Analyse de la fissuration des supports de disjoncteurs haute tension en extérieur dans une sous-station

L'état opérationnel et la fiabilité des équipements dans les postes électriques influencent directement la sécurité et la stabilité du réseau électrique. La plupart des équipements de poste sont composés de pièces métalliques fabriquées à partir de divers matériaux tels que le cuivre pur, l'acier au carbone et l'acier inoxydable. Au cours d'une longue période d'exploitation, la dégradation des performances de ces matériaux métalliques conduit souvent à des pannes d'équipement, posant des risques significatifs pour le fonctionnement sûr et stable des postes électriques.

Les disjoncteurs haute tension extérieurs en sont un exemple typique. Leur bon fonctionnement est crucial non seulement pour la fiabilité, la sécurité et la stabilité de l'alimentation électrique du poste, mais aussi parce que leur défaillance peut potentiellement entraîner l'effondrement de l'ensemble du réseau électrique. Il est donc d'une grande importance d'analyser activement les causes profondes des pannes courantes d'équipements dans les postes électriques et de proposer des mesures de protection ciblées.

1. Présentation des disjoncteurs haute tension extérieurs

Les disjoncteurs haute tension extérieurs d'un certain poste de 330 kV sont des produits de la série GW4, fabriqués par une ancienne usine de matériel de commutation haute tension. Ils présentent une structure double colonne horizontale symétrique de gauche à droite, et se composent d'une base, de supports, d'isolateurs et d'un ensemble conducteur principal. L'ensemble conducteur principal comprend des connecteurs flexibles, des pinces terminales, des tiges conductrices, des contacts, des doigts de contact, des ressorts et des écrans de pluie.

En septembre 2017, lors d'une maintenance routinière, les opérateurs ont découvert que certains de ces disjoncteurs extérieurs présentaient des fissures de différents degrés sur leurs supports, accompagnées d'une corrosion sévère. Cela représentait un danger sérieux lors de l'opération manuelle. Par conséquent, un examen macroscopique de la morphologie des fissures a été effectué. De plus, une analyse microscopique métallographique a été réalisée sur les contaminants collectés du côté des pinces et du côté des terminaux des supports. En outre, un spectromètre a été utilisé pour analyser de manière exhaustive la composition chimique des supports, des tiges conductrices et des contaminants associés.

2. Résultats de l'inspection des fissures des supports

2.1 Morphologie macroscopique

Le revêtement de surface des supports des disjoncteurs s'était détaché, révélant une corrosion sévère. Des produits de corrosion évidents ont été observés entre le support et la tige conductrice. Les fissures présentaient des caractéristiques de rupture fragile, avec des motifs en chevron ("en éventail") visibles sur les surfaces de fracture. L'origine et les zones de propagation des fissures apparaissaient noires ou gris foncé.

Les mesures de fléchissement ont montré une déformation de 3,0 mm du côté du tableau terminal et 2,0 mm du côté de la pince, confirmant une distorsion structurelle significative du support.

2.2 Morphologie microscopique

L'analyse microscopique métallographique a révélé des épaisseurs de couche de contaminants de 1,1 à 3,3 mm du côté de la pince et de 3,2 à 3,5 mm du côté du tableau terminal du support.

2.3 Analyse spectrale

L'analyse spectroscopique du support, de la tige conductrice et des contaminants a permis de constater les éléments clés suivants (voir Tableau 1) :

• Le support contenait 94,3 % d'aluminium, indiquant qu'il était fabriqué en alliage d'aluminium moulé.

• La tige conductrice contenait 92,7 % de cuivre, ainsi que des éléments traces, confirmant qu'il s'agissait d'un tube en alliage de cuivre.

• Les contaminants contenaient également 94,3 % d'aluminium.

Dans des conditions atmosphériques humides, l'aluminium (du support) et le cuivre (de la tige conductrice) forment un couple galvanique, déclenchant une réaction de corrosion électrochimique (galvanique). Ce processus génère des produits de corrosion riches en ions d'aluminium - identifiés comme le contaminant principal responsable de la dégradation des matériaux et de la fissuration finale.

3. Analyse des causes et mesures de protection

3.1 Analyse des causes de la fissuration du support

Généralement, la défaillance des matériaux métalliques peut être attribuée à deux catégories de facteurs :

• Facteurs internes : liés à la qualité du matériau et aux processus de fabrication ;

• Facteurs externes : liés aux conditions d'utilisation telles que le chargement mécanique, le temps, la température et les milieux environnementaux.

3.1.1 Analyse des facteurs internes

Dans les projets de réseau électrique, les composants métalliques subissent généralement des inspections de qualité rigoureuses, y compris la composition du matériau et la durée de vie prévue, avant leur déploiement. L'expérience sur le terrain montre que les disjoncteurs haute tension extérieurs fonctionnent dans des environnements difficiles, et leur fiabilité est principalement déterminée par les conditions d'utilisation externes plutôt que par des défauts intrinsèques du matériau. Par conséquent, la fissuration observée dans le support de ce disjoncteur n'est pas due à une mauvaise qualité du matériau mais est principalement due à l'exposition environnementale.

3.1.2 Analyse des facteurs externes

La sous-station de 330 kV est située dans une région nord-ouest caractérisée par un climat semi-aride tempéré typique, avec un air sec, un ensoleillement abondant et de grandes variations de température diurne et annuelle. Les hivers sont longs et froids avec peu de précipitations, tandis que les étés sont courts mais chauds.

Le support en alliage d'aluminium du disjoncteur a été continuellement exposé à cet environnement atmosphérique sévère, soumis à des vents forts, des cycles thermiques, l'accumulation de glace et des pluies occasionnelles - des conditions hautement favorables à la fissuration par corrosion sous contrainte (FCC).

La FCC fait référence à la fracture fragile d'un composant métallique sous contrainte dans un environnement corrosif. Son occurrence nécessite deux conditions essentielles : une contrainte de traction et un milieu corrosif spécifique.

Dans ce cas :

• Des contraintes de traction existent vers le bas de chaque côté de la ligne médiane inférieure du support et vers le haut au centre, entraînant une répartition inégale des contraintes.

• Ce chargement non uniforme induit une déformation plastique et un glissement de dislocation dans le métal, accélérant l'initiation, la propagation et la rupture finale par FCC.

Le support est fabriqué en alliage d'aluminium coulé. En présence d'humidité et de particules de poussière atmosphérique formant des contaminants solubles, la corrosion galvanique et de crevasse se produit facilement, notamment à l'endroit de l'écart latéral de la pince, où l'eau ou la glace peuvent s'accumuler.

L'effet synergique de la contrainte de traction et de l'attaque corrosive a finalement conduit à la fissuration.

Macroscopiquement, les surfaces de fracture par FCC montrent généralement des origines et des zones de propagation de fissures noires ou gris-noir dues à la corrosion, avec des zones de fracture brutale soudaine présentant des motifs radiaux ou en forme de chevron ("en éventail") - exactement comme la morphologie de la fracture observée du support du disjoncteur. Cela confirme fortement que le mécanisme de défaillance était la fissuration par corrosion sous contrainte.

3.2 Mesures protectrices contre la fissuration du support

En tant qu'équipement le plus nombreux dans les sous-stations, les disjoncteurs extérieurs font face à des risques significatifs lorsqu'ils fonctionnent sur de longues périodes dans des environnements exposés, surtout avec le déploiement croissant de sous-stations sans personnel, qui exigent une plus grande fiabilité. Les quatre stratégies de protection suivantes sont proposées :

3.2.1 Installation d'enveloppes de protection

Comme les disjoncteurs extérieurs sont directement exposés aux conditions atmosphériques et particulièrement vulnérables dans des climats extrêmes (par exemple, froid alpin, chaleur intense, salinité côtière ou zones de givrage), l'installation de boucliers d'isolement ou d'enveloppes de protection peut créer un micro-environnement contrôlé, atténuant considérablement la corrosion.

3.2.2 Renforcement des inspections de routine

Étant donné que la répartition inégale des contraintes combinée à des conditions environnementales difficiles a déclenché la FCC, les opérateurs doivent intensifier les inspections visuelles et mécaniques des composants critiques, en particulier les supports de base et les structures de serrage, pour détecter les premiers signes de déformation, de corrosion ou de fissuration et prévenir les dommages secondaires ou les incidents de sécurité.

3.2.3 Renforcement de la surveillance de la corrosion

La surveillance de l'état des équipements de sous-station n'est pas seulement un moyen efficace d'améliorer l'efficacité de la maintenance, mais aussi un pilier de la gestion d'actifs sur l'ensemble du cycle de vie. Des technologies avancées de détection de la corrosion et de surveillance en temps réel devraient être activement déployées pour des évaluations périodiques et ciblées des disjoncteurs extérieurs et de leurs accessoires.

3.2.4 Application de revêtements anti-corrosion haute performance

L'application de revêtements anti-corrosion de haute qualité est l'un des moyens les plus efficaces pour inhiber la corrosion sur les équipements de sous-station. Sur les supports de disjoncteur, des revêtements offrant une excellente résistance à la pénétration d'oxygène, d'humidité et de contaminants ioniques peuvent isoler efficacement la surface métallique des agents corrosifs. Ces revêtements fournissent une protection barrière physique robuste, établissant une première ligne de défense fiable contre la dégradation environnementale.

4. Conclusion

Sur la base d'essais et d'analyses approfondis du support, de la tige conductrice et des contaminants provenant du disjoncteur haute tension extérieur de la sous-station de 330 kV, les conclusions suivantes sont tirées :

(1) La cause principale de la fissuration du support est la fissuration par corrosion sous contrainte (FCC). Une répartition inégale des contraintes de traction à la base du support, combinée à la corrosion de crevasse dans l'écart latéral de la pince sous des conditions climatiques fluctuantes, a accéléré la dégradation du matériau et a finalement conduit à la rupture.

(2) Les mesures de protection recommandées comprennent l'installation d'enveloppes d'isolation, l'application de revêtements anticorrosion à haute performance, le renforcement des inspections de routine et la mise en place d'un suivi systématique de la corrosion. Pour les sites spécifiques, une stratégie complète de lutte contre la corrosion adaptée au site doit être élaborée pour garantir le fonctionnement sûr, stable et fiable des équipements de la sous-station.