تحلیل ترک پشتیبان در قطع کنندههای ولتاژ بالا بیرون از ساختمان در یک زیرстанسیون
وضع عملیاتی و قابلیت اطمینان تجهیزات در زیرстанسیونها به طور مستقیم بر ایمنی و پایداری شبکه برق تأثیر میگذارد. بیشتر تجهیزات زیرستانسیون از اجزای فلزی ساخته شدهاند که از مواد مختلفی مانند مس خالص، فولاد کربنی و فولاد ضد زنگ ساخته شدهاند. در طول عملکرد بلندمدت، کاهش عملکرد این مواد فلزی اغلب منجر به خرابی تجهیزات میشود که خطرات قابل توجهی برای عملکرد ایمن و پایدار زیرستانسیونها دارد.
یک نمونه مهم، جداکنندههای ولتاژ بالا بیرون از ساختمان هستند. عملکرد صحیح آنها بسیار حیاتی است—نه تنها برای قابلیت اطمینان، ایمنی و پایداری تامین برق زیرستانسیون، بلکه چون خرابی آنها میتواند منجر به ریزش کامل شبکه برق شود. بنابراین، تحلیل فعال علل رایج خرابی تجهیزات در زیرستانسیونها و پیشنهاد اقدامات محافظتی هدفمند بسیار مهم است.
۱. معرفی جداکنندههای ولتاژ بالا بیرون از ساختمان
جداکنندههای ولتاژ بالا بیرون از ساختمان در یک زیرستانسیون ۳۳۰ کیلوولت محصولات سری GW4 قدیمی هستند که توسط یک کارخانه تولید کننده تجهیزات برق ولتاژ بالا ساخته شدهاند. آنها دارای ساختار دو ستونی افقی با تقارن راست و چپ هستند و شامل پایه، براکتهای پشتیبان، عایقها و مجموعه رسانای اصلی میباشند. مجموعه رسانای اصلی شامل اتصالات انعطافپذیر، کلمپهای انتهایی، میلههای رسانا، تماسها، انگشتان تماس، فنرهای تماس و محافظهای باران میباشد.
در سپتامبر ۲۰۱۷، در طی نگهداری معمولی، مشغولین متوجه شدند که برخی از این جداکنندههای بیرون از ساختمان دارای ترکهایی با درجات مختلف در براکتهای پشتیبانی خود هستند که همراه با فرسودگی شدید بود. این موضوع در عملیات دستی یک خطر ایمنی جدی ایجاد میکرد. بنابراین، یک بررسی ماکروسکوپی از شکل ترکها انجام شد. علاوه بر این، تحلیل میکروسکوپی فلزشناسی روی آلایندههای جمعآوری شده از سمت کلمپ و سمت انتهایی براکتهای پشتیبانی انجام شد. همچنین، از طیفسنج برای تحلیل جامع ترکیب شیمیایی براکتهای پشتیبانی، میلههای رسانا و آلایندههای مرتبط استفاده شد.
۲. نتایج بررسی ترکهای براکت پشتیبانی
۲.۱ شکل ماکروسکوپی
پوشش سطحی براکتهای پشتیبانی جداکنندهها دچار پاشیدگی شده و فرسودگی شدیدی مشاهده میشد. محصولات فرسودگی واضحی بین براکت و میله رسانا مشاهده شد. ترکها دارای ویژگیهای شکست ضربهای بودند و الگوهای "V" (مثل دماغه) روی سطوح شکست مشاهده میشد. منشا و مناطق گسترش ترکها به رنگ سیاه یا خاکستری تیره ظاهر میشدند.
اندازهگیریهای انحراف نشان داد که تغییر شکل ۳.۰ میلیمتری در سمت صفحه انتهایی و ۲.۰ میلیمتری در سمت کلمپ وجود داشته که تأیید کننده تغییر شکل قابل توجه ساختار براکت بود.
۲.۲ شکل میکروسکوپی
تحلیل میکروسکوپی فلزشناسی نشان داد که ضخامت لایه آلایندهها در سمت کلمپ بین ۱.۱ تا ۳.۳ میلیمتر و در سمت صفحه انتهایی براکت بین ۳.۲ تا ۳.۵ میلیمتر بود.
۲.۳ تحلیل طیفی
تحلیل طیفی براکت پشتیبانی، میله رسانا و آلایندهها نتایج کلیدی زیر را نشان 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 بود، همراه با عناصر اثری، که تأیید میکند که آن یک لوله آلیاژ مس است.
آلایندهها نیز شامل ۹۴.۳٪ آلومینیوم بودند.
در شرایط جوی مرطوب، آلومینیوم (از براکت) و مس (از میله رسانا) یک جفت گالوانیک تشکیل میدهند که واکنش فرسودگی الکتروشیمیایی (گالوانیک) را القا میکند. این فرآیند محصولات فرسودگی غنی از یونهای آلومینیوم را تولید میکند—که به عنوان آلاینده اصلی شناسایی شده که باعث تخریب مواد و در نهایت ترک شدن میشود.
| نام نمونه | محتوای عنصر | |||||
| ال | زن | من | کو | فی | سی | |
| پشتیبانی جداکننده | ۹۴.۳ | ۰.۳۳ | ۰.۳۹ | ۲.۶۴ | ۰.۷۶ | -- |
| میله رسانا | ۶.۱۲ | ۰.۲۶ | < ۰.۰۱۷ | ۹۲.۶۶ | < ۰.۰۲۸ | ۰.۹۳۶ |
| آلودگی | ۹۴.۳ | ۰.۳۴ | ۰.۲۸ | ۲.۵۱ | ۰.۶۱ | ۱.۱۳ |
۳. تحلیل علل و اقدامات محافظتی
۳.۱ تحلیل علل ترک خوردن براکت پشتیبان
به طور کلی، شکست مواد فلزی میتواند به دو دسته از عوامل نسبت داده شود:
عوامل داخلی: مربوط به کیفیت مواد و فرآیندهای تولید؛
عوامل خارجی: مربوط به شرایط استفاده مانند بارگذاری مکانیکی، زمان، دما و محیط.
۳.۱.۱ تحلیل عوامل داخلی
در پروژههای شبکه برق، قطعات فلزی معمولاً قبل از نصب تحت بازرسیهای کیفیت دقیق قرار میگیرند—از جمله ترکیب مواد و طول عمر مورد انتظار. تجربیات میدانی نشان میدهد که جداکنندههای ولتاژ بالا در محیطهای سخت عمل میکنند و قابلیت اطمینان آنها بیشتر توسط شرایط محیطی حاکم است تا نقص های ذاتی مواد. بنابراین، ترک مشاهده شده در براکت پشتیبان این جداکننده ناشی از کیفیت ضعیف ماده نیست بلکه بیشتر توسط تعریض محیطی رخ داده است.
۳.۱.۲ تحلیل عوامل خارجی
پست ۳۳۰ کیلوولت در منطقه شمال غربی واقع شده است که دارای اقلیم نیمه خشک است—با هوای خشک، نور خورشید فراوان و تغییرات دمایی زیاد در طول روز و سال. زمستانها طولانی و سرد با بارش کم و تابستانها کوتاه اما گرم هستند.
براکت آلومینیومی پشتیبان جداکننده به طور مداوم در این محیط جوی سخت قرار دارد و به بادهای قوی، چرخههای حرارتی، انباشت یخ و بارشهای محدود آب مواجه است—شرایطی که بسیار مساعد برای ترک خوردگی تنشی (SCC) هستند.
ترک خوردگی تنشی به معنای شکست ناگهانی یک قطعه فلزی تحت تنش در محیطی فرسایشی است. وقوع آن نیازمند دو شرط اساسی است: تنش کششی و محیط فرسایشی خاص.
در این مورد:
تنشهای کششی در دو طرف خط مرکزی پایین براکت به سمت پایین و در مرکز به سمت بالا وجود دارد که منجر به توزیع نامتعادل تنش میشود.
این بارگذاری نامتجانس منجر به تغییر شکل پلاستیکی و لغزش گسل در فلز میشود و آغاز، گسترش و سرانجام شکست SCC را تسهیل میکند.
براکت از آلیاژ آلومینیوم ریخته شده ساخته شده است. در حضور رطوبت و ذرات گرد و غبار هوا که آلایندههای محلول را تشکیل میدهند، فرسایش گالوانیک و گودالی به راحتی رخ میدهد—به ویژه در شکاف جانبی کلمپ، جایی که آب یا یخ میتواند انباشته شود.
اثر همکاری تنش کششی و حمله فرسایشی در نهایت منجر به ترک خوردگی شد.
ماکروسکوپی، سطوح شکست SCC معمولاً نقاط آغاز و مناطق گسترش ترک را به رنگ سیاه یا خاکستری-سیاه نشان میدهند که به دلیل فرسایش است، با مناطق شکست ناگهانی که الگوهای شعاعی یا V-شکل («هerringbone») را نشان میدهند—که دقیقاً با مورفولوژی شکست مشاهده شده در براکت جداکننده مطابقت دارد. این به شدت تأیید میکند که مکانیسم شکست، ترک خوردگی تنشی بوده است.
۳.۲ اقدامات محافظتی علیه ترک خوردگی براکت
به عنوان نوع تجهیزات بیشتر در پستهای برق، جداکنندههای خارجی در مواجهه با محیطهای معرض ریسک زیادی دارند—به ویژه با افزایش استقرار پستهای بدون ناظم که نیاز به قابلیت اطمینان بیشتری دارند. چهار استراتژی محافظتی زیر پیشنهاد میشوند:
۳.۲.۱ نصب پوششهای محافظ
از آنجا که جداکنندههای خارجی مستقیماً به شرایط جوی مواجه هستند—و به ویژه در اقلیمهای حدی (مانند سرما سخت، گرما بالا، شوری ساحلی یا مناطق یخزدگی) آسیبپذیر هستند—نصب سپرهای جداکننده یا پوششهای محافظ میتواند محیط میکروی کنترل شدهای ایجاد کند و به طور قابل توجهی فرسایش را کاهش دهد.
۳.۲.۲ افزایش بازرسیهای معمولی
از آنجا که توزیع نامتعادل تنش همراه با شرایط محیطی سخت SCC را تحریک کرده است، اپراتورها باید بازرسیهای بصری و مکانیکی قطعات حیاتی را—به ویژه پشتیبانیهای پایه و ساختارهای کلمپ—شدید کنند تا علائم اولیه تغییر شکل، فرسایش یا ترک خوردگی را شناسایی کرده و آسیب ثانویه یا حوادث ایمنی را جلوگیری کنند.
۳.۲.۳ تقویت نظارت بر فرسایش
نظارت بر وضعیت تجهیزات پست نه تنها وسیله مؤثری برای بهبود کارآیی نگهداری است بلکه یکی از سنگ بنای مدیریت داراییهای کامل دوره عمر است. تکنولوژیهای پیشرفته تشخیص و نظارت زنده بر فرسایش باید به طور فعال برای ارزیابی دورهای و هدفمند جداکنندههای خارجی و ضمائم آنها استقرار یابند.
۳.۲.۴ استفاده از پوششهای ضد فرسایش با عملکرد بالا
استفاده از پوششهای ضد فرسایش با کیفیت بالا یکی از مؤثرترین روشها برای مهار فرسایش در تجهیزات پست است. روی براکتهای پشتیبان جداکننده، پوششهایی با مقاومت عالی در برابر نفوذ اکسیژن، رطوبت و آلایندههای یونی میتوانند به طور موثر سطح فلز را از عوامل فرسایشی جدا کنند. این پوششها محافظ فیزیکی قوی ایجاد میکنند و خط دفاع اولیه قابل اعتمادی برای مقابله با تخریب محیطی ایجاد میکنند.
۴. نتیجهگیری
بر اساس آزمایشها و تحلیلهای جامع براکت پشتیبان، میله هدایتکننده و آلودگیهای جداکننده ولتاژ بالای خارجی پست ۳۳۰ کیلوولت، نتایج زیر به دست آمده است:
(۱) علت اصلی ترک خوردگی براکت پشتیبان، ترک خوردگی تنشی (SCC) است. تنش کششی نامتعادل در پایه براکت، همراه با فرسایش گودالی در شکاف جانبی کلمپ در شرایط آب و هوایی متغیر، منجر به تسریع در تخریب ماده و در نهایت شکست شد.
(2) تدابیر محافظتی توصیه شده شامل نصب پوششهای جداسازی، استفاده از پوششهای ضد فرسودگی با عملکرد بالا، تقویت بازرسیهای معمولی و اجرای نظارت سیستماتیک بر فرسودگی میشود. برای مکانهای خاص، باید راهبرد کلی کاهش فرسودگی مخصوص به آن مکان توسعه داده شود تا عملکرد ایمن، پایدار و قابل اعتماد تجهیزات زیرستانی تضمین شود.
