Szakaszösszergető törékenységének elemzése a települési felszíni magfeszültségű kapcsolókban egy átalakítóállomásban

Az átalakítóállomásokban található felszerelések működési állapota és megbízhatósága közvetlenül befolyásolja az elektromos hálózat biztonságát és stabilitását. A legtöbb átalakítóállomási eszköz különböző anyagokból, mint tiszta réz, szénacél és rostfém, készült fémrészekből áll. A hosszú távú működés során ezeknek a fémes anyagoknak a teljesítménye gyakran romlik, ami felszerelési hibákat eredményez, amelyek jelentős kockázatot jelentenek az átalakítóállomások biztonságos és stabil működésére nézve.

A külső magasfeszültségű kapcsolók egy példa erre. Azok megfelelő működése nem csak az átalakítóállomások energiaszállításának megbízhatóságára, biztonságára és stabilitására vonatkozik, de a hiba esetén potenciálisan leterhelhetik az egész elektromos hálózatot is. Ezért nagyon fontos, hogy aktívan elemzés alatt helyezzük a gyakori felszerelési hibák okait az átalakítóállomásokban, és céltudatos védelmi intézkedéseket javasoljunk.

1. Bevezetés a külső magasfeszültségű kapcsolókba

Egy adott 330 kV-os átalakítóállomás külső magasfeszültségű kapcsolói korábbi modell GW4-sorozatú termékek, egy régi magasfeszültségű kapcsológyárban készültek. Egy kettős oszlopos vízszintes szerkezetet alkotnak, jobb-bal szimmetriával, és tartalmazzák a bázist, a támogató kereteket, a izolátorokat, valamint a fő vezető összeállítást. A fő vezető összeállítás rugalmas csatlakozókat, végkapcsolókat, vezető rúdokat, kapcsolódási felületeket, kapcsolóujjakat, rugókat és esővédtetőket tartalmaz.

Szeptember 2017-ben, rutin karbantartás során, a műveleti személyzet felfedezte, hogy néhány külső kapcsolón belül a támogató keretekben különböző mértékű repedések jelennek meg, súlyos férgezéssel együtt. Ez komoly biztonsági kockázatot jelentett kézi műveleteknél. Ennek eredményeként a repedések morfológiájának makroszkópos vizsgálata történt. Továbbá mikroszkópos metallográfiai elemzést végeztek a támogató keretekről, a végkapcsoló oldaláról és a termináloldaláról gyűjtött kontaminánsokon. Ezen felül spektrométerrel részletesen elemezték a támogató keretek, a vezető rúdok és a hozzájuk kapcsolódó kontaminánsok kémiai összetételét.

2. A támogató keretek repedéseinek vizsgálatai

2.1 Makroszkópos morfológia

A kapcsoló támogató kereteinek felületi bevonása lehullott, súlyos férgezést mutatva. Nyilvánvaló férgezési termékek voltak láthatók a keret és a vezető rúd között. A repedések rugalmatlannak tűnő törikkel jellemzőek voltak, a törikfelületeken „harka” („húsos”) minták voltak láthatók. A repedés kezdőpontja és terjedési zónája fekete vagy sötét szürkének tűnt.

A torzítási mérések szerint a termináloldalon 3,0 mm, a végkapcsoló oldalon pedig 2,0 mm-es deformáció volt érzékelhető, ami jelentős szerkezeti torzulást bizonyított a kereten.

2.2 Mikroszkópos morfológia

Mikroszkópos metallográfiai elemzés során a támogató keret végkapcsoló oldalán 1,1–3,3 mm, a termináloldalán pedig 3,2–3,5 mm vastagságú kontaminánsréteg volt kimutatható.

2.3 Spektrális elemzés

A támogató keret, a vezető rúd és a kontaminánsok spektrométeres elemzése a következő főbb eredményeket hozta (lásd: Táblázat 1):

• A támogató keret 94,3%-os alumíniumot tartalmazott, ami azt jelzi, hogy nyomtatott alumíniumsavanyúkból készült.

• A vezető rúd 92,7%-os rézzel, valamint nyomkodó elemekkel rendelkezett, amely megerősíti, hogy ez egy rézötvözet csövéről van szó.

• A kontaminánsok is 94,3%-os alumíniumot tartalmaztak.

Páratartalmú légkörben az alumínium (a keretből) és a réz (a vezető rúdból) galvanikus párként viselkedik, amely elektrokémiai (galvanikus) férgezési reakciót indít el. Ez a folyamat alumíniumion-gazdag férgezési termékeket hoz létre, amelyek a fő kontaminánsként az anyag romlását és végül a repedést okozzák.

3. Ok és védelmi intézkedések

3.1 Az alákapcsoló támogató rácspultjának megkavarodásának okainak elemzése

Általánosságban, a fém anyagok meghibásodása két fő tényezőre tekinthető vissza:

• Belső tényezők: az anyag minőségével és a gyártási folyamatokkal kapcsolatos;

• Külső tényezők: a szolgáltatási feltételekkel, mint például a mechanikai terhelés, az idő, a hőmérséklet és a környezeti közeg.

3.1.1 Belső tényezők elemzése

A villamos hálózati projektekben a fémes alkatrészek általában szigorú minőség-ellenőrzést eszenek át, beleértve az anyag összetételét és a várt élettartamot, mielőtt üzembe helyezik őket. A mezői tapasztalat szerint a külső magasfeszültségi alákapcsolók kemény környezetben működnek, és megbízhatóságuk nagy mértékben a külső szolgáltatási feltételektől függ, nem pedig a belső anyagi hibáktól. Ezért a megfigyelt támogató rácspult megkavarodása nem rossz anyagminőség miatt adódott, hanem elsősorban a környezeti expozícióval.

3.1.2 Külső tényezők elemzése

A 330 kV átalakítóállomás egy délkeleti régióban található, ahol tipikus temperált száraz éghajlat uralkodik—száraz levegő, gazdag napsütés, és nagy nap- és évi hőmérséklet-változások jellemzik. A téli hónapok hosszúak és hideg, kevés csapadék mellett, míg a nyarak rövidek, de forrók.

Az alákapcsoló alumíniumlemezes támogató rácspulta ezen súlyos atmoszféri környezetben maradt, erős szél, hőciklus, jéggyűjtés és rendszeres eső hatására—ami nagyon kedvező a stresszcsoport-korrózió (SCC) kialakulásához.

A SCC a feszült fém alkatrész ropogást jelenti korróziós környezetben. Kialakulásához két alapvető feltétel szükséges: feszültség és specifikus korróziós közeg.

Ebben az esetben:

• Feszültség létezik a rácspult aljának középső vonalának mindkét oldalán lefelé, és felülfele a közepén, ami egyenletesen elosztott feszültséget eredményez.

• Ez a nem egyenletes terhelés plazma deformációt és dislokációs csúszást indukál a fémben, ami a SCC indítását, terjedését és végül a ropogást gyorsítja.

A rácspult lyukasztott alumíniumból készült. A nedvesség és a levegőben lévő por részecskék, amelyek oldható szennyezőket alkotnak, galvanikus és lyukasztott korróziót okozhatnak—különösen a fogó oldali résnél, ahol víz vagy jég gyülethet.

A feszültség és a korróziós támadás szinergikus hatása végül a megkavarodáshoz vezetett.

Makroszkopikusan, a SCC ropogási felületei általában fekete vagy sötétkék ropogási eredetet és terjedési zónákat mutatnak, ahol a hirtelen ropogó területek sugaras mintázatokat vagy csiga ("harka") jeleket mutatnak—pontosan megegyezve a megfigyelt ropogási morfológiával. Ez erősen megerősíti, hogy a kivitel stresszcsoport-korrózió volt.

3.2 Védelmi intézkedések a rácspult megkavarodásának megelőzésére

Mivel a külső alákapcsolók a legtöbb eszköz típusa az átalakítóállomásokban, jelentős kockázatokkal szembesülnek, ha hosszú ideig kitett környezetben működnek—különösen a felügyelet nélküli állomások növekvő üzembe helyezésével, amelyek magasabb megbízhatóságot igényelnek. A következő négy védelmi stratégiát javasoljuk:

3.2.1 Védő bárnya telepítése

Mivel a külső alákapcsolók közvetlenül kitettek az atmoszfér viszonyai előtt—különösen sebezhetőek extrém klímákban (pl. hegyi hideg, nagy hő, partvidéki sótartalom, vagy jégzónák)—a izolációs pajzsok vagy védő bárnyák telepítése ellenőrizhető mikro-környezetet hoz létre, ami jelentősen csökkenti a korróziót.

3.2.2 Rendszeres ellenőrzések megerősítése

Mivel a nem egyenletes feszültségeloszlás és a kemény környezeti feltételek indították a SCC-t, a műveleti személyzetnek intensíven kell vizuális és mechanikai ellenőrzéseket végeznie a kritikus alkatrészekre—különösen a támogató alapokra és a fogó szerkezetekre—hogy korai jeleket fedezzen fel a deformáció, korrózió vagy megkavarodás tekintetében, és elkerülje a másodlagos károkat vagy biztonsági incidenseket.

3.2.3 Korrózió-monitoring megerősítése

Az átalakítóállomás eszközeinek állapotának monitorozása nem csak hatékony módszer a karbantartási hatékonyság javítására, de a teljes életciklus-alapú vagyonkezelés sarokköve is. Fejlett korrózió-érzékelési és valós idejű monitorozási technológiákat aktívan kell telepíteni a külső alákapcsolók és hozzájuk tartozó alkatrészek rendszeres, célzott felmérésére.

3.2.4 Magas teljesítményű antikorróziós bevonatok alkalmazása

Magas minőségű antikorróziós bevonatok alkalmazása az egyik leghatékonyabb módja a korrózió megakadályozásának az átalakítóállomások eszközein. Az alákapcsoló támogató rácspultjain a légkörrel, nedvességgel és ionikus szennyezőkkel szemben nagyon jó peremelettel rendelkező bevonatok hatékonyan elszigetelik a fémet a korróziós tényezőktől. Ilyen bevonatok erős fizikai akadályt biztosítanak, megalapozva a környezeti romlás elleni megbízható első sorban fellépő védelmi sort.

4. Következtetés

A 330 kV átalakítóállomás külső magasfeszültségi alákapcsolójának támogató rácspultjának, vezető rúdának és szennyezőinek teljes tesztelése és elemzése alapján a következő következtetéseket vonhatunk le:

(1) A támogató rácspult megkavarodásának fő oka a stresszcsoport-korrózió (SCC). A rácspult alján lévő nem egyenletes feszültség, kombinálva a fogó oldali résnél a lyukasztott korrózióval a változó klimatikus körülmények között, gyorsította az anyag romlását, és végül a ropogáshoz vezetett.

(2) A javasolt védelmi intézkedések közé tartozik az elszigetelő bonyolultságok telepítése, a magas teljesítményű szellemtartó rétegek alkalmazása, a rutin ellenőrzések megerősítése és a rendszeres szellemtartási monitorozás bevezetése. Adott helyeken specifikus, a helyre szabott teljes körű szellemtartási stratégiát kell kifejleszteni, hogy biztosítsa a berendezések biztonságos, stabil és megbízható működését a transzformátorházban.