Analiza pucanja nosača na vanjskim visokonaponskim prekidačima u podstanici

Operativni status i pouzdanost opreme u prenaponskim stanici direktno utječu na sigurnost i stabilnost električne mreže. Većina opreme u prenaponskim stanicama sastoji se od metalnih komponenti izrađenih od različitih materijala, poput čistog bakra, ugljeničnog čelika i nerđajućeg čelika. Tijekom dugotrajne operacije, smanjenje performansi tih metalnih materijala često dovodi do otkaza opreme, što predstavlja značajan rizik za sigurnu i stabilnu operaciju prenaponskih stanica.

Primjer su otvoreni visokonaponski presjedaci. Njihova pravilna funkcija je ključna ne samo za pouzdanost, sigurnost i stabilnost snabdijevanja strujom u prenaponskim stanicama, već i jer njihov otkaz može potencijalno pokrenuti kolaps cijele električne mreže. Stoga je od velike važnosti aktivno analizirati temeljne uzroke uobičajenih otkaza opreme u prenaponskim stanicama i predlagati ciljane zaštitne mjere.

1. Uvod u otvorene visokonaponske presjedace

Otvoreni visokonaponski presjedaci u određenoj 330 kV prenaponskoj staničnoj su raniji modeli serije GW4 proizvedeni od strane bivše tvornice visokonaponske opreme. Sastoje se od dvo-stupnate horizontalne strukture s lijevo-desnim simetrijom i sastoje se od baze, nosača, izolatora i glavnog vodnog sklopa. Glavni vodni sklop uključuje fleksibilne spojeve, terminalne klešte, vodne štapiće, kontakti, kontaktne prste, spirale i zaštite od kiše.

U rujnu 2017., tijekom redovnog održavanja, operateri su otkrili da su neki od ovih otvorenih presjedaca imali različite stupnjeve pukotina na svojim nosačima, pridružene teškom koroziji. To je predstavljalo ozbiljan sigurnosni rizik tijekom ručne upotrebe. Zbog toga je provedena makroskopska ispitivanja morfologije pukotine. Također je provedena mikroskopska metalografska analiza kontaminanata prikupljenih s obje strane nosača, sa strane klešta i terminala. Nadalje, spektrometar je korišten za kompletan analizu kemijskog sastava nosača, vodnih štapova i pripadajućih kontaminanata.

2. Rezultati inspekcije pukotina na nosaču

2.1 Makroskopska morfologija

Površinsko obloženje nosača presjedaca otvorila se, otkrivajući tešku koroziju. Na vidljivosti su bili očiti korozioni proizvodi između nosača i vodnog štapa. Pukotine su imale karakteristike krhke loma, s vidljivim "riba" ("plavec") obrazcima na površinama loma. Podrijetlo i zone širenja pukotine bile su crne ili tamnosive.

Mjeriteljstva zakrivljenosti pokazala su deformaciju od 3,0 mm na strani terminalne ploče i 2,0 mm na strani klešta, potvrđujući značajnu strukturnu distorziju nosača.

2.2 Mikroskopska morfologija

Mikroskopska metalografska analiza otkrila je debljinu sloja kontaminanata od 1,1-3,3 mm na strani klešta i 3,2-3,5 mm na strani terminalne ploče nosača.

2.3 Spektralna analiza

Spektrometrijska analiza nosača, vodnog štapa i kontaminanata dala je sljedeće ključne rezultate (vidi Tablicu 1):

• Nosač sadrži 94,3% aluminija, što ukazuje da je izrađen od lisnog aluminijastog legiranog čelika.

• Vodni štap sadrži 92,7% bakra, zajedno s tragovima elemenata, potvrđujući ga kao cev od bakrovog legiranog čelika.

• Kontaminanti također sadrže 94,3% aluminija.

U vlažnim atmosferskim uvjetima, aluminij (s nosača) i bakar (s vodnog štapa) formiraju galvanicku paru, pokrećući elektrokemijsku (galvanicnu) reakciju korozije. Taj proces generira korozione proizvode bogate aluminijevim ionima - identificirane kao primarni kontamini koji uzrokuju degradaciju materijala i konačno pukotine.

3. Analiza uzroka i zaštita

3.1 Analiza uzroka pucanja nosača

Općenito, propast metalnih materijala može se pripisati dvjema kategorijama faktora:

• Unutarnji faktori: vezani su na kvalitetu materijala i proizvodne procese;

• Vanjski faktori: vezani su na uvjete rada, poput mehaničkog opterećenja, vremena, temperature i okolišnog medija.

3.1.1 Analiza unutarnjih faktora

U projektima električnih mreža, metalne komponente obično podliježu strogoj kontroli kvalitete uključujući sastav materijala i očekivani životni vijek prije upotrebe. Iskustvo u polju pokazuje da vanjski visokonaponski prekidači rade u teškim uvjetima, a njihova pouzdanost uglavnom ovisi o vanjskim uvjetima rada umjesto intrinzičnih defekata materijala. Stoga, pucanje promatrane oslanjajuće rampe ovog prekidača nije posljedica loše kvalitete materijala, već je uglavnom pokrenuto izlaganjem okolišnim uvjetima.

3.1.2 Analiza vanjskih faktora

330 kV podstacijsko postrojenje nalazi se u sjeverozapadnoj regiji s tipičnim temperiranim polupustinjskim klimom—karakterizira ga suha zraka, obilna sunčeva svjetlost i velike dnevne i godišnje varijacije temperature. Zime su dugi i hladne s minimalnim padavinama, dok su ljeti kratka ali vruća.

Aluminijasti nosač podstacijskog prekidača neprekidno je izložen ovim teškim atmosferskim uvjetima, izložen jakim vjetrovima, termalnim ciklusima, akumulaciji leda i povremenim padavinama—uvjetima koji su vrlo povoljni za pucanje zbog korozije pod naprezanjem (SCC).

SCC odnosi se na krhku praskotinu opterećene metalne komponente u korozivnom okruženju. Njegovo pojavljivanje zahtijeva dva bitna uvjeta: tensilno naprezanje i specifičan korozivni medij.

U ovom slučaju:

• Tensilna naprezanja postoje prema dolje na obje strane donje srednjine nosača i prema gore u središtu, što rezultira neravnomjernom distribucijom naprezanja.

• Ova neravnomjerna opterećenja induciraju plastičnu deformaciju i klizište dislokacija u metalu, ubrzavajući inicijaciju, širenje i konačno pucanje SCC-a.

Nosač je izrađen od litog aluminijastog legiranog materijala. U prisutnosti vlage i prstana prašine koje formiraju otopljive kontaminate, lako se javlja galvanička i ravinska korozija—posebno na razmaku uz stub, gdje se može nagomilati voda ili led.

Sinergijski učinak tensilnog naprezanja i korozivnog napada konačno je doveli do pucanja.

Makroskopski, površine praskotina SCC-a obično pokazuju crne ili sivo-crne izvore i zone širenja praskotina zbog korozije, s naglim područjima krhke praskotine koje pokazuju radijalne uzorke ili "herringbone" oznake—točno kao što je bilo zapaženo na površini praskotina nosača prekidača. To jasno potvrđuje da je mechanism smrti bio pucanje zbog korozije pod naprezanjem.

3.2 Zaštitne protumjere protiv pucanja nosača

Kao najbrojnija oprema u podstacijskim postrojenjima, vanjski prekidači suočeni su s značajnim rizicima tijekom dugogodišnjeg rada u izloženim uvjetima—naročito s povećanim brojem neovisnih podstacijskih postrojenja, koja zahtijevaju veću pouzdanost. Predlažu se sljedeće četiri zaštitne strategije:

3.2.1 Instalacija zaštitnih oklopaca

Budući da su vanjski prekidači direktno izloženi atmosferskim uvjetima— posebno ranjivi u ekstremnim klimatskim uvjetima (npr. planinski hlad, visoka temperatura, obalna solenost ili zone sa ledom)—instalacija izolacijskih štitova ili zaštitnih oklopaca može stvoriti kontrolirano mikro-okruženje, značajno umanjavajući koroziju.

3.2.2 Poboljšanje redovitih pregleda

S obzirom da je neravnomjerno raspodjeljeno naprezanje u kombinaciji s teškim okolišnim uvjetima pokrenulo SCC, operateri moraju intenzivirati vizualne i mehaničke inspekcije ključnih komponenti—posebno nosača i zatvarajuće strukture—radi detektiranja ranih znakova deformacije, korozije ili pucanja i sprečavanja sekundarnih oštećenja ili sigurnosnih incidenta.

3.2.3 Jačanje nadzora nad korozijom

Nadzor stanja opreme u podstacijskom postrojenju nije samo učinkovit način poboljšanja učinkovitosti održavanja, već i temelj upravljanja imovinom u cijelom životnom vijeku. Treba aktivno implementirati napredne tehnologije za detekciju korozije i stvarno vrijeme praćenja za periodičnu, ciljanu procjenu vanjskih prekidača i njihovih dodataka.

3.2.4 Primjena visokoperformantnih antikorozivnih prevlaka

Primjena visokokvalitetnih antikorozivnih prevlaka jedan je od najučinkovitijih načina za inhibiranje korozije na opremi u podstacijskom postrojenju. Na nosačima prekidača, prevlaci s odličnom otpornosti na penetraciju kiseonika, vlage i joniziranih kontaminanata mogu učinkovito izolirati površinu metala od korozivnih agensa. Takvi prevlaci pružaju čvrstu fizičku barjeru, stvarajući pouzdanu prvu liniju obrane protiv degradacije okoliša.

4. Zaključak

Na temelju kompleksnog testiranja i analize nosača, vodilnice i kontaminanata s vanjskog visokonaponskog prekidača 330 kV podstacijskog postrojenja, dovedeni su sljedeći zaključci:

(1) Glavni uzrok pucanja nosača je pucanje zbog korozije pod naprezanjem (SCC). Neravnomjerno tensilno naprezanje na osnovi nosača, u kombinaciji s ravinskom korozijom u razmaku uz stub u uvjetima fluktuirajućeg klimatskog stanja, ubrzalo je degradaciju materijala i konačno dovelo do praskotine.

(2) Preporučene zaštitne mjere uključuju instalaciju izolacijskih oklopaca, primjenu visokoproizvodnih protukorozivnih premaza, unapređenje redovitih pregleda i implementaciju sustavnog monitoringa korozije. Za specifična mesta treba razviti kompleksnu strategiju smanjenja korozije prilagođenu lokaciji kako bi se osigurala sigurna, stabilna i pouzdana operacija opreme podstacione.