Análise da fractura do suporte de montaxe nos interruptores de alta tensión ao aire libre nunha subestación

O estado operativo e a fiabilidade do equipamento nas subestações afectam directamente a segurança e a estabilidade da rede eléctrica. A maior parte do equipamento de subestação consiste em componentes metálicos feitos de diversos materiais, como cobre puro, aço carbono e aço inoxidável. Durante a operação a longo prazo, a degradação do desempenho destes materiais metálicos frequentemente leva a falhas de equipamento, representando riscos significativos para a operação segura e estável das subestações.

Os disjuntores de alta tensão ao ar livre são um exemplo primordial. O seu funcionamento adequado é crítico, não só para a fiabilidade, segurança e estabilidade do fornecimento de energia na subestação, mas também porque a sua falha pode potencialmente desencadear o colapso de toda a rede eléctrica. Portanto, é de grande importância analisar activamente as causas subjacentes às falhas comuns de equipamento nas subestações e propor medidas de protecção específicas.

1. Introdución aos disjuntores de alta tensión ao aire libre

Os disjuntores de alta tensión ao aire libre dunha certa subestación de 330 kV son produtos da serie GW4 de modelo antigo fabricados por unha fábrica anterior de conmutadores de alta tensión. Tienen unha estrutura horizontal de dúas columnas simétricas esquerda-dereita e están compostos por unha base, soportes, aislantes e un ensamblaxe conductor principal. O ensamblaxe conductor principal inclúe conectores flexibles, grampas de terminal, varas conductoras, contactos, dedos de contacto, muelles e protectores de chuvia.

En setembro de 2017, durante a manutención rutinaria, os operadores descubriron que algunhas destas desconexiones ao ar livre mostraban diferentes graus de fractura nos seus soportes, acompañadas de corrosión grave. Isto supunha un perigo de seguridade serio durante a operación manual. Como consecuencia, realizouse un exame macroscópico da morfoloxía da fractura. Ademais, efectuouse unha análise metalográfica microscópica sobre os contaminantes recollidos tanto do lado da grampa como do lado do terminal dos soportes. Ademais, usouse un espectrómetro para analizar comprehensivamente a composición química dos soportes, as varas condutoras e os contaminantes asociados.

2. Resultados da inspección da fractura dos soportes

2.1 Morfoloxía macroscópica

A cuberta superficial dos soportes dos disjuntores había pelado, revelando corrosión severa. Observáronse produtos de corrosión evidentes entre o soporte e a vara condutora. As fracturas mostraban características de fratura frágil, co patrón en forma de V ("hueso de peixe") visible nas superficies de fractura. A orixe e as zonas de propagación da fractura aparecían negras ou gris escuro.

As medidas de deflexión mostraron unha deformación de 3,0 mm no lado do taboleiro de terminais e 2,0 mm no lado da grampa, confirmando unha distorsión estructural significativa do soporte.

2.2 Morfoloxía microscópica

A análise metalográfica microscópica revelou espesor de capas de contaminantes de 1,1-3,3 mm no lado da grampa e 3,2-3,5 mm no lado do taboleiro de terminais do soporte.

2.3 Análise espectral

A análise espectrométrica do soporte, a vara condutora e os contaminantes produciu os seguintes resultados clave (ver Taboa 1):

• O soporte contiña 94,3% de aluminio, indicando que estaba feito de liga de aluminio fundido.

• A vara condutora contiña 92,7% de cobre, xunto con elementos traza, confirmando que era un tubo de liga de cobre.

• Os contaminantes tamén contiñan 94,3% de aluminio.

Nas condicións atmosféricas húmidas, o aluminio (do soporte) e o cobre (da vara condutora) forman un par galvánico, desencadeando unha reacción de corrosión electroquímica (galvánica). Este proceso xera produtos de corrosión ricos en íons de aluminio, identificados como o contaminante principal que causa a degradación do material e a fractura final.

3. Análise das Causas e Medidas Protetoras

3.1 Análise das Causas da Fissuração do Suporte

Geralmente, a falha de materiais metálicos pode ser atribuída a duas categorias de factores:

• Factores internos: relacionados com a qualidade do material e os processos de fabrico;

• Factores externos: relacionados com as condições de serviço, como a carga mecânica, o tempo, a temperatura e os meios ambientais.

3.1.1 Análise dos Factores Internos

Nos projectos de redes eléctricas, os componentes metálicos são geralmente submetidos a rigorosas inspeções de qualidade, incluindo a composição do material e a vida útil esperada, antes da sua implementação. A experiência em campo demonstra que os desligadores de alta tensão ao ar livre operam em ambientes adversos, e a sua fiabilidade é predominantemente governada pelas condições de serviço externas, mais do que por defeitos inerentes do material. Portanto, a fissuração observada no suporte deste desligador não se deve a uma má qualidade do material, mas é principalmente impulsionada pela exposição ambiental.

3.1.2 Análise dos Factores Externos

A subestação de 330 kV está localizada numa região noroeste com um clima temperado semiárido típico, caracterizado por ar seco, abundância de sol e grandes variações de temperatura diurna e anual. Os invernos são longos e frios, com pouca precipitação, enquanto os verões são curtos, mas quentes.

O suporte de liga de alumínio do desligador tem estado exposto continuamente a este ambiente atmosférico severo, sujeito a fortes ventos, ciclos térmicos, acumulação de gelo e chuva ocasional, condições altamente propícias à fissuração por corrosão sob tensão (SCC).

A SCC refere-se à fratura frágil de um componente metálico sujeito a tensão num ambiente corrosivo. A sua ocorrência requer duas condições essenciais: tensão de tração e um meio corrosivo específico.

Neste caso:

• Existem tensões de tração para baixo em ambos os lados da linha central inferior do suporte e para cima no centro, resultando numa distribuição de tensões desigual.

• Esta carga não uniforme induz deformação plástica e deslizamento de dislocações no metal, acelerando o início, a propagação e a eventual fratura da SCC.

O suporte é feito de liga de alumínio fundido. Na presença de humidade e partículas de pó atmosférico que formam contaminantes solúveis, ocorre facilmente a corrosão galvânica e de entalhe, especialmente na fenda lateral do grampo, onde a água ou o gelo podem acumular-se.

O efeito sinérgico da tensão de tração e do ataque corrosivo levou, finalmente, à fissuração.

Macroscopicamente, as superfícies de fratura da SCC mostram geralmente origens e zonas de propagação de rachaduras negras ou cinzentas escuras devido à corrosão, com áreas de fratura brusca exibindo padrões radiais ou marcas em forma de "meia-lua" (chevron), correspondendo exactamente à morfologia da fratura observada no suporte do desligador. Isto confirma fortemente que o mecanismo de falha foi a fissuração por corrosão sob tensão.

3.2 Medidas Protetoras Contra a Fissuração do Suporte

Como o tipo de equipamento mais numeroso nas subestações, os desligadores ao ar livre enfrentam riscos significativos quando operam durante muito tempo em ambientes expostos, especialmente com o aumento da implementação de subestações não vigiadas, que exigem maior fiabilidade. Propõem-se as seguintes quatro estratégias protetoras:

3.2.1 Instalar Envolventes Protetoras

Como os desligadores ao ar livre estão directamente expostos às condições atmosféricas e são particularmente vulneráveis em climas extremos (por exemplo, frio alpino, calor intenso, salinidade costeira ou zonas de geada), a instalação de escudos de isolamento ou envolventes protetoras pode criar um micro-ambiente controlado, mitigando significativamente a corrosão.

3.2.2 Intensificar as Inspeções Rotineiras

Dado que a distribuição desigual de tensões combinada com condições ambientais adversas desencadeou a SCC, os operadores devem intensificar as inspecções visuais e mecânicas de componentes críticos, especialmente os suportes de base e as estruturas de aperto, para detectar sinais precoces de deformação, corrosão ou fissuração e prevenir danos secundários ou incidentes de segurança.

3.2.3 Reforçar a Monitorização da Corrosão

A monitorização do estado do equipamento nas subestações não é apenas um meio eficiente de melhorar a eficácia da manutenção, mas também um pilar fundamental da gestão de ativos ao longo de todo o ciclo de vida. Devem ser activamente implementadas tecnologias avançadas de detecção de corrosão e monitorização em tempo real para avaliação periódica e direcionada de desligadores ao ar livre e seus acessórios.

3.2.4 Aplicar Revestimentos Anti-Corrosão de Alta Performance

A aplicação de revestimentos anti-corrosão de alta qualidade é uma das formas mais eficazes de inibir a corrosão no equipamento de subestações. Nos suportes dos desligadores, revestimentos com excelente resistência à permeação de oxigénio, humidade e contaminantes iónicos podem isolar eficazmente a superfície do metal dos agentes corrosivos. Estes revestimentos fornecem uma robusta protecção física, estabelecendo uma primeira linha de defesa confiável contra a degradação ambiental.

4. Conclusão

Com base em testes e análises abrangentes do suporte, vareta condutora e contaminantes do desligador de alta tensão ao ar livre da subestação de 330 kV, chegam-se às seguintes conclusões:

(1) A causa principal da fissuração do suporte é a fissuração por corrosão sob tensão (SCC). A tensão de tração desigual na base do suporte, combinada com a corrosão de entalhe na fenda lateral do grampo, sob condições climáticas flutuantes, aceleraram a degradação do material e, finalmente, levaram à fratura.

(2) As medidas de protección recomendadas inclúen a instalación de recintos de isolamento, a aplicación de revestimentos anticorrosión de alto rendemento, o incremento das inspeccións rutinarias e a implementación dunha monitorización sistemática da corrosión. Para sitios específicos, debe desenvolverse unha estratexia abrangente de mitigación da corrosión adaptada ao sitio para asegurar a operación segura, estable e fiable do equipo da subestación.