変電所の屋外高圧分離スイッチにおける支持金具の亀裂発生解析

変電所内の設備の運転状態と信頼性は、電力網の安全性と安定性に直接影響します。ほとんどの変電所設備は純粋な銅、炭素鋼、ステンレス鋼などの様々な材料から作られた金属部品で構成されています。長期運転中にこれらの金属材料の性能が劣化すると、設備の故障につながり、変電所の安全かつ安定した運転に重大なリスクをもたらします。

屋外高圧遮断器はその典型的な例です。これらの適切な機能は、変電所の電力供給の信頼性、安全性、安定性だけでなく、故障が全体の電力網の崩壊を引き起こす可能性があるため、非常に重要です。そのため、変電所での一般的な設備故障の根本原因を積極的に分析し、対象となる保護措置を提案することは大いに意義があります。

1. 屋外高圧遮断器について

ある330 kV変電所の屋外高圧遮断器は、旧高圧開閉器工場製造の初期モデルのGW4シリーズ製品です。これらは左右対称の二柱水平構造を特徴とし、基台、支持金具、絶縁子、および主導体組み立てで構成されています。主導体組み立てには柔軟接続部、端子クランプ、導体棒、接触部、接触指、ばね、雨除けが含まれています。

2017年9月、定期的なメンテナンス中、オペレーターはこれらの屋外遮断器のいくつかの支持金具に異なる程度の亀裂と重度の腐食が見つかったことを発見しました。これは手動操作時に深刻な安全上の危険をもたらしました。結果として、亀裂の形態に関するマクロ観察が行われました。また、支持金具のクランプ側と端子側から採取された汚染物質に対して微視的な組織観察が行われました。さらに、スペクトロメータを使用して支持金具、導体棒、及び関連する汚染物質の化学成分を包括的に分析しました。

2. 支持金具の亀裂検査結果

2.1 マクロ形態

遮断器の支持金具の表面コーティングが剥がれ落ち、重度の腐食が明らかになりました。支持金具と導体棒との間に明確な腐食生成物が観察されました。亀裂は脆性破壊の特性を示し、破断面にはハerringboneパターンが見えました。亀裂発生源と進行区域は黒または暗灰色でした。

曲げ測定では、端子板側で3.0 mm、クランプ側で2.0 mmの変形が確認され、支持金具の構造的歪曲が著しいことが確認されました。

2.2 微視形態

微視的な組織観察により、支持金具のクランプ側で1.1-3.3 mm、端子板側で3.2-3.5 mmの汚染層厚さが明らかとなりました。

2.3 スペクトル分析

支持金具、導体棒、及び汚染物質に対するスペクトル分析から以下の主要な結果を得ました（表1参照）：

• 支持金具にはアルミニウムが94.3%含まれており、鋳造アルミニウム合金であることが示されました。

• 導体棒には銅が92.7%含まれており、微量要素とともに銅合金管であることが確認されました。

• 汚染物質にもアルミニウムが94.3%含まれていました。

湿った大気条件下では、支持金具からのアルミニウムと導体棒からの銅がガルバニックカップルを形成し、電気化学的な（ガルバニック）腐食反応を引き起こします。この過程で生成されるアルミニウムイオン豊富な腐食生成物が、材料の劣化と最終的な亀裂の主な原因となっています。

3. 原因分析と保護措置

3.1 支持金具の亀裂原因の分析

一般的に、金属材料の故障は以下の2つの要因に起因すると考えられます：

• 内部要因：材料の品質や製造プロセスに関連するもの；

• 外部要因：機械的負荷、時間、温度、環境媒体などの使用条件に関連するもの。

3.1.1 内部要因の分析

電力網プロジェクトにおいて、金属部品は通常、導入前に材料組成や期待される耐用年数を含む厳格な品質検査を受けます。現場の経験によれば、屋外高圧分離器は厳しい環境下で動作し、その信頼性は主に外部の使用条件によって制御され、本質的な材料欠陥によるものではありません。したがって、この分離器の支持金具で観察された亀裂は、材料の品質が悪いことではなく、主に環境への曝露によって引き起こされます。

3.1.2 外部要因の分析

330 kV変電所は、典型的な温暖半乾燥気候を持つ北西部に位置しており、乾燥した空気、豊富な日光、昼夜および年間を通じて大きな温度変動が特徴です。冬は長く寒く降水量が少なく、夏は短いですが暑いです。

アルミニウム合金製の支持金具は、この厳しい大気環境に長期間曝露されており、強風、熱サイクル、氷の蓄積、そして偶発的な降雨といった条件により、ストレス腐食割れ（SCC）を引き起こす可能性が高いです。

SCCとは、腐食環境下でストレスを受ける金属部品が脆性破壊することを指します。その発生には、引張り応力と特定の腐食媒体という2つの必須条件が必要です。

この場合：

• 支持金具の底面中央線の両側には下方に引張り応力があり、中央部には上方に引張り応力があり、応力分布が不均一です。

• この非均一な負荷は金属内の塑性ひずみと滑りを促進し、SCCの開始、進行、最終的な破断を加速します。

支持金具は鋳造アルミニウム合金で作られています。湿気と空中の塵粒子が溶け出す汚染物質を形成すると、特にクランプ側の隙間に水や氷が蓄積しやすい場所でガルバニック腐食や隙間腐食が容易に発生します。

引張り応力と腐食攻撃の相乗効果により、最終的に亀裂が発生しました。

マクロスコピックには、SCCの破断面は通常、腐食によって黒または灰色の亀裂発生源と進行領域を示し、急激な脆性破断領域は放射状パターンまたはハerringbone（鰭形）のマークを示します—これは分離器の支持金具の観察された破断形状と完全に一致しています。これは、失敗メカニズムがストレス腐食割れであることを強く確認しています。

3.2 支持金具の亀裂に対する保護対策

変電所で最も多く使用される設備である屋外分離器は、長期にわたって露出した環境下で動作する際、特に無人変電所の増加により高い信頼性が求められるため、重大なリスクを抱えています。以下に4つの保護戦略を提案します：

3.2.1 保護カバーの設置

屋外分離器は直接大気条件に曝露されているため、特に極端な気候（例えば高山の寒冷地、高温地帯、沿岸の塩害地域、または凍結ゾーン）では脆弱です。遮蔽板や保護カバーを設置することで制御されたマイクロ環境を作り出し、腐食を大幅に軽減することができます。

3.2.2 定期点検の強化

不均一な応力分布と過酷な環境条件がSCCを引き起こしたことを考慮し、オペレータは特に基盤サポートやクランプ構造のような重要な部品に対する視覚的および機械的検査を強化する必要があります。これにより、変形、腐食、または亀裂の初期兆候を早期に検出し、二次的な損傷や安全上の事故を防止できます。

3.2.3 腐食監視の強化

変電所設備の状態監視は、メンテナンス効率を向上させるだけでなく、全ライフサイクル資産管理の基礎となります。先進的な腐食検出とリアルタイム監視技術を積極的に導入し、屋外分離器およびその付属品に対する定期的かつ目標指向の評価を行うべきです。

3.2.4 高性能防錆コーティングの適用

高品質の防錆コーティングを適用することは、変電所設備の腐食を抑制する最も効果的な方法の一つです。分離器の支持金具に対して、酸素、水分、イオン性汚染物質の浸透に対する優れた耐性を持つコーティングを適用することで、金属表面を腐食剤から効果的に隔離することができます。このようなコーティングは堅牢な物理的バリア保護を提供し、環境劣化に対する信頼性の高い第一線の防御を確立します。

4. 結論

330 kV変電所の屋外高圧分離器の支持金具、導体棒、および汚染物質に関する包括的なテストと分析に基づいて、以下の結論が得られました：

(1) 支持金具の亀裂の主な原因はストレス腐食割れ（SCC）です。支持金具の基部での不均一な引張り応力と、気候条件の変動下でのクランプ側の隙間腐食が組み合わさることで、材料の劣化が加速され、最終的に破断につながりました。

(2) 推奨される保護措置には、絶縁カバーの設置、高性能防食コーティングの適用、定期的な点検の強化、および体系的な腐食監視の実施が含まれます。特定のサイトでは、変電所設備の安全で安定した信頼性のある動作を確保するために、包括的なサイト固有の腐食軽減戦略を開発する必要があります。