kV understations udendørs højspændingsafbryder, drages følgende konklusioner:

(1) Den primære årsag til sprækning i støttebjælken er spændingstro corrosion (SCC). Ulige spændingsspænd i støttebjælkens base, kombineret med kløfterrosion i klemmesiden under variabelt klima, accelererede materialedegradering og førte til sidst til brud.

(2) Anbefalede beskyttelsesforanstaltninger inkluderer installation af isolationskabinetter, anvendelse af højtydende korrosionsbeskyttelsesbelægninger, forbedring af rutinekontroller og implementering af systematisk korrosionsovervågning. For specifikke steder bør der udvikles en omfattende stedsspecifik strategi til reduktion af korrosion for at sikre sikkert, stabil og pålidelig drift af anlægsudstyr.