تحلیل ترک قاب پشتیبان در برش‌های خارجی با ولتاژ بالا در زیرстанسیون

وضع عمل وقابلیت اطمینان دستگاه‌های موجود در زیرстанسیون‌ها به طور مستقیم بر ایمنی و پایداری شبکه برق تأثیر می‌گذارد. بیشتر دستگاه‌های زیرستانسیون از قطعات فلزی تشکیل شده که از مواد مختلفی مانند مس خالص، فولاد کربنی و فولاد ضد زنگ ساخته شده‌اند. در طول دوره عملکرد بلندمدت، کاهش عملکرد این مواد فلزی اغلب منجر به خرابی دستگاه‌ها می‌شود که خطرات قابل توجهی را برای عملکرد ایمن و پایدار زیرستانسیون‌ها به وجود می‌آورد.

یک مثال برجسته عبارت است از جداکننده‌های ولتاژ بالای بیرون از ساختمان. عملکرد صحیح آنها نه تنها برای قابلیت اطمینان، ایمنی و پایداری تأمین برق زیرستانسیون حیاتی است بلکه شکست آنها می‌تواند منجر به ریزش کل شبکه برق شود. بنابراین، تحلیل فعال علل اصلی خرابی‌های معمول دستگاه‌های زیرستانسیون و ارائه تدابیر محافظتی هدفمند از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

۱. مقدمه‌ای بر جداکننده‌های ولتاژ بالای بیرون از ساختمان

جداکننده‌های ولتاژ بالای بیرون از ساختمان در یک زیرستانسیون ۳۳۰ کیلوولت، محصولات مدل قدیمی سری GW4 تولید شده توسط یک کارخانه قدیمی دستگاه‌های قطع و بسته شدن با ولتاژ بالا هستند. آنها دارای ساختار عمودی دو ستونه با تقارن چپ و راست هستند و شامل پایه، براکت‌های پشتیبان، عایق‌ها و مجموعه رسانای اصلی می‌باشند. مجموعه رسانای اصلی شامل اتصالات انعطاف‌پذیر، گیره‌های ترمینال، میله‌های رسانا، تماس‌ها، انگشتان تماس، فنرهای تماس و محافظ‌های باران می‌باشد.

در سپتامبر ۲۰۱۷، در طول نگهداری معمولی، مشغولین متوجه شدند که برخی از این جداکننده‌های بیرون از ساختمان دارای ترک‌هایی با درجه‌های مختلف در براکت‌های پشتیبانی هستند که همراه با فرسودگی شدید بود. این وضعیت خطر جدی‌ای را در عملیات دستی به وجود می‌آورد. بنابراین، یک بررسی ماکروسکوپی از شکل ترک‌ها انجام شد. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل میکروسکوپی فلزشناسی روی آلودگی‌های جمع‌آوری شده از سمت گیره و سمت ترمینال براکت‌ها انجام شد. همچنین، از طیف‌سنج برای تجزیه و تحلیل جامع ترکیبات شیمیایی براکت‌ها، میله‌های رسانا و آلودگی‌های مرتبط استفاده شد.

۲. نتایج بررسی ترک‌های براکت‌های پشتیبانی

۲.۱ مورفولوژی ماکروسکوپی

پوشش سطحی براکت‌های پشتیبانی جداکننده‌ها لخت شده و فرسودگی شدیدی را نشان می‌داد. محصولات فرسودگی واضحی بین براکت و میله رسانا مشاهده شد. ترک‌ها دارای ویژگی‌های شکست خشک بودند و الگوهای "مرغ فرنگی" (V-شکل) روی سطوح شکست مشاهده شد. منشأ و مناطق گسترش ترک‌ها به رنگ سیاه یا خاکستری تیره ظاهر شدند.

اندازه‌گیری‌های تغییر شکل نشان داد که تغییر شکل ۳.۰ میلی‌متر در سمت ترمینال و ۲.۰ میلی‌متر در سمت گیره وجود داشت که تأیید کننده تحریف ساختاری قابل توجه براکت است.

۲.۲ مورفولوژی میکروسکوپی

تجزیه و تحلیل میکروسکوپی فلزشناسی نشان داد که ضخامت لایه‌های آلودگی ۱.۱-۳.۳ میلی‌متر در سمت گیره و ۳.۲-۳.۵ میلی‌متر در سمت ترمینال براکت‌های پشتیبانی بود.

۲.۳ تجزیه و تحلیل طیفی

تحلیل طیفی براکت‌های پشتیبانی، میله‌های رسانا و آلودگی‌ها نتایج کلیدی زیر را به دست داد (به جدول ۱ مراجعه کنید):

• براکت پشتیبانی شامل ۹۴.۳٪ آلومینیوم بود که نشان می‌دهد از آلیاژ آلومینیوم ریخته شده ساخته شده است.

• میله رسانا شامل ۹۲.۷٪ مس به همراه عنصرهای ردیفی بود که تأیید می‌کند از لوله آلیاژ مس ساخته شده است.

• آلودگی‌ها نیز شامل ۹۴.۳٪ آلومینیوم بودند.

در شرایط جوی مرطوب، آلومینیوم (از براکت) و مس (از میله رسانا) یک جفت گالوانیک را تشکیل می‌دهند که واکنش فرسودگی الکتروشیمیایی (گالوانیک) را القا می‌کند. این فرآیند محصولات فرسودگی غنی از یون‌های آلومینیوم را تولید می‌کند که به عنوان آلودگی اصلی شناسایی شده که موجب تخریب مواد و در نهایت ترک‌ها می‌شود.

۳. تجزیه و تحلیل علل و اقدامات محافظتی

۳.۱ تجزیه و تحلیل علل شکست پایدار کننده

به طور کلی، شکست مواد فلزی می‌تواند به دو دسته از عوامل نسبت داده شود:

• عوامل داخلی: مرتبط با کیفیت ماده و فرآیندهای ساخت؛

• عوامل خارجی: مرتبط با شرایط استفاده مانند بارگذاری مکانیکی، زمان، دما و محیط.

۳.۱.۱ تجزیه و تحلیل عوامل داخلی

در پروژه‌های شبکه برق، قطعات فلزی معمولاً قبل از نصب تحت بررسی‌های کیفیت دقیق قرار می‌گیرند—شامل ترکیب ماده و عمر مورد انتظار. تجربه میدانی نشان می‌دهد که جداکننده‌های ولتاژ بالا خارجی در محیط‌های سخت عمل می‌کنند و قابلیت اطمینان آنها بیشتر توسط شرایط خدمت خارجی تعیین می‌شود تا نقصانات ذاتی ماده. بنابراین، شکست مشاهده شده در پایدار کننده جداکننده مورد نظر ناشی از کیفیت ضعیف ماده نیست بلکه اصلی‌ترین عامل آن نمایش به محیط است.

۳.۱.۲ تجزیه و تحلیل عوامل خارجی

زیرстанسیون ۳۳۰ کیلوولت در منطقه‌ای شمال غربی با اقلیم نیمه‌خشک معتدل واقع شده است—که با هوا خشک، آفتاب فراوان و تغییرات دمایی روزانه و سالانه بزرگ مشخص می‌شود. زمستان‌ها طولانی و سرد با بارش کم و تابستان‌ها کوتاه اما گرم هستند.

پایدار کننده آلومینیومی جداکننده به طور مداوم به این محیط جوی شدید مواجه بوده و تحت تأثیر بادهای قوی، چرخه‌های حرارتی، انباشت یخ و بارش باران متناوب قرار گرفته است—شرایطی که بسیار مناسب برای شکست تنشی فرسایشی (SCC) هستند.

SCC به معنای شکست پرکننده یک قطعه فلزی تحت تنش در محیط فرسایشی است. رخ دادن آن نیازمند دو شرط اساسی است: تنش کششی و محیط فرسایشی خاص.

در این مورد:

• تنش‌های کششی در دو طرف خط مرکزی پایین پایدار کننده به سمت پایین و در مرکز به سمت بالا وجود دارد که منجر به توزیع نامساوی تنش می‌شود.

• این بارگذاری نامتجانس تغییر شکل پلاستیکی و لغزش ناهماهنگی در فلز را القا می‌کند و شروع، گسترش و در نهایت شکست SCC را تسهیل می‌کند.

پایدار کننده از آلیاژ آلومینیوم ریخته شده ساخته شده است. در حضور رطوبت و ذرات گرد و غبار هوا که آلاینده‌های محلول تشکیل می‌دهند، فرسایش گالوانیک و شکافی به راحتی رخ می‌دهد—به ویژه در شکاف طرف گیره، جایی که آب یا یخ می‌تواند انباشته شود.

اثر همکاری تنش کششی و حمله فرسایشی در نهایت منجر به شکست شد.

در مقیاس ماکروسکوپی، سطوح شکست SCC معمولاً نقاط شروع و مناطق گسترش شکست را با رنگ سیاه یا خاکستری تیره نشان می‌دهند که به دلیل فرسایش، با الگوهای شعاعی یا شکل "استخوان ماهی" در مناطق شکست ناگهانی مطابقت دارند—که دقیقاً با شکل شکست مشاهده شده در پایدار کننده جداکننده مطابقت دارد. این مورد تأیید قوی از این است که مکانیسم شکست، شکست تنشی فرسایشی بوده است.

۳.۲ اقدامات محافظتی علیه شکست پایدار کننده

به عنوان تعداد بیشترین تجهیزات در زیرستانسیون‌ها، جداکننده‌های خارجی وقتی به طولانی در محیط‌های باز عمل می‌کنند، مخاطرات قابل توجهی دارند—به ویژه با افزایش استقرار زیرستانسیون‌های بدون نظارت که نیازمند قابلیت اطمینان بالاتر هستند. چهار استراتژی محافظتی زیر پیشنهاد شده است:

۳.۲.۱ نصب پوشش‌های محافظ

از آنجا که جداکننده‌های خارجی مستقیماً به شرایط جوی مواجه هستند—و به ویژه در اقلیم‌های بسیار سخت (مانند سرما سخت، گرما بالا، شوری ساحلی یا مناطق یخ‌زدگی)—نصب سپرهای جداکننده یا پوشش‌های محافظ می‌تواند یک محیط میکروی کنترل شده ایجاد کند و فرسایش را به طور قابل توجهی کاهش دهد.

۳.۲.۲ افزایش بازرسی‌های معمولی

از آنجا که توزیع نامتجانس تنش همراه با شرایط محیطی سخت SCC را القا کرده است، اپراتورها باید بازرسی‌های بصری و مکانیکی اجزای مهم—به ویژه پایه‌های پشتیبانی و ساختارهای گیره‌ای—را تقویت کنند تا علائم اولیه تغییر شکل، فرسایش یا شکست را شناسایی کرده و آسیب ثانویه یا حوادث ایمنی را جلوگیری کنند.

۳.۲.۳ تقویت نظارت بر فرسایش

نظارت بر وضعیت تجهیزات زیرستانسیون نه تنها بهبود مؤثری در کارآمدی نگهداری است بلکه سنگ بنای مدیریت دارایی‌های کامل دوره عمر است. باید فناوری‌های پیشرفته تشخیص و نظارت فرسایشی را به صورت فعال برای ارزیابی دوره‌ای و هدفمند جداکننده‌های خارجی و پیوسته آنها نصب کرد.

۳.۲.۴ استفاده از پوشش‌های ضد فرسایشی با عملکرد بالا

استفاده از پوشش‌های ضد فرسایشی با کیفیت بالا یکی از موثرترین روش‌های مهار فرسایش در تجهیزات زیرستانسیون است. روی پایدار کننده‌های جداکننده، پوشش‌هایی با مقاومت عالی در برابر نفوذ اکسیژن، رطوبت و آلاینده‌های یونی می‌توانند سطح فلز را از عوامل فرسایشی به طور مؤثر جدا کنند. این پوشش‌ها محافظت فیزیکی قوی ایجاد می‌کنند و خط دفاع اولیه معتبری در برابر تخریب محیطی ایجاد می‌کنند.

۴. نتیجه‌گیری

بر اساس آزمایش‌ها و تجزیه و تحلیل جامع پایدار کننده، میله هدایت‌کننده و آلاینده‌های جداکننده ولتاژ بالای خارجی زیرستانسیون ۳۳۰ کیلوولت، نتایج زیر به دست آمده است:

(۱) علت اصلی شکست پایدار کننده شکست تنشی فرسایشی (SCC) است. تنش کششی نامتجانس در پایه پایدار کننده، همراه با فرسایش شکافی در شکاف طرف گیره تحت شرایط جوی متغیر، تسریع در تخریب ماده و در نهایت منجر به شکست شد.

(2) تدابیر حفاظتی توصیه شده شامل نصب پوشش‌های عایق، استفاده از پوشش‌های ضد فساد با عملکرد بالا، تقویت بازرسی‌های معمول و اجرای نظارت سیستماتیک بر فساد می‌شود. برای مکان‌های خاص، باید راهبرد کلی کاهش فساد مخصوص به آن مکان توسعه داده شود تا عملکرد ایمن، پایدار و قابل اعتماد تجهیزات زیرگذر تضمین شود.