Ανάλυση των Ραγδαιοποιήσεων στους Στήριγγες Υποστήριξης σε Εξωτερικούς Υψηλής Τάσης Αποσυνενώσεις σε Υποσταθμό

Η λειτουργική κατάσταση και η αξιοπιστία των εξοπλισμών μέσα στα υποσταθμιακά εγκαταστήματα επηρεάζουν άμεσα την ασφάλεια και σταθερότητα του δικτύου. Ο περισσότερος εξοπλισμός των υποσταθμιακών αποτελείται από μεταλλικά συστατικά, όπως καθαρό χαλκό, άνθρακα χάλυβα και ανοξείδωτο χάλυβα. Κατά τη διάρκεια της μακροχρόνιας λειτουργίας, η μείωση της απόδοσης αυτών των μεταλλικών υλικών συχνά οδηγεί σε αποτυχίες του εξοπλισμού, προκαλώντας σημαντικά προβλήματα για την ασφαλή και σταθερή λειτουργία των υποσταθμιακών.

Ένα καταλληλό παράδειγμα είναι οι εξωτερικοί υψηλής τάσης αποσυνεννοϊστές. Η ορθή λειτουργία τους είναι κρίσιμη, όχι μόνο για την αξιοπιστία, την ασφάλεια και τη σταθερότητα της ενεργειακής παροχής των υποσταθμιακών, αλλά και επειδή η αποτυχία τους μπορεί να οδηγήσει στην κατάρρευση ολόκληρου του δικτύου. Συνεπώς, είναι πολύ σημαντικό να αναλύσουμε ενεργά τις βασικές αιτίες των συνηθισμένων αποτυχιών του εξοπλισμού στα υποσταθμιακά και να προτείνουμε στοχευμένα μέτρα προστασίας.

1. Εισαγωγή στους Εξωτερικούς Υψηλής Τάσης Αποσυνεννοϊστές

Οι εξωτερικοί υψηλής τάσης αποσυνεννοϊστές σε ένα συγκεκριμένο υποσταθμιακό 330 kV είναι πρώιμα προϊόντα της σειράς GW4, κατασκευασμένα από έναν πρώην εργοστάσιο υψηλής τάσης. Διαθέτουν διπλή στήλη και οριζόντια δομή με συμμετρία αριστερά-δεξιά και αποτελούνται από βάση, στήριγμα, επιστρώσεις και κύριο διαγωνιστικό σύνολο. Το κύριο διαγωνιστικό σύνολο περιλαμβάνει ελαστικές συνδέσεις, κλειδώματα, διαγωνιστικά σκυροδέτα, επαφές, δάχτυλα επαφής, ελατήρια και φύλακες βροχής.

Τον Σεπτέμβριο 2017, κατά τη διάρκεια της συνήθους συντήρησης, οι τεχνικοί ανακάλυψαν ότι κάποιοι από αυτούς τους εξωτερικούς αποσυνεννοϊστές είχαν διαφορετικά επίπεδα σπασμάτων στα στηρίγματά τους, συνοδευόμενα από σοβαρή σήψη. Αυτό θέτει σοβαρό κίνδυνο κατά την χειροκίνητη λειτουργία. Συνεπώς, πραγματοποιήθηκε μια μακροσκοπική εξέταση της μορφής των σπασμάτων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μικροσκοπική μεταλλογραφική ανάλυση σε ρυπαντικά συστατικά που συλλέχθηκαν από την πλευρά του κλειδώματος και της πλατφόρμης των στηριγμάτων. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε ένα φασματομετρικό σύστημα για μια ολοκληρωμένη ανάλυση της χημικής σύστασης των στηριγμάτων, των διαγωνιστικών σκυροδέτων και των συνδεδεμένων ρυπαντικών συστατικών.

2. Αποτελέσματα Ελέγχου των Σπασμάτων των Στηριγμάτων

2.1 Μακροσκοπική Μορφή

Η επιφανειακή επένδυση των στηριγμάτων των αποσυνεννοϊστών είχε αποπέσει, αποκαλύπτοντας σοβαρή σήψη. Παρατηρήθηκαν σαφή προϊόντα σήψης μεταξύ του στηρίγματος και του διαγωνιστικού σκυροδέτου. Τα σπάσματα είχαν χαρακτηριστικά κατάρρευσης σε βρεγματική κατάσταση, με σημαντικά σχήματα "herringbone" στις επιφάνειες των σπασμάτων. Η πηγή και η περιοχή εξάπλωσης των σπασμάτων είχαν μαύρο ή σκούρο γκρι χρώμα.

Μετρήσεις καμπυλότητας έδειξαν μια καμπυλότητα 3,0 mm στην πλευρά της πλατφόρμης και 2,0 mm στην πλευρά του κλειδώματος, επιβεβαιώνοντας σημαντική δομική διατάραξη του στηρίγματος.

2.2 Μικροσκοπική Μορφή

Η μικροσκοπική μεταλλογραφική ανάλυση αποκάλυψε ότι η πάχος των στρωμάτων ρυπαντικών συστατικών ήταν 1,1-3,3 mm στην πλευρά του κλειδώματος και 3,2-3,5 mm στην πλευρά της πλατφόρμης του στηρίγματος.

2.3 Φασματομετρική Ανάλυση

Η φασματομετρική ανάλυση του στηρίγματος, του διαγωνιστικού σκυροδέτου και των ρυπαντικών συστατικών έδωσε τα εξής βασικά αποτελέσματα (βλ. Πίνακα 1):

• Το στήριγμα περιείχε 94,3% αλουμίνιο, δείχνοντας ότι ήταν κατασκευασμένο από ζεστοπλαστικό σύνθετο αλουμινίου.

• Ο διαγωνιστικός σκυρόδετος περιείχε 92,7% χαλκό, μαζί με ίχνη άλλων στοιχείων, επιβεβαιώνοντας ότι ήταν ένας σωλήνας χαλκού.

• Τα ρυπαντικά συστατικά περιείχαν επίσης 94,3% αλουμίνιο.

Σε υγρανατμόσφαιρα, το αλουμίνιο (από το στήριγμα) και το χαλκό (από τον διαγωνιστικό σκυρόδετο) σχηματίζουν έναν γαλβανικό συνδεδεμένο, προκαλώντας μια ηλεκτροχημική (γαλβανική) αντίδραση σήψης. Αυτή η διαδικασία παράγει προϊόντα σήψης πλούσια σε ιόντα αλουμινίου, τα οποία αναγνωρίζονται ως ο κύριος ρυπαντικός παράγοντας που προκαλεί την κατάρρευση των υλικών και τελικά τα σπάσματα.

3. Ανάλυση Αιτίας και Προστατευτικά Μέτρα

3.1 Ανάλυση των Αιτιών Ρωγμών στο Στηρίγματος

Γενικά, η αποτυχία ενός μεταλλικού υλικού μπορεί να αποδοθεί σε δύο κατηγορίες παραγόντων:

• Εσωτερικοί παράγοντες: σχετικοί με την ποιότητα του υλικού και τις διεργασίες κατασκευής·

• Εξωτερικοί παράγοντες: σχετικοί με τις συνθήκες λειτουργίας, όπως οι μηχανικές φορτίσεις, ο χρόνος, η θερμοκρασία και τα περιβαλλοντικά μέσα.

3.1.1 Ανάλυση Εσωτερικών Παραγόντων

Σε έργα ηλεκτρικού δικτύου, τα μεταλλικά εξαρτήματα υπόκεινται συνήθως σε αυστηρούς ελέγχους ποιότητας—συμπεριλαμβανομένης της σύνθεσης του υλικού και της αναμενόμενης διάρκειας ζωής—πριν από την εγκατάστασή τους. Η πεδίου εμπειρία δείχνει ότι οι εξωτερικοί διακόπτες υψηλής τάσης λειτουργούν σε δυσμενείς συνθήκες, και η αξιοπιστία τους καθορίζεται κυρίως από τις εξωτερικές συνθήκες λειτουργίας παρά από ενδογενείς ελαττώματα υλικού. Ως εκ τούτου, οι ρωγμές που παρατηρήθηκαν στο στήριγμα αυτού του διακόπτη δεν οφείλονται σε κακή ποιότητα υλικού, αλλά κυρίως στην εκτίθεση στο περιβάλλον.

3.1.2 Ανάλυση Εξωτερικών Παραγόντων

Ο μετασχηματιστής 330 kV βρίσκεται σε μια βορειοδυτική περιοχή με τυπικό ημίξηρο ψυχρό κλίμα—χαρακτηριζόμενο από ξηρό αέρα, άφθονο ηλιοφάνεια και μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της ημέρας και του έτους. Οι χειμώνες είναι μακριοί και κρύοι με ελάχιστες βροχοπτώσεις, ενώ τα καλοκαίρια είναι σύντομα αλλά ζεστά.

Το στήριγμα από κράμα αλουμινίου του διακόπτη εκτίθεται συνεχώς σε αυτό το σκληρό ατμοσφαιρικό περιβάλλον, υπόκειται σε ισχυρούς ανέμους, θερμικές κυμάνσεις, συσσώρευση πάγου και περιστασιακές βροχές—συνθήκες ιδιαίτερα ευνοϊκές για την πιθανή εμφάνιση ρωγμών λόγω ενεργού διάβρωσης (SCC).

Η SCC αναφέρεται στο ψαθυρό θραύση ενός υπό εφελκυστική τάση μεταλλικού εξαρτήματος σε διαβρωτικό περιβάλλον. Για να συμβεί απαιτούνται δύο απαραίτητες συνθήκες: εφελκυστική τάση και ένα συγκεκριμένο διαβρωτικό μέσο.

Στη συγκεκριμένη περίπτωση:

• Υπάρχουν εφελκυστικές τάσεις προς τα κάτω στις δύο πλευρές της κάτω μέσης γραμμής του στηρίγματος και προς τα πάνω στο κέντρο, με αποτέλεσμα μη ομοιόμορφη κατανομή τάσης.

• Αυτή η μη ομοιόμορφη φόρτιση προκαλεί πλαστική παραμόρφωση και ολίσθηση διαταραχών στο μέταλλο, επιταχύνοντας την έναρξη, τη διάδοση και τελικά τη θραύση της SCC.

Το στήριγμα κατασκευάζεται από χυτό κράμα αλουμινίου. Παρουσία υγρασίας και αιωρούμενων σωματιδίων σκόνης που σχηματίζουν διαλυτά ρύπους, εύκολα εμφανίζονται γαλβανικές και διάβρωση σε ρωγμές—ιδιαίτερα στο κενό πλευράς σφιγκτήρα, όπου μπορεί να συσσωρευτεί νερό ή πάγος.

Η συνεργική επίδραση της εφελκυστικής τάσης και της διάβρωσης οδήγησε τελικά στη ρωγμάτωση.

Μακροσκοπικά, οι επιφάνειες θραύσης λόγω SCC εμφανίζουν συνήθως μαύρες ή γκρίζες-μαύρες περιοχές προέλευσης και διάδοσης ρωγμών λόγω διάβρωσης, με ξαφνικές ψαθυρές περιοχές θραύσης που εμφανίζουν ακτινικά μοτίβα ή σημάδια «μικρού αρουραίου»—ακριβώς όπως η παρατηρούμενη μορφολογία θραύσης του στηρίγματος του διακόπτη. Αυτό επιβεβαιώνει σαφώς ότι ο μηχανισμός αποτυχίας ήταν ρωγμάτωση λόγω ενεργού διάβρωσης.

3.2 Προστατευτικά Μέτρα Αντιμετώπισης Ρωγμάτων στο Στήριγμα

Ως ο πιο πολυάριθμος τύπος εξοπλισμού στους μετασχηματιστές, οι εξωτερικοί διακόπτες αντιμετωπίζουν σημαντικούς κινδύνους όταν λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε ανοιχτά περιβάλλοντα—ιδιαίτερα με την αυξανόμενη εγκατάσταση αυτόματων μετασχηματιστών, οι οποίοι απαιτούν υψηλότερη αξιοπιστία. Προτείνονται οι ακόλουθες τέσσερις στρατηγικές προστασίας:

3.2.1 Εγκατάσταση Προστατευτικών Καλυμμάτων

Δεδομένου ότι οι εξωτερικοί διακόπτες εκτίθενται απευθείας σε ατμοσφαιρικές συνθήκες—και είναι ιδιαίτερα ευάλωτοι σε ακραία κλίματα (π.χ. ψύχρα υψηλών βουνών, υψηλές θερμοκρασίες, παράκτια αλμυρότητα ή ζώνες παγετού)—η εγκατάσταση προστατευτικών φραγμών ή καλυμμάτων μπορεί να δημιουργήσει ένα ελεγχόμενο μικροπεριβάλλον, μειώνοντας σημαντικά τη διάβρωση.

3.2.2 Ενίσχυση των Τακτικών Ελέγχων

Δεδομένου ότι η μη ομοιόμορφη κατανομή τάσης σε συνδυασμό με δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες προκάλεσε SCC, οι χειριστές πρέπει να εντείνουν τους οπτικούς και μηχανικούς ελέγχους σε κρίσιμα εξαρτήματα—ιδιαίτερα στα βασικά στηρίγματα και τις δομές σφιγκτήρων—για να ανιχνεύσουν πρώιμα σημάδια παραμόρφωσης, διάβρωσης ή ρωγμάτων και να αποτρέψουν δευτερογενείς βλάβες ή ατυχήματα.

3.2.3 Ενίσχυση της Παρακολούθησης Διάβρωσης

Η παρακολούθηση της κατάστασης του εξοπλισμού του μετασχηματιστή δεν είναι μόνο αποτελεσματικός τρόπος βελτίωσης της αποτελεσματικότητας συντήρησης, αλλά και βασικό στοιχείο της διαχείρισης περιουσιακών στοιχείων σε όλο τον κύκλο ζωής. Πρέπει να εφαρμόζονται ενεργά προηγμένες τεχνολογίες ανίχνευσης διάβρωσης και πραγματικού χρόνου παρακολούθησης για περιοδική, στοχευμένη αξιολόγηση των εξωτερικών διακοπτών και των εξαρτημάτων τους.

3.2.4 Εφαρμογή Υψηλής Απόδοσης Αντιδιαβρωτικών Επικαλύψεων

Η εφαρμογή υψηλής ποιότητας αντιδιαβρωτικών επικαλύψεων είναι ένας από τους πιο αποτελεσματικούς τρόπους αναστολής της διάβρωσης στον εξοπλισμό του μετασχηματιστή. Στα στηρίγματα των διακοπτών, επικαλύψεις με εξαιρετική αντίσταση στη διάχυση οξυγόνου, υγρασίας και ιοντικών ρύπων μπορούν αποτελεσματικά να απομονώσουν την επιφάνεια του μετάλλου από διαβρωτικούς παράγοντες. Αυτές οι επικαλύψεις παρέχουν ισχυρή φυσική προστασία εμποδίου, δημιουργώντας μια αξιόπιστη πρώτη γραμμή άμυνας ενάντια στην περιβαλλοντική υποβάθμιση.

4. Συμπεράσματα

Βάσει ολοκληρωμένων δοκιμών και ανάλυσης του στηρίγματος, της αγώγιμης ράβδου και των ρύπων από τον εξωτερικό διακόπτη υψηλής τάσης του μετασχηματιστή 330 kV, εξάγονται τα ακόλουθα συμπεράσματα:

(1) Η κύρια αιτία της ρωγμάτωσης του στηρίγματος είναι η ρωγμάτωση λόγω ενεργού διάβρωσης (SCC). Η μη ομοιόμορφη εφελκυστική τάση στη βάση του στηρίγματος, σε συνδυασμό με τη διάβρωση σε ρωγμή στο κενό πλευράς σφιγκτήρα υπό μεταβαλλόμενες κλιματικές συνθήκες, επιτάχυνε την υποβάθμιση του υλικού και οδήγησε τελικά σε θραύση.

(2) Τα συνιστώμενα μέτρα προστασίας περιλαμβάνουν την εγκατάσταση απομονωτικών κατασκευών, την εφαρμογή υψηλότερης απόδοσης αντιδιαφθορητικών επιστρωμάτων, την ενίσχυση των συστηματικών ελέγχων και την εφαρμογή συστηματικού παρακολούθησης της διάβρωσης. Για συγκεκριμένες θέσεις, θα πρέπει να αναπτυχθεί μια ολοκληρωμένη στρατηγική για τη μείωση της διάβρωσης, προσαρμοσμένη στη συγκεκριμένη θέση, προκειμένου να εξασφαλιστεί η ασφάλεια, σταθερότητα και αξιοπιστία λειτουργίας των εξοπλισμών της υποσταθμίδας.