변전소의 야외 고압 차단기 지지대 균열 분석

변전소 내 장비의 운영 상태와 신뢰성은 전력망의 안전성과 안정성에 직접적으로 영향을 미칩니다. 대부분의 변전소 장비는 순수 구리, 탄소강, 스테인리스 강 등 다양한 재질의 금속 부품으로 구성되어 있습니다. 장기적인 운영 중 이러한 금속 재료의 성능 저하로 인해 장비 고장이 발생하여 변전소의 안전하고 안정적인 운영에 상당한 위험을 초래합니다.

실외 고압 차단기는 대표적인 예입니다. 이들의 정상적인 작동은 변전소 전력 공급의 신뢰성, 안전성, 안정성을 위해 중요하며, 그 실패는 전체 전력망의 붕괴를 유발할 수도 있습니다. 따라서 변전소에서 흔히 발생하는 장비 고장의 근본 원인을 적극적으로 분석하고 목표 지향적인 보호 조치를 제안하는 것이 매우 중요합니다.

1. 실외 고압 차단기 소개

특정 330 kV 변전소의 실외 고압 차단기는 과거 고압 스위치기 공장에서 제조한 초기 모델 GW4 시리즈 제품입니다. 이들은 좌우 대칭의 이중 기둥 수평 구조를 특징으로 하며, 기반, 지지대, 절연체, 주 도체 조립체로 구성됩니다. 주 도체 조립체는 유연한 연결기, 단자 클램프, 도체 막대, 접점, 접촉 핀, 스프링, 비보호판을 포함합니다.

2017년 9월 루틴 유지보수 중 일부 실외 차단기의 지지대에서 다양한 정도의 균열이 발견되었으며, 심각한 부식이 동반되었습니다. 이는 수동 작동 중에 심각한 안전 위험을 초래했습니다. 따라서 균열 형태의 거시적 검사가 수행되었고, 클램프 측과 단자 측 지지대에서 수집된 오염물에 대한 현미경 금속 조직 분석이 이루어졌습니다. 또한 분광계를 사용하여 지지대, 도체 막대 및 관련 오염물의 화학적 구성에 대한 종합적인 분석이 수행되었습니다.

2. 지지대 균열 검사 결과

2.1 거시적 형태

차단기 지지대의 표면 코팅이 벗겨져 심각한 부식이 관찰되었습니다. 지지대와 도체 막대 사이에 명백한 부식 생성물이 확인되었습니다. 균열은 취성 파괴의 특성을 나타냈으며, 균열 표면에는 V자형 ("갈매기 뼈"형) 패턴이 보였습니다. 균열 발생 및 확산 영역은 검은색 또는 어두운 회색으로 나타났습니다.

변형 측정 결과, 단자판 측에서는 3.0 mm, 클램프 측에서는 2.0 mm의 변형이 확인되어 지지대의 구조적 왜곡이 상당히 크다는 것을 확인하였습니다.

2.2 현미경적 형태

현미경 금속 조직 분석 결과, 지지대의 클램프 측에서 1.1-3.3 mm, 단자판 측에서 3.2-3.5 mm 두께의 오염층이 확인되었습니다.

2.3 분광 분석

지지대, 도체 막대 및 오염물에 대한 분광 분석 결과 다음과 같은 주요 발견이 있었습니다 (표 1 참조):

• 지지대는 94.3%의 알루미늄을 포함하여 주조 알루미늄 합금으로 제작되었다는 것을 나타냈습니다.

• 도체 막대는 92.7%의 구리를 포함하며, 미량 원소도 포함되어 구리 합금 튜브임을 확인하였습니다.

• 오염물에도 94.3%의 알루미늄이 포함되어 있었습니다.

습기가 많은 대기 조건에서 지지대의 알루미늄과 도체 막대의 구리는 갈바닉 쌍을 형성하여 전기화학적(갈바닉) 부식 반응을 일으킵니다. 이 과정에서 알루미늄 이온이 풍부한 부식 생성물이 생성되며, 이는 재료의 열화와 궁극적으로 균열을 유발하는 주요 오염원으로 확인되었습니다.

3. 원인 분석 및 보호 조치

3.1 지지대 균열 원인 분석

일반적으로 금속 재료의 파손은 두 가지 범주의 요인으로 귀착될 수 있습니다:

• 내부 요인: 재질 품질 및 제조 공정과 관련;

• 외부 요인: 기계적 부하, 시간, 온도, 환경 매체 등의 운용 조건과 관련.

3.1.1 내부 요인 분석

전력망 프로젝트에서 금속 구성 요소는 배포 전에 엄격한 품질 검사를 거칩니다—재료 구성과 예상 서비스 수명을 포함하여. 현장 경험에 따르면 야외 고압 차단기는 혹독한 환경에서 작동하며 그 신뢰성은 주로 외부 운용 조건에 의해 결정되며 본래의 재질 결함보다는 환경 노출에 의해 주로 영향을 받습니다. 따라서 이 차단기의 지지대에서 관찰된 균열은 재질의 낮은 품질 때문이 아니라 주로 환경 노출에 의해 발생합니다.

3.1.2 외부 요인 분석

330 kV 변전소는 건조한 공기, 풍부한 일조량, 큰 일일 및 연간 온도 변화를 특징으로 하는 대서양성 반건조 기후 지역에 위치해 있습니다. 겨울은 길고 추우며 강수량이 적으며, 여름은 짧지만 덥습니다.

알루미늄 합금 지지대는 이러한 혹독한 대기 환경에 지속적으로 노출되어 강풍, 열순환, 얼음 축적, 가끔씩의 비와 같은 조건에 노출되어 스트레스 부식 균열(SCC)을 유발하기 쉬운 환경입니다.

SCC는 부식 환경에서 인장 스트레스를 받은 금속 부품의 취성 파괴를 의미합니다. 그 발생에는 두 가지 필수 조건이 필요합니다: 인장 스트레스와 특정 부식 매체.

이 경우:

• 지지대 하단 중심선 양쪽에 인장 스트레스가 존재하고, 중앙에서는 상승 스트레스가 있어 스트레스 분포가 불균형합니다.

• 이 불균형한 부하로 금속에서 플라스틱 변형과 이동이 가속화되어 SCC의 발생, 확산, 최종 파괴를 촉진합니다.

지지대는 주조 알루미늄 합금으로 만들어져 있으며, 습기와 공중 먼지 입자가 용해 가능한 오염물질을 형성하면 갈바닉 부식과 크리브 부식이 쉽게 발생합니다—특히 클램프 사이의 간극에서 물이나 얼음이 축적되기 쉽습니다.

인장 스트레스와 부식 공격의 시너지 효과로 결국 균열이 발생했습니다.

거시적으로 SCC 균열 표면은 부식으로 인해 검은색 또는 회색-검은색 균열 발생점과 확산 구역을 보이며, 갑작스러운 취성 파괴 영역은 방사형 패턴이나 체vron("herringbone") 마킹을 나타냅니다—이는 관찰된 차단기 지지대의 균열 형태와 정확히 일치합니다. 이는 실패 메커니즘이 스트레스 부식 균열임을 강하게 확인합니다.

3.2 지지대 균열 방지 대책

야외 차단기는 변전소에서 가장 많은 장비 유형으로, 특히 무인 변전소의 증가로 인해 노출된 환경에서 장기간 운용할 때 상당한 위험을 안고 있습니다. 이를 위해 다음 네 가지 보호 전략을 제안합니다:

3.2.1 보호 케이스 설치

야외 차단기는 대기 조건에 직접 노출되며, 특히 극한 기후(예: 산악의 추위, 고온, 해안의 염분, 또는 결빙 지역)에서 취약합니다. 격리 실드나 보호 케이스를 설치하면 통제된 미세 환경을 생성하여 부식을 크게 줄일 수 있습니다.

3.2.2 정기 점검 강화

불균형한 스트레스 분포와 혹독한 환경 조건이 SCC를 유발했기 때문에, 운영자는 특히 기초 지지대와 클램핑 구조물과 같은 중요한 구성 요소에 대한 시각적 및 기계적 점검을 강화해야 합니다. 이를 통해 초기 변형, 부식, 균열의 징후를 발견하여 2차 손상이나 안전 사고를 예방할 수 있습니다.

3.2.3 부식 모니터링 강화

변전소 장비의 상태 모니터링은 유지보수 효율성을 높이는 데 효과적인 방법이며, 전체 수명 주기 자산 관리의 기반이 됩니다. 선진 부식 탐지 및 실시간 모니터링 기술을 적극 도입하여 야외 차단기와 그 부속물에 대해 주기적이고 목표적인 평가를 수행해야 합니다.

3.2.4 고성능 방부 코팅 적용

고품질 방부 코팅을 적용하는 것은 변전소 장비의 부식을 억제하는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다. 차단기 지지대에 산소, 습기, 이온성 오염물질의 침투 저항성이 우수한 코팅을 적용하면 금속 표면을 부식 요인으로부터 효과적으로 격리할 수 있습니다. 이러한 코팅은 강력한 물리적 장벽 보호를 제공하여 환경적 열화로부터 신뢰할 수 있는 첫 번째 방어선을 설정합니다.

4. 결론

330 kV 변전소의 야외 고압 차단기 지지대, 도전봉, 오염물질에 대한 포괄적인 테스트 및 분석을 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출했습니다:

(1) 지지대 균열의 주요 원인은 스트레스 부식 균열(SCC)입니다. 지지대 기반의 불균형한 인장 스트레스와 기후 변화 하에서 클램프 사이의 간극에서 발생하는 크리브 부식이 결합하여 재질의 열화를 가속화하고 결국 파괴를 초래했습니다.

(2) 권장되는 보호 조치에는 격리 장치 설치, 고성능 방식 처리 도포, 정기 점검 강화, 체계적인 부식 모니터링 실시가 포함됩니다. 특정 사이트의 경우 안전하고 안정적이며 신뢰할 수 있는 변전소 설비 운영을 보장하기 위해 포괄적인 사이트별 부식 완화 전략을 개발해야 합니다.