Analyse van het barsten van steunbeugels in buitenhoge-spanningsafschakelaars op een onderstation

De operationele status en betrouwbaarheid van apparatuur in elektriciteitsstations hebben directe invloed op de veiligheid en stabiliteit van het elektriciteitsnet. De meeste apparatuur in elektriciteitsstations bestaat uit metalen componenten gemaakt van verschillende materialen zoals puur koper, koolstofstaal en roestvrij staal. Tijdens lange tijd opereren kan de prestatie van deze metalen materialen afnemen, wat vaak leidt tot apparatuurfouten en aanzienlijke risico's voor de veilige en stabiele werking van elektriciteitsstations.

Buitenverklikkers met hoge spanning zijn een typisch voorbeeld. Hun correcte werking is cruciaal, niet alleen voor de betrouwbaarheid, veiligheid en stabiliteit van de stroomvoorziening in elektriciteitsstations, maar ook omdat hun fouten potentieel een instorting van het gehele elektriciteitsnet kunnen veroorzaken. Het is daarom van groot belang om actief de oorzaken van veelvoorkomende apparatuurfouten in elektriciteitsstations te analyseren en gerichte beschermingsmaatregelen voor te stellen.

1. Inleiding tot buitenverklikkers met hoge spanning

De buitenverklikkers met hoge spanning in een bepaald 330 kV-station zijn vroegere model GW4-serie producten die door een voormalige fabriek van hoogspanningsapparatuur zijn vervaardigd. Ze hebben een dubbele kolom horizontale structuur met symmetrie links en rechts en bestaan uit een basis, draagconstructies, isolatoren en een hoofdconductieve assemblage. De hoofdconductieve assemblage omvat flexibele verbindingen, terminalklemmen, conductieve staven, contacten, contactvingers, veren en regenschermen.

In september 2017 werden tijdens routineonderhoud verschillende mate van scheuren in de draagconstructies van deze buitenverklikkers waargenomen, vergezeld van ernstige corrosie. Dit stelde een ernstig veiligheidsrisico voor bij handmatige bediening. Daarom werd een macroscopische inspectie van de morfologie van de scheuren uitgevoerd. Bovendien werd een microscopische metallografische analyse uitgevoerd van de verontreinigingen die aan beide zijden van de draagconstructies waren verzameld. Daarnaast werd een spectrometer gebruikt om de chemische samenstelling van de draagconstructies, de conductieve staven en de bijbehorende verontreinigingen volledig te analyseren.

2. Inspectieresultaten van de scheuren in de draagconstructies

2.1 Macroscopische morfologie

De oppervlaktecoating van de draagconstructies van de verklikkers was afgebladderd, waardoor ernstige corrosie zichtbaar was. Duidelijke corrosieproducten werden waargenomen tussen de constructie en de conductieve staaf. De scheuren vertoonden kenmerken van brosheidsbreuk, met vishaaksymbolen ("haringgraat") op de breukvlakken. De oorsprong en verspreidingszones van de scheuren waren zwart of donker grijs.

Meetwaarden van buiging toonden een vervorming van 3,0 mm aan de zijde van het terminalbord en 2,0 mm aan de zijde van de klem, wat aanzienlijke structurele vervorming van de constructie bevestigde.

2.2 Microscopische morfologie

Microscopische metallografische analyses wezen op een verontreinigingslaagdikte van 1,1-3,3 mm aan de klemzijde en 3,2-3,5 mm aan de terminalbordzijde van de draagconstructie.

2.3 Spectrale analyse

Spectrometrische analyses van de draagconstructie, de conductieve staaf en de verontreinigingen leverden de volgende belangrijke bevindingen op (zie Tabel 1):

• De draagconstructie bevatte 94,3% aluminium, wat aangeeft dat het van gegoten aluminiumlegering is gemaakt.

• De conductieve staaf bevatte 92,7% koper, samen met sporenelementen, wat aantoont dat het een koperlegeringbuis is.

• De verontreinigingen bevatte ook 94,3% aluminium.

Onder vochtige atmosferische omstandigheden vormen aluminium (uit de constructie) en koper (uit de conductieve staaf) een galvanisch paar, wat een elektrochemische (galvanische) corrosiereactie activeert. Dit proces genereert aluminium-ionrijke corrosieproducten, die als de primaire verontreiniging worden geïdentificeerd die materiaaldegradatie en uiteindelijk scheuren veroorzaakt.

3. Oorzaksanalyse en Beschermende Maatregelen

3.1 Analyse van de Oorzaken van het Barsten van de Ondersteuningsbeugel

Over het algemeen kan het falen van metaalmaterialen worden toegeschreven aan twee categorieën factoren:

• Interne factoren: gerelateerd aan materiaalkwaliteit en productieprocessen;

• Externe factoren: gerelateerd aan omstandigheden tijdens gebruik zoals mechanische belasting, tijd, temperatuur en omgevingsmedia.

3.1.1 Analyse van Interne Factoren

In elektriciteitsnetwerken ondergaan metalen componenten meestal grondige kwaliteitscontroles, waaronder materiaalsamenstelling en verwachte levensduur, voordat ze worden ingezet. Veldervaring wijst uit dat buitendiensthoge spanningsschakelaars in strenge omgevingen opereren en hun betrouwbaarheid voornamelijk wordt bepaald door externe omstandigheden tijdens gebruik, in plaats van inherente materiaaldefecten. Daarom is het barsten dat in deze schakelaar is waargenomen, niet te wijten aan slechte materiaalkwaliteit, maar wordt het vooral gedreven door blootstelling aan de omgeving.

3.1.2 Analyse van Externe Factoren

Het 330 kV-knooppunt bevindt zich in een noordwestelijke regio met een typisch gematigd semi-aride klimaat - gekenmerkt door droge lucht, veel zonlicht en grote dagelijkse en jaarlijkse temperatuurverschillen. De winters zijn lang en koud met weinig neerslag, terwijl de zomers kort maar heet zijn.

De aluminiumlegeringondersteuningsbeugel van de schakelaar is continu blootgesteld aan deze strenge atmosferische omgeving, blootgesteld aan sterke winden, thermische cycli, ijsaanwas en incidentele regenval - omstandigheden die sterk bevorderlijk zijn voor stresscorrosiebarstvorming (SCC).

SCC verwijst naar de brosheid van een onder spanning staande metaalkomponent in een corrosieve omgeving. Het optreden ervan vereist twee essentiële voorwaarden: trekspanning en een specifiek corrosief medium.

In dit geval:

• Er bestaan trekspanningen naar beneden aan beide zijden van de onderste middenlijn van de beugel en naar boven in het midden, wat resulteert in een onevenwichtige spanningverdeling.

• Deze ongelijke belasting veroorzaakt plastische vervorming en dislocatieglijding in het metaal, waardoor de initiëring, voortplanting en uiteindelijke breuk van SCC worden versneld.

De beugel is gemaakt van gegoten aluminiumlegering. In aanwezigheid van vocht en vliegende stofdeeltjes die oplosbare verontreinigingen vormen, kunnen galvanische en holtecorrosie gemakkelijk optreden - vooral aan de kant van de klemspleet, waar water of ijs kan verzamelen.

Het synergetische effect van trekspanning en corrosieve aanval leidde uiteindelijk tot barstvorming.

Macroscopisch vertonen SCC-breukvlakken doorgaans zwarte of grijszwarte oorsprong en voortplantingszones door corrosie, met plotselinge brosheidbreukgebieden die stralenpatronen of herringbone-markeringen tonen - precies overeenkomend met de waargenomen breukmorfologie van de schakelaarbeugel. Dit bevestigt sterk dat het falenmechanisme stresscorrosiebarstvorming was.

3.2 Beschermende Tegenmaatregelen tegen Beugelbarstvorming

Als het meest talrijke type apparatuur in knooppunten staan buitendschakelaars bloot aan aanzienlijke risico's wanneer ze lange tijd in blootgestelde omgevingen opereren - vooral met de toenemende inzet van onbemande knooppunten, die hogere betrouwbaarheid eisen. De volgende vier beschermende strategieën worden voorgesteld:

3.2.1 Installatie van Beschermende Behuizingen

Aangezien buitendschakelaars direct blootstaan aan atmosferische omstandigheden - en bijzonder kwetsbaar zijn in extreme klimaten (bijvoorbeeld alpine kou, hoge hitte, kustsalinitiet of ijsgordels) - kan het installeren van isolerende schilden of beschermende behuizingen een gecontroleerde micro-omgeving creëren, waardoor corrosie aanzienlijk wordt verminderd.

3.2.2 Versterking van Regelmatige Inspecties

Gezien het feit dat een onevenwichtige spanningverdeling in combinatie met strenge omgevingsomstandigheden SCC heeft getriggerd, moeten operators visuele en mechanische inspecties van cruciale componenten - vooral basissteunen en klempconstructies - intensiveren om vroege tekenen van vervorming, corrosie of barstvorming te detecteren en secundaire schade of veiligheidsincidenten te voorkomen.

3.2.3 Versterking van Corrosiebewaking

Toestandsbewaking van knooppuntenapparatuur is niet alleen een efficiënte manier om de effectiviteit van onderhoud te verbeteren, maar ook een hoeksteen van volledig levenscyclusassetmanagement. Geavanceerde corrosiedetectie- en real-time bewakingstechnologieën moeten actief worden ingezet voor periodieke, gerichte beoordeling van buitendschakelaars en hun toebehoren.

3.2.4 Toepassing van Hoogwaardige Anti-Corrosiecoatings

Het toepassen van hoogwaardige anti-corrosiecoatings is een van de meest effectieve manieren om corrosie op knooppuntenapparatuur te remmen. Op schakelaarsteunbeugels kunnen coatings met uitstekende weerstand tegen permeabiliteit door zuurstof, vocht en ionische verontreinigingen het metaaloppervlak effectief isoleren van corrosieve agenten. Dergelijke coatings bieden robuuste fysieke barrièrebescherming, waardoor een betrouwbare eerste verdedigingslinie wordt opgezet tegen milieuverderving.

4. Conclusie

Op basis van een grondige test en analyse van de ondersteuningsbeugel, geleiderod en verontreinigingen van de 330 kV-knooppuntenbuitendiensthoge spanningsschakelaar, worden de volgende conclusies getrokken:

(1) De primaire oorzaak van het barsten van de ondersteuningsbeugel is stresscorrosiebarstvorming (SCC). Een onevenwichtige trekspanning aan de basis van de beugel, in combinatie met holtecorrosie in de klemspleet onder fluctuerende klimatologische omstandigheden, versnelde het materiaalverval en leidde uiteindelijk tot breuk.

(2) Aanbevolen beschermingsmaatregelen omvatten het installeren van isolatiekasten, het aanbrengen van hoogwaardige anticorrosielakken, het versterken van routine-inspecties en het implementeren van systematische corrosiebewaking. Voor specifieke locaties dient een uitgebreide locatiespecifieke strategie voor corrosiebestrijding te worden ontwikkeld om de veilige, stabiele en betrouwbare werking van onderstationapparatuur te waarborgen.