Analisi della formazione di crepe nelle staffe di supporto dei disconnettori ad alta tensione all'aperto in una sottostazione

Lo stato operativo e l'affidabilità delle apparecchiature all'interno delle sottostazioni influiscono direttamente sulla sicurezza e stabilità della rete elettrica. La maggior parte dell'equipaggiamento delle sottostazioni è composto da componenti metallici realizzati con vari materiali come rame puro, acciaio al carbonio e acciaio inossidabile. Durante l'operazione a lungo termine, la degradazione delle prestazioni di questi materiali metallici spesso porta a guasti dell'equipaggiamento, ponendo rischi significativi per l'operazione sicura e stabile delle sottostazioni.

Gli interruttori disgiuntori ad alta tensione esterni sono un esempio tipico. Il loro funzionamento corretto è cruciale non solo per l'affidabilità, la sicurezza e la stabilità dell'approvvigionamento elettrico della sottostazione, ma anche perché il loro malfunzionamento può potenzialmente scatenare il collasso dell'intera rete elettrica. Pertanto, è di grande importanza analizzare attivamente le cause radicate dei guasti comuni dell'equipaggiamento nelle sottostazioni e proporre misure protettive mirate.

1. Introduzione agli interruttori disgiuntori ad alta tensione esterni

Gli interruttori disgiuntori ad alta tensione esterni di una certa sottostazione a 330 kV sono prodotti della serie GW4 di un ex stabilimento di commutatori ad alta tensione. Presentano una struttura orizzontale a doppia colonna con simmetria sinistra-destra e sono composti da base, supporti, isolatori e un insieme conduttore principale. L'insieme conduttore principale include connettori flessibili, morsetti terminali, barre conduttrici, contatti, dita di contatto, molle e protezioni contro la pioggia.

Nel settembre 2017, durante la manutenzione di routine, gli operatori hanno scoperto che alcuni di questi interruttori disgiuntori esterni presentavano diverse gradi di crepe nei supporti, accompagnate da una grave corrosione. Questo ha rappresentato un serio pericolo di sicurezza durante l'operazione manuale. Di conseguenza, è stata condotta un'esame macroscopico della morfologia delle crepe. Inoltre, è stata effettuata un'analisi metallografica microscopica sui contaminanti raccolti sia dal lato del morsetto che dal lato terminale dei supporti. In aggiunta, uno spettrometro è stato utilizzato per analizzare in modo esaustivo la composizione chimica dei supporti, delle barre conduttrici e dei contaminanti associati.

2. Risultati dell'ispezione delle crepe nei supporti

2.1 Morfologia macroscopica

Il rivestimento superficiale dei supporti degli interruttori disgiuntori si era staccato, rivelando una grave corrosione. Sono state osservate evidenti prodotti di corrosione tra il supporto e la barra conduttrice. Le crepe mostravano caratteristiche di frattura fragile, con schemi a V ("a coda di rondine") visibili sulle superfici di frattura. L'origine e le zone di propagazione delle crepe apparivano nere o grigio scuro.

Le misurazioni di deflessione hanno rivelato una deformazione di 3,0 mm sul lato del pannello terminale e 2,0 mm sul lato del morsetto, confermando una distorsione strutturale significativa del supporto.

2.2 Morfologia microscopica

L'analisi metallografica microscopica ha rivelato spessori di strati di contaminanti di 1,1-3,3 mm sul lato del morsetto e 3,2-3,5 mm sul lato del pannello terminale del supporto.

2.3 Analisi spettrografica

L'analisi spettrografica del supporto, della barra conduttrice e dei contaminanti ha fornito i seguenti risultati chiave (vedi Tabella 1):

• Il supporto conteneva 94,3% di alluminio, indicando che era realizzato in lega di alluminio fuso.

• La barra conduttrice conteneva 92,7% di rame, oltre a tracce di elementi, confermando che si trattava di un tubo in lega di rame.

• I contaminanti contenevano anche 94,3% di alluminio.

In condizioni atmosferiche umide, l'alluminio (dal supporto) e il rame (dalla barra conduttrice) formano una coppia galvanica, innescando una reazione di corrosione elettrochimica (galvanica). Questo processo genera prodotti di corrosione ricchi di ioni di alluminio, identificati come il principale contaminante responsabile della degradazione del materiale e della successiva formazione di crepe.

3. Analisi delle Cause e Misure Protettive

3.1 Analisi delle Cause della Rottura del Supporto

In generale, il fallimento dei materiali metallici può essere attribuito a due categorie di fattori:

• Fattori interni: legati alla qualità del materiale e ai processi di fabbricazione;

• Fattori esterni: legati alle condizioni di servizio come carichi meccanici, tempo, temperatura e mezzi ambientali.

3.1.1 Analisi dei Fattori Interni

Nei progetti di rete elettrica, i componenti metallici sono solitamente sottoposti a rigorosi controlli di qualità, inclusa la composizione del materiale e la durata prevista, prima della loro installazione. L'esperienza sul campo mostra che gli interruttori ad aria libera ad alta tensione operano in ambienti severi, e la loro affidabilità è principalmente governata dalle condizioni di servizio esterne piuttosto che da difetti intrinseci del materiale. Pertanto, la rottura osservata nel supporto di questo interruttore non è dovuta a una cattiva qualità del materiale, ma è principalmente determinata dall'esposizione ambientale.

3.1.2 Analisi dei Fattori Esterni

La sottostazione a 330 kV si trova in una regione nord-occidentale con un clima temperato semi-arido tipico, caratterizzato da aria secca, abbondanza di sole e ampie variazioni di temperatura giornaliere e annuali. Gli inverni sono lunghi e freddi con poca precipitazione, mentre le estati sono brevi ma calde.

Il supporto in lega di alluminio dell'interruttore è stato esposto continuamente a questo severo ambiente atmosferico, soggetto a forti venti, cicli termici, accumulo di ghiaccio e occasionali precipitazioni, condizioni altamente favorevoli alla corrosione da stress (SCC).

La SCC si riferisce alla frattura fragile di un componente metallico sotto stress in un ambiente corrosivo. La sua occorrenza richiede due condizioni essenziali: uno stress di trazione e un mezzo corrosivo specifico.

In questo caso:

• Gli stress di trazione esistono verso il basso su entrambi i lati della linea centrale inferiore del supporto e verso l'alto al centro, risultando in una distribuzione dello stress non uniforme.

• Questo carico non uniforme induce deformazione plastica e scivolamento di dislocazioni nel metallo, accelerando l'inizio, la propagazione e la frattura finale della SCC.

Il supporto è realizzato in lega di alluminio fuso. In presenza di umidità e particelle di polvere atmosferica che formano contaminanti solubili, la corrosione galvanica e crevice si verificano facilmente, specialmente nella fessura laterale del morsetto, dove possono accumularsi acqua o ghiaccio.

L'effetto sinergico dello stress di trazione e dell'attacco corrosivo ha infine portato alla rottura.

Macroscopicamente, le superfici di frattura della SCC mostrano solitamente origine e zone di propagazione nere o grigio-nerastre a causa della corrosione, con aree di frattura fragile improvvisa che presentano pattern radiali o a "coda di rondine" - esattamente come la morfologia della frattura osservata nel supporto dell'interruttore. Questo conferma fortemente che il meccanismo di rottura era la corrosione da stress.

3.2 Contromisure Protettive contro la Rottura del Supporto

Essendo il tipo di equipaggiamento più numeroso nelle sottostazioni, gli interruttori ad aria libera affrontano rischi significativi quando operano a lungo in ambienti esposti, soprattutto con l'aumento della distribuzione di sottostazioni non sorvegliate, che richiedono maggiore affidabilità. Si propongono le seguenti quattro strategie protettive:

3.2.1 Installare Involucri Protettivi

Poiché gli interruttori ad aria libera sono esposti direttamente alle condizioni atmosferiche e sono particolarmente vulnerabili in climi estremi (ad esempio, freddo alpino, caldo intenso, salinità costiera o zone di ghiacciatura), l'installazione di schermi isolanti o involucri protettivi può creare un microambiente controllato, riducendo significativamente la corrosione.

3.2.2 Intensificare le Ispettioni Routine

Poiché la distribuzione non uniforme dello stress combinata con condizioni ambientali severe ha innescato la SCC, gli operatori devono intensificare le ispezioni visive e meccaniche dei componenti critici, specialmente i supporti di base e le strutture di fissaggio, per rilevare i primi segni di deformazione, corrosione o rottura e prevenire danni secondari o incidenti di sicurezza.

3.2.3 Rafforzare il Monitoraggio della Corrosione

Il monitoraggio delle condizioni degli equipaggiamenti delle sottostazioni non è solo un mezzo efficiente per migliorare l'efficacia della manutenzione, ma anche un pilastro fondamentale della gestione degli asset a ciclo completo. Dovrebbero essere attivamente implementate tecnologie avanzate di rilevamento e monitoraggio in tempo reale della corrosione per valutazioni periodiche e mirate degli interruttori ad aria libera e dei loro accessori.

3.2.4 Applicare Rivestimenti Anticorrosivi ad Alto Prestazione

L'applicazione di rivestimenti anticorrosivi di alta qualità è uno dei modi più efficaci per inibire la corrosione sugli equipaggiamenti delle sottostazioni. Nei supporti degli interruttori, rivestimenti con eccellente resistenza alla permeazione di ossigeno, umidità e contaminanti ionici possono isolare efficacemente la superficie metallica dagli agenti corrosivi. Tali rivestimenti forniscono una robusta protezione fisica, stabilendo una prima linea di difesa affidabile contro la degradazione ambientale.

4. Conclusione

In base a test e analisi approfonditi del supporto, del conduttore e dei contaminanti provenienti dall'interruttore ad alta tensione all'aperto della sottostazione a 330 kV, si traggono le seguenti conclusioni:

(1) La causa principale della rottura del supporto è la corrosione da stress (SCC). Lo stress di trazione non uniforme alla base del supporto, combinato con la corrosione crevice nella fessura laterale del morsetto in condizioni climatiche fluttuanti, ha accelerato la degradazione del materiale e ha portato alla frattura.

(2) Le misure di protezione raccomandate includono l'installazione di involucri isolanti, l'applicazione di rivestimenti anticorrosivi ad alte prestazioni, il rafforzamento delle ispezioni di routine e la messa in atto di un monitoraggio sistematico della corrosione. Per i siti specifici, dovrebbe essere sviluppata una strategia complessiva e specifica del sito per la mitigazione della corrosione, al fine di garantire il funzionamento sicuro, stabile e affidabile dell'attrezzatura della sottostazione.