Analyse der Rissbildung an Trägerklammern von Freiluft-Hochspannungs-Schaltisolatoren in einer Umspannanlage

Der Betriebsstatus und die Zuverlässigkeit von Geräten in Umspannwerken beeinflussen direkt die Sicherheit und Stabilität des Stromnetzes. Die meisten Geräte in Umspannwerken bestehen aus Metallkomponenten, die aus verschiedenen Materialien wie reinem Kupfer, Kohlenstoffstahl und rostfreiem Stahl hergestellt werden. Während langjähriger Betriebszeiten führt die Leistungsabnahme dieser metallischen Materialien oft zu Geräteausfällen, was erhebliche Risiken für den sicheren und stabilen Betrieb der Umspannwerke darstellt.

Ein typisches Beispiel sind Freiluft-Hochspannungsschalter. Ihre korrekte Funktion ist entscheidend – nicht nur für die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Stabilität der Energieversorgung im Umspannwerk, sondern auch, weil ihr Ausfall potenziell einen Zusammenbruch des gesamten Stromnetzes auslösen kann. Daher ist es von großer Bedeutung, die Ursachen häufiger Geräteausfälle in Umspannwerken aktiv zu analysieren und gezielte Schutzmaßnahmen vorzuschlagen.

1. Einführung in Freiluft-Hochspannungsschalter

Die Freiluft-Hochspannungsschalter in einem bestimmten 330 kV-Umspannwerk sind frühe Modelle der GW4-Serie, die von einer ehemaligen Hochspannungsschaltanlagenfabrik hergestellt wurden. Sie haben eine doppelsäulige horizontale Struktur mit links-rechts Symmetrie und bestehen aus einer Basis, Trägerklammern, Isolatoren und einer Hauptleiteranordnung. Die Hauptleiteranordnung umfasst flexible Verbindungen, Endklemmen, Leiterstäbe, Kontakte, Kontaktfedern und Regenschutzhüllen.

Im September 2017 stellten die Betreiber während routinemäßiger Wartungsarbeiten fest, dass einige dieser Freiluftschalter unterschiedlich starke Risse in ihren Trägerklammern aufwiesen, begleitet von schwerer Korrosion. Dies stellte während der manuellen Bedienung ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Folglich wurde eine makroskopische Untersuchung der Rissmorphologie durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine mikroskopische metallographische Analyse an Kontaminanten sowohl auf der Klemmenseite als auch auf der Endklemmseite der Trägerklammern durchgeführt. Zudem wurde ein Spektrometer verwendet, um die chemische Zusammensetzung der Trägerklammern, der Leiterstäbe und der zugehörigen Kontaminanten umfassend zu analysieren.

2. Prüfergebnisse der Risse in den Trägerklammern

2.1 Makroskopische Morphologie

Die Oberflächenbeschichtung der Trägerklammern der Schalter war abgeblättert, wodurch schwere Korrosion sichtbar wurde. Zwischen der Klammer und dem Leiterstab waren offensichtliche Korrosionsprodukte zu beobachten. Die Risse zeigten Merkmale eines spröden Bruchs, mit auf den Bruchflächen sichtbaren Keilformen ("Heringbonenmuster"). Die Rissursprung- und Ausbreitungsgebiete erschienen schwarz oder dunkelgrau.

Auslenkungsmessungen ergaben eine Verformung von 3,0 mm auf der Endklemmseiten und 2,0 mm auf der Klemmenseite, was eine signifikante strukturelle Verzerrung der Klammer bestätigte.

2.2 Mikroskopische Morphologie

Mikroskopische metallographische Analysen ergaben Schichtenstärken der Kontaminanten von 1,1–3,3 mm auf der Klemmenseite und 3,2–3,5 mm auf der Endklemmseiten der Trägerklammer.

2.3 Spektralanalyse

Spektrometrische Analysen der Trägerklammer, des Leiterstabes und der Kontaminanten ergaben die folgenden wesentlichen Befunde (siehe Tabelle 1):

• Die Trägerklammer enthielt 94,3 % Aluminium, was darauf hinweist, dass sie aus Gusseisen-Aluminium-Legierung hergestellt wurde.

• Der Leiterstab enthielt 92,7 % Kupfer sowie Spurenelemente, was seine Identifizierung als Kupferlegierungsrohr bestätigt.

• Die Kontaminanten enthielten ebenfalls 94,3 % Aluminium.

In feuchten atmosphärischen Bedingungen bilden Aluminium (aus der Klammer) und Kupfer (aus dem Leiterstab) eine galvanische Zelle, die eine elektrochemische (galvanische) Korrosionsreaktion auslöst. Dieser Prozess erzeugt aluminiumionenreiche Korrosionsprodukte, die als primäre Kontaminanten identifiziert wurden, die zur Materialdegradation und letztendlich zum Rissbildung führen.

3. Ursachenanalyse und Schutzmaßnahmen

3.1 Analyse der Ursachen für Risse im Halterungsträger

Im Allgemeinen kann das Versagen von Metallmaterial auf zwei Kategorien von Faktoren zurückgeführt werden:

• Interne Faktoren: in Bezug auf Materialqualität und Herstellungsprozesse;

• Externe Faktoren: in Bezug auf Einsatzbedingungen wie mechanische Belastung, Zeit, Temperatur und Umgebungsmedien.

3.1.1 Analyse interner Faktoren

In Stromnetzprojekten unterliegen metallische Komponenten vor ihrer Inbetriebnahme einer sorgfältigen Qualitätskontrolle, einschließlich der Materialzusammensetzung und der erwarteten Lebensdauer. Die Felderfahrung zeigt, dass Hochspannungs-Schaltvorrichtungen im Freien in harten Umgebungen arbeiten, und ihre Zuverlässigkeit wird hauptsächlich durch externe Einsatzbedingungen und nicht durch inhärente Materialdefekte bestimmt. Daher sind die beobachteten Risse im Halterungsträger dieser Schaltvorrichtung nicht auf eine schlechte Materialqualität zurückzuführen, sondern werden hauptsächlich durch den Umgebungseinfluss verursacht.

3.1.2 Analyse externer Faktoren

Die 330 kV-Umspannstation befindet sich in einer nordwestlichen Region mit einem typischen gemäßigten semi-ariden Klima, gekennzeichnet durch trockene Luft, reichlich Sonnenschein und große tägliche und jährliche Temperaturschwankungen. Die Winter sind lang und kalt mit minimaler Niederschlag, während die Sommer kurz aber heiß sind.

Der Aluminiumlegierungs-Halterungsträger der Schaltvorrichtung war ständig dieser harten atmosphärischen Umgebung ausgesetzt, unterworfen starken Winden, thermischem Zyklus, Eisbildung und gelegentlichen Regenfällen—Bedingungen, die sehr förderlich für Spannungsrisskorrosion (SCC) sind.

Spannungsrisskorrosion bezieht sich auf das spröde Bruchverhalten eines belasteten metallischen Bauteils in einer korrosiven Umgebung. Ihr Auftreten erfordert zwei wesentliche Bedingungen: Zugspannung und ein spezifisches korrosives Medium.

In diesem Fall:

• Es gibt Zugspannungen nach unten auf beiden Seiten der unteren Mittellinie des Trägers und nach oben in der Mitte, was zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung führt.

• Diese ungleichmäßige Belastung führt zu plastischer Verformung und Verschiebung in dem Metall, was die Initiation, Ausbreitung und den endgültigen Bruch durch SCC beschleunigt.

Der Träger besteht aus Gusseisen-Aluminiumlegierung. In Anwesenheit von Feuchtigkeit und flugstäubenden Staubpartikeln, die lösliche Verunreinigungen bilden, treten galvanische und Spaltkorrosion leicht auf—insbesondere an der Klammenseite, wo Wasser oder Eis sich ansammeln können.

Die synergetische Wirkung von Zugspannung und Korrosionsangriff führte letztendlich zu Rissen.

Makroskopisch zeigen SCC-Bruchflächen in der Regel schwarze oder grau-schwarze Rissursprungszonen und Ausbreitungsgebiete aufgrund von Korrosion, wobei plötzliche spröde Bruchbereiche radiale Muster oder Keilmarkierungen ("Heringbone") aufweisen—genau wie die beobachtete Bruchmorphologie des Halterungsträgers. Dies bestätigt stark, dass das Versagensmechanismus Spannungsrisskorrosion war.

3.2 Schutzmaßnahmen gegen Risse im Halterungsträger

Als am häufigsten vorkommende Ausrüstungsart in Umspannstationen sind Außen-Schaltvorrichtungen bei langfristigem Betrieb in offener Umgebung signifikanten Risiken ausgesetzt—insbesondere mit der zunehmenden Einsetzung unbemannter Umspannstationen, die eine höhere Zuverlässigkeit erfordern. Die folgenden vier Schutzstrategien werden vorgeschlagen:

3.2.1 Installieren von Schutzgehäusen

Da Außen-Schaltvorrichtungen direkt den atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt sind—und besonders anfällig in extremen Klimazonen (z.B. alpine Kälte, hohe Hitze, Küstensalinität oder Vereisungszonen)—kann die Installation von Isolierschutzschildern oder -gehäusen eine kontrollierte Mikroumgebung schaffen, die Korrosion erheblich reduziert.

3.2.2 Intensivierung routinemäßiger Inspektionen

Angesichts der Tatsache, dass eine ungleichmäßige Spannungsverteilung in Verbindung mit harten Umweltbedingungen SCC auslöste, müssen Betreiber die visuellen und mechanischen Inspektionen kritischer Komponenten—insbesondere der Basisstützen und Klammerstrukturen—intensivieren, um frühe Anzeichen von Verformung, Korrosion oder Rissen zu erkennen und sekundäre Schäden oder Sicherheitsvorfälle zu verhindern.

3.2.3 Verstärkung der Korrosionsüberwachung

Die Zustandsüberwachung von Umspannstationseinrichtungen ist nicht nur ein effizientes Mittel zur Verbesserung der Wartungseffektivität, sondern auch ein Eckpfeiler der vollständigen Lebenszyklus-Asset-Verwaltung. Fortgeschrittene Korrosionsdetektion und Echtzeit-Überwachungstechnologien sollten aktiv eingesetzt werden, um periodische, zielgerichtete Bewertungen von Außen-Schaltvorrichtungen und deren Zubehör durchzuführen.

3.2.4 Anwenden hochwertiger Korrosionsschutzbeschichtungen

Das Anwenden hochwertiger Korrosionsschutzbeschichtungen ist eine der wirksamsten Methoden, um Korrosion an Umspannstationseinrichtungen zu hemmen. Bei Halterungsträgern von Schaltvorrichtungen können Beschichtungen mit ausgezeichneter Widerstandsfähigkeit gegenüber Durchdringung durch Sauerstoff, Feuchtigkeit und ionische Verunreinigungen das Metall effektiv von korrosiven Substanzen isolieren. Solche Beschichtungen bieten robusten physischen Barrierschutz und etablieren eine zuverlässige erste Verteidigungslinie gegen Umweltverschleiß.

4. Schlussfolgerung

Basierend auf einer umfassenden Prüfung und Analyse des Halterungsträgers, des Leiterrohres und der Verunreinigungen der 330 kV-Außenschaltvorrichtung der Umspannstation werden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen:

(1) Die Hauptursache für die Risse im Halterungsträger ist Spannungsrisskorrosion (SCC). Ungleichmäßige Zugspannung an der Basis des Trägers, kombiniert mit Spaltkorrosion in der Klammerlücke unter wechselnden klimatischen Bedingungen, beschleunigte das Materialversagen und führte letztendlich zum Bruch.

(2) Empfohlene Schutzmaßnahmen umfassen die Installation von Isoliergehäusen, die Anwendung von hochleistungsfähigen Korrosionsschutzbeschichtungen, die Intensivierung der regelmäßigen Inspektionen und die Einführung eines systematischen Korrosionsüberwachungsprogramms. Für spezifische Standorte sollte eine umfassende, standortspezifische Korrosionsminderungsstrategie entwickelt werden, um den sicheren, stabilen und zuverlässigen Betrieb der Umspannwerksausrüstung sicherzustellen.