Aseman ulkoisten korkeajännite-erottimien tukikehään rikkoutumisen analyysi

Alusten laitteiden toimintatila ja luotettavuus vaikuttavat suoraan sähköverkon turvallisuuteen ja vakautta. Useimmat alustalaitteet koostuvat erilaisista metallisisäkköistä, kuten puhtaasta kuparista, hiilikierästä ja rostovaikeasta teräksestä. Pitkäaikaisessa käytössä näiden metallien ominaisuuksien heikentyminen usein johtaa laitteen epäonnistumiseen, mikä asettaa merkittäviä riskejä alustojen turvalliseen ja vakautettuun toimintaan.

Ulkopuoliset korkeajännite-erottimet ovat hyvä esimerkki tästä. Niiden oikea toiminta on keskeistä – ei vain aluston sähköntoimituksen luotettavuuden, turvallisuuden ja vakaudesta, vaan myös siksi, että niiden epäonnistuminen voi potentiaalisesti aiheuttaa koko sähköverkon romahtamisen. Siksi on erittäin tärkeää aktiivisesti analysoida yleisten alustalaitteiden epäonnistumisen perussyitä ja ehdottaa kohdennettuja suojausmenetelmiä.

1. Ulkopuolisten korkeajännite-erottimien esittely

Tietyn 330 kV aluston ulkopuolisissa korkeajännite-erottimissa on kyse vanhemmista GW4-sarjan tuotteista, jotka on valmistanut entinen korkeajännitekytkentälaitos. Ne ovat kaksoissarakkeisia vaakasuoria rakenteita, jotka ovat symmetrisiä vasemmalta ja oikealta. Rakennetta muodostavat pohja, tukirakenteet, erottimet ja pääjohtava kokoonpano. Pääjohtava kokoonpano sisältää joustavat yhdistimet, lopputulpat, johtavat särmät, yhteydet, kosketinsormut, kevytmetallit ja sadepuolustimet.

Syyskuussa 2017 huoltotyön aikana operatiiviset henkilöt huomasivat, että jotkut näistä ulkopuolisista erottimista näyttivät eriasteisia rakoja tukirakenteissaan, mukaan lukien vakava rostoa. Tämä aiheutti vakavan turvallisuusriskin manuaalisessa käytössä. Tämän vuoksi tehtiin makroskooppinen tutkimus rakenteiden rajojen morfologiasta. Lisäksi mikroskooppinen metalligraafinen analyysi suoritettiin saastuttajille, jotka kerättiin sekä puristimen että lopputulpan puolelta. Lisäksi spektrometriä käytettiin tukirakenteiden, johtavien sarkaiden ja liittyvien saastuttajien kemiallisen koostumuksen kattavaan analyysiin.

2. Tukirakenteiden raekeskustelun tulokset

2.1 Makroskooppinen morfologia

Erottimen tukirakenteiden pintamaali oli riisuuntunut, paljastamassa vakavaa rostoa. Ilmeisiä rostotuotteita havaittiin tukirakenteen ja johtavan sarkan välillä. Raekeskustelut osoittivat brittilisen murroksen piirteitä, ja rajoilla oli näkyvissä nuolenpään ("silmäluuta") kaaviot. Raekeskustelun alkuperä ja leviämisen alueet olivat mustia tai tummasinertä.

Joustavuuden mittaukset osoittivat 3,0 mm:n taipumisen lopputulpan puolella ja 2,0 mm:n puristimen puolella, vahvistamalla tukirakenteen merkittävän rakenteellisen vääristymisen.

2.2 Mikroskooppinen morfologia

Mikroskooppinen metalligraafinen analyysi paljasti saastuttajakerrosten paksuuden 1,1–3,3 mm puristimen puolella ja 3,2–3,5 mm lopputulpan puolella tukirakenteessa.

2.3 Spektraalianalyysi

Spektrometrinen analyysi tukirakenteesta, johtavasta sarkasta ja saastuttajista tuotti seuraavat keskeiset löydökset (katso taulukko 1):

• Tukirakenne sisälsi 94,3 % alumiinia, mikä viittasi siihen, että se oli valmistettu alumiinilevystä.

• Johtava sarake sisälsi 92,7 % kuparia, lisäksi jäljessä olevia elementtejä, mikä vahvisti sen kupariyhdisteen putken olevaksi.

• Saastuttajat sisälsivät myös 94,3 % alumiinia.

Kosteissa ilmakehossa alumiini (tukirakenteesta) ja kupari (johtavasta sarkasta) muodostavat galvaanisen parin, joka aiheuttaa elektrokemiallisen (galvaanisen) roston reaktion. Tämä prosessi tuottaa alumiionirikkaat rostotuotteet, jotka tunnistettiin pääasialliseksi saastuttajaksi, joka aiheuttaa materiaalin heikentymisen ja lopulta raekeskustelun.

3. Syyt ja suojatoimet

3.1 Tuken rikkoutumisen syyanalyysi

Yleisesti metallimateriaalin epäonnistuminen voidaan jakaantua kahteen tekijäryhmään:

• Sisäiset tekijät: liittyvät materiaalin laatuun ja valmistusprosesseihin;

• Ulkoinen tekijät: liittyvät käyttöolosuhteisiin kuten mekaaniseen kuormittamiseen, aikaan, lämpötilaan ja ympäristömediaan.

3.1.1 Sisäisten tekijöiden analyysi

Sähköverkkojen hankkeissa metalliosat käyvät yleensä läpi tiukat laaduntarkastukset—mukaan lukien materiaalin koostumus ja odotettu käyttöikä—ennen käyttöönottoa. Käytännön kokemus osoittaa, että ulkona sijaitsevat korkeajännitteiset erottimet toimivat ankarissa olosuhteissa, ja niiden luotettavuus on pääasiassa hallitsevissa ulkoisissa käyttöolosuhteissa eikä omien materiaalivajeiden vuoksi. Siksi tässä erottimen tuken rikkoutuminen ei johtunut huonosta materiaalin laadusta, vaan pääasiallisesti ympäristöaltistumisesta.

3.1.2 Ulkoisten tekijöiden analyysi

330 kV alipysty sijaitsee luoteisessa alueella, jolla on tyypillinen määrällinen puolisuuri ilmasto—jota on luonnehdittu kuivaksi ilma-olosuhteina, runsaana auringonpaisteena ja suurilla päivä- ja vuosilämpötilavaihteluilla. Talvet ovat pitkiä ja kylmiä vähän sademäärällä, kun taas kesät ovat lyhyet mutta kuumat.

Erottimen aluminiiumilevytynnyrin tuki on jatkuvasti altistunut tälle ankaralle ilmastolle, jossa se on joutunut voimakkaan tuulen, lämpösyklin, jäiden kasvuun ja harvinaiseen sademäärään—oloissa, jotka ovat erityisen suotuisia jännityksen aiheuttamalle rikkiintymiselle (SCC).

SCC viittaa jännitetyn metalliosan puristumaan korroosioympäristössä. Sen esiintymiseen tarvitaan kaksi olennaista ehtoa: venyttävä jännitys ja tietty korroosioaine.

Tässä tapauksessa:

• Venyttävä jännitys on olemassa tuken alareunan keskiviivan molemmilla puolilla alaspäin ja ylöspäin tuken keskellä, mikä johtaa epätasaiseen jännitysjakaumaan.

• Tämä epätasainen kuormitus aiheuttaa metalliin plastisen venymisen ja dislokoiden liukumisen, nopeuttaen SCC:n alkamista, leviämistä ja lopulta rikkiintymistä.

Tuki on tehty kyntelemästä aluminiiumilevytynnyristä. Niissä tilanteissa, jossa ilmassa on kosteutta ja ilmakehän pölyhiukkasia, jotka muodostavat liukenevia kontaminoituja, galvaaninen ja kuilukorroosio syntyvät helposti—erityisesti kiinnityksen reunassa, jossa voi kertyä vettä tai jää.

Venyttävän jännityksen ja korroosiohyökkäyksen synergia johti lopulta rikkiintymiseen.

Makroskopisesti SCC:n rikkiintymispinta näyttää yleensä mustia tai tummasinisiä rikkiintymisen alkuperäalueita ja levitysalueita korroosion vuoksi, jossa äkilliset puristumisalueet näyttävät säteittäisiä tai nuolenkärjekuvioita ("sarvenkärkipitäviä")—täsmälleen vastaavat havaittua erottimen tuken rikkiintymisen morfologiaa. Tämä vahvasti vahvistaa, että epäonnistumismekanismi oli jännityksen aiheuttama rikkiintyminen.

3.2 Suojatoimet tuken rikkiintymisen estämiseksi

Koska ulkonaiset erottimet ovat yleisin laite alipystyissä, ne kohtaavat merkittäviä riskejä, kun ne toimivat pitkäaikaisesti altistuneina olosuhteissa—erityisesti lisääntyvän automaattisten alipystyjen käyttöönoton myötä, joka edellyttää korkeampaa luotettavuutta. Seuraavat neljä suojatoimea on ehdotettu:

3.2.1 Asenna suojakotelut

Koska ulkonaiset erottimet ovat suoraan altistuneet ilmastollisille olosuhteille—ja erityisen haavoittuvia äärimmäisissä ilmastoissa (esimerkiksi vuoristojäissä, kuumissa olosuhteissa, rannikkoalueen suolaisuudessa tai jäätymisalueilla)—eristyskotelujen tai suojakotelujen asentaminen voi luoda ohjatun mikroympäristön, joka vähentää merkittävästi korroosia.

3.2.2 Vahvista säännöllisiä tarkastuksia

Koska epätasainen jännitysjakauma yhdistettynä ankaroihin ympäristöolosuhteisiin aiheutti SCC:n, operaattorien on tehostettava kriittisten komponenttien visuaalisia ja mekaanisia tarkastuksia—erityisesti perustukirakenteita ja kiinnitysrakenteita—havaitakseen varhaiset muodonmuutoksen, korroosion tai rikkiintymisen merkit ja estääkseen toissijaisia vahinkoja tai turvallisuusongelmia.

3.2.3 Vahvista korroosion valvontaa

Alipystylaitteiden tilavalvonta on tehokas keino parantaa huollon tehokkuutta, mutta myös elinkaariaktiivisen varainhallinnan peruspilari. Pitäisi aktiivisesti käyttää edistyneitä korroosiodetektointi- ja reaaliaikaisia valvontateknologioita ulkonaisiin erottimiin ja niihin liittyville osille suunnitelluissa, ajoitettuissa arvioinneissa.

3.2.4 Käytä korkean suorituskykyisen anti-korroosiopeekauksia

Hyvien korroosioestävien peekauksien soveltaminen on yksi tehokkaimmista tavoista estää korroosio alipystylaitteissa. Erottimeen tukirakenteisiin sovellettuja peekauksia, jotka vastustavat erinomaisesti happi-, kosteuden- ja ionisoidun kontaminaation läpäisyä, voivat tehokkaasti eristää metallipinnan korroosioympäristöstä. Tällaiset peekaukset tarjoavat vahvan fysikaalisen esteen, luoden luotettavan ensimmäisen linjan puolustusta ympäristön aiheuttaman heikentyneisyyden vastaan.

4. Yhteenveto

Perusteellisen testauksen ja analyysin perusteella 330 kV alipystyn ulkonaisen korkeajännitteisen erottimen tukeen, johtavaputkiin ja kontaminoituihin saatiin seuraavat päätelmät:

(1) Tuken rikkiintymisen pääasiallinen syy on jännityksen aiheuttama rikkiintyminen (SCC). Epätasainen venyttävä jännitys tuken pohjalla, yhdistettynä kiinnityksen reunan kuilukorroosioon vaihtelevissa ilmasto-olosuhteissa, nopeutti materiaalin heikentymistä ja johti lopulta rikkiintymiseen.

(2) Suositeltavat suojatoimet sisältävät eristyskammioita asentamisen, korkean suorituskykyisten anti-korrosiopinnoitten käytön, säännöllisten tarkastusten tehostamisen ja järjestelmällisen korrosiomonitoroinnin toteuttamisen. Tiettyihin paikkoihin tulisi kehittää yksityiskohtainen paikkoja koskeva korrosion vähentämistrategia varmistaaksemme alijärjestelmien laitteiden turvallisen, vakauden ja luotettavan toiminnan.