Análisis de la fisuración del soporte de los interruptores de alta tensión al aire libre en una subestación

El estado operativo y la confiabilidad del equipo dentro de las subestaciones afectan directamente la seguridad y estabilidad de la red eléctrica. La mayoría del equipo de subestación está compuesto por componentes metálicos hechos de diversos materiales como cobre puro, acero al carbono y acero inoxidable. Durante la operación a largo plazo, la degradación del rendimiento de estos materiales metálicos a menudo conduce a fallos en el equipo, lo que representa un riesgo significativo para la operación segura y estable de las subestaciones.

Los interruptores de desconexión de alta tensión al aire libre son un ejemplo destacado. Su funcionamiento adecuado es crítico no solo para la confiabilidad, seguridad y estabilidad del suministro de energía de la subestación, sino también porque su falla puede potencialmente desencadenar el colapso de toda la red eléctrica. Por lo tanto, es de gran importancia analizar activamente las causas fundamentales de los fallos comunes del equipo en las subestaciones y proponer medidas de protección dirigidas.

1. Introducción a los interruptores de desconexión de alta tensión al aire libre

Los interruptores de desconexión de alta tensión al aire libre en una cierta subestación de 330 kV son productos de la serie GW4 de modelo antiguo fabricados por una fábrica de interruptores de alta tensión anterior. Presentan una estructura horizontal de doble columna con simetría izquierda-derecha y constan de una base, soportes, aisladores y un conjunto conductor principal. El conjunto conductor principal incluye conectores flexibles, abrazaderas terminales, varillas conductoras, contactos, dedos de contacto, resortes y protectores contra la lluvia.

En septiembre de 2017, durante el mantenimiento rutinario, los operadores descubrieron que algunos de estos interruptores de desconexión al aire libre presentaban diferentes grados de fisuración en sus soportes, acompañada de corrosión severa. Esto representaba un peligro serio durante la operación manual. Como consecuencia, se realizó un examen macroscópico de la morfología de las fisuras. Además, se llevó a cabo un análisis metalográfico microscópico de los contaminantes recolectados tanto del lado de la abrazadera como del lado terminal de los soportes. Asimismo, se utilizó un espectrómetro para analizar de manera integral la composición química de los soportes, las varillas conductoras y los contaminantes asociados.

2. Resultados de la inspección de la fisuración de los soportes

2.1 Morfología macroscópica

La capa de recubrimiento de los soportes de los interruptores de desconexión se había desprendido, revelando una corrosión severa. Se observaron productos de corrosión evidentes entre el soporte y la varilla conductora. Las fisuras mostraban características de fractura frágil, con patrones en forma de V ("hueso de pescado") visibles en las superficies de fractura. El origen de la fisura y las zonas de propagación aparecían negras o gris oscuro.

Las mediciones de deflexión mostraron una deformación de 3,0 mm en el lado de la placa terminal y 2,0 mm en el lado de la abrazadera, confirmando una distorsión estructural significativa del soporte.

2.2 Morfología microscópica

El análisis metalográfico microscópico reveló espesores de capa de contaminantes de 1,1-3,3 mm en el lado de la abrazadera y 3,2-3,5 mm en el lado de la placa terminal del soporte.

2.3 Análisis espectral

El análisis espectrométrico del soporte, la varilla conductora y los contaminantes arrojó los siguientes hallazgos clave (ver Tabla 1):

• El soporte contenía 94,3% de aluminio, indicando que estaba hecho de aleación de aluminio fundido.

• La varilla conductora contenía 92,7% de cobre, junto con elementos traza, confirmando que era un tubo de aleación de cobre.

• Los contaminantes también contenían 94,3% de aluminio.

En condiciones atmosféricas húmedas, el aluminio (del soporte) y el cobre (de la varilla conductora) forman un par galvánico, desencadenando una reacción de corrosión electroquímica (galvánica). Este proceso genera productos de corrosión ricos en iones de aluminio, identificados como el contaminante principal que causa la degradación del material y, eventualmente, la fisuración.

3. Análisis de Causas y Medidas Protectoras

3.1 Análisis de las Causas de la Ruptura del Soporte

En general, el fallo de los materiales metálicos puede atribuirse a dos categorías de factores:

• Factores internos: relacionados con la calidad del material y los procesos de fabricación;

• Factores externos: relacionados con las condiciones de servicio, como la carga mecánica, el tiempo, la temperatura y los medios ambientales.

3.1.1 Análisis de Factores Internos

En los proyectos de redes eléctricas, los componentes metálicos suelen someterse a rigurosas inspecciones de calidad, incluyendo la composición del material y la vida útil esperada, antes de su despliegue. La experiencia en campo muestra que los interruptores de alta tensión al aire libre operan en entornos adversos, y su confiabilidad está principalmente gobernada por las condiciones de servicio externas en lugar de defectos inherentes del material. Por lo tanto, la ruptura observada en el soporte de este interruptor no se debe a una mala calidad del material, sino que es principalmente impulsada por la exposición ambiental.

3.1.2 Análisis de Factores Externos

La subestación de 330 kV está ubicada en una región noroeste con un clima típicamente templado semiárido, caracterizado por aire seco, abundante sol y grandes variaciones de temperatura diurna y anual. Los inviernos son largos y fríos con poca precipitación, mientras que los veranos son cortos pero calurosos.

El soporte de aleación de aluminio del interruptor ha estado expuesto continuamente a este severo entorno atmosférico, sometido a fuertes vientos, ciclos térmicos, acumulación de hielo y lluvias ocasionales, condiciones altamente propicias para la corrosión por estrés (CPE).

La CPE se refiere a la fractura frágil de un componente metálico sometido a tensión en un medio corrosivo. Su ocurrencia requiere dos condiciones esenciales: tensión de tracción y un medio corrosivo específico.

En este caso:

• Existen tensiones de tracción hacia abajo en ambos lados de la línea central inferior del soporte y hacia arriba en el centro, resultando en una distribución de tensión desigual.

• Esta carga no uniforme induce deformación plástica y deslizamiento de dislocaciones en el metal, acelerando la iniciación, propagación y eventual fractura de la CPE.

El soporte está hecho de aleación de aluminio fundido. En presencia de humedad y partículas de polvo suspendidas en el aire que forman contaminantes solubles, la corrosión galvánica y de ranura ocurren fácilmente, especialmente en la brecha lateral del perno, donde pueden acumularse agua o hielo.

El efecto sinérgico de la tensión de tracción y el ataque corrosivo finalmente llevó a la ruptura.

Macroscópicamente, las superficies de fractura de la CPE suelen mostrar orígenes y zonas de propagación de grietas de color negro o gris oscuro debido a la corrosión, con áreas de fractura frágil súbita que exhiben patrones radiales o marcas en forma de chevron ("espinazo de pescado")—exactamente como la morfología de la fractura observada en el soporte del interruptor. Esto confirma firmemente que el mecanismo de fallo fue la corrosión por estrés.

3.2 Medidas Protectoras contra la Ruptura del Soporte

Como el tipo de equipo más numeroso en las subestaciones, los interruptores al aire libre enfrentan riesgos significativos cuando operan a largo plazo en entornos expuestos, especialmente con el aumento de la implementación de subestaciones no atendidas, que demandan mayor confiabilidad. Se proponen las siguientes cuatro estrategias protectoras:

3.2.1 Instalar Recintos Protectores

Dado que los interruptores al aire libre están directamente expuestos a las condiciones atmosféricas y son particularmente vulnerables en climas extremos (por ejemplo, frío alpino, calor intenso, salinidad costera o zonas de escarcha), la instalación de escudos de aislamiento o recintos protectores puede crear un microentorno controlado, mitigando significativamente la corrosión.

3.2.2 Mejorar las Inspecciones Rutinarias

Dado que la distribución desigual de la tensión combinada con las duras condiciones ambientales desencadenaron la CPE, los operadores deben intensificar las inspecciones visuales y mecánicas de los componentes críticos, especialmente los soportes base y las estructuras de sujeción, para detectar signos tempranos de deformación, corrosión o ruptura y prevenir daños secundarios o incidentes de seguridad.

3.2.3 Fortalecer la Monitoreo de Corrosión

El monitoreo de la condición del equipo de la subestación no solo es un medio eficiente para mejorar la eficacia del mantenimiento, sino también un pilar fundamental de la gestión de activos a lo largo de todo su ciclo de vida. Se deben implementar activamente tecnologías avanzadas de detección de corrosión y monitoreo en tiempo real para la evaluación periódica y dirigida de los interruptores al aire libre y sus accesorios.

3.2.4 Aplicar Recubrimientos Anticorrosivos de Alto Rendimiento

Aplicar recubrimientos anticorrosivos de alta calidad es una de las formas más efectivas de inhibir la corrosión en el equipo de subestaciones. En los soportes de los interruptores, los recubrimientos con excelente resistencia a la permeación de oxígeno, humedad y contaminantes iónicos pueden aislar eficazmente la superficie metálica de los agentes corrosivos. Estos recubrimientos proporcionan una sólida protección física, estableciendo una primera línea de defensa confiable contra la degradación ambiental.

4. Conclusión

Basándose en pruebas y análisis comprehensivos del soporte, varilla conductora y contaminantes del interruptor de alta tensión al aire libre de la subestación de 330 kV, se extraen las siguientes conclusiones:

(1) La causa principal de la ruptura del soporte es la corrosión por estrés (CPE). La tensión de tracción desigual en la base del soporte, combinada con la corrosión de ranura en la brecha lateral del perno bajo condiciones climáticas fluctuantes, aceleró la degradación del material y finalmente llevó a la fractura.

(2) Las medidas de protección recomendadas incluyen la instalación de recintos de aislamiento, la aplicación de revestimientos anticorrosivos de alto rendimiento, el refuerzo de las inspecciones rutinarias y la implementación de un monitoreo sistemático de la corrosión. Para sitios específicos, se debe desarrollar una estrategia integral de mitigación de la corrosión para garantizar el funcionamiento seguro, estable y confiable del equipo de la subestación.