Analyse av sprekking i støttebrakett for utendørs høyspenningsavkoplingsbrytere på en transformasjonsstasjon

Driftsstatus og påliteligheten til utstyr i transformasjonsstasjoner har direkte innvirkning på sikkerheten og stabilitета на сеть. Большинство оборудования подстанций состоит из металлических компонентов, изготовленных из различных материалов, таких как чистая медь, углеродистая сталь и нержавеющая сталь. В ходе длительной эксплуатации ухудшение характеристик этих металлических материалов часто приводит к отказам оборудования, что представляет значительные риски для безопасной и стабильной работы подстанций.

Utendørs høyspenningsavkopslere er et typisk eksempel. Deres korrekte funksjonering er avgjørende - ikke bare for påliteligheten, sikkerheten og stabilitета в подаче электроэнергии на подстанции, но и потому, что их неисправность может потенциально вызвать обрушение всей энергосистемы. Поэтому имеет большое значение активно анализировать основные причины типичных отказов оборудования на подстанциях и предлагать целевые защитные меры.

1. Introduksjon til utendørs høyspenningsavkopslere

Utendørs høyspenningsavkopslere på en viss 330 kV-transformasjonsstasjon er tidligere modeller av GW4-serien produsert av en tidligere høyspenningsbryterfabrikk. De har en dobbeltkolonnested horisontal struktur med venstre-høyre symmetri og består av en base, støttehjørner, isolatorer og en hovedledningsgruppe. Hovedledningsgruppen inkluderer fleksible koblinger, terminalklammer, ledningsstaver, kontakter, kontaktfinger, fjærer og regnskygger.

I september 2017, under rutinemessig vedlikehold, oppdaget operatører at noen av disse utendørs avkopslere hadde ulike gradene av sprøhet i deres støttehjørner, sammen med alvorlig korrosjon. Dette representerte en alvorlig sikkerhetsrisiko under manuell drift. Derfor ble det gjennomført en makroskopisk undersøkelse av sprukkmorfologien. I tillegg ble mikroskopisk metallografisk analyse utført på forurensninger innsamlet fra både klammersiden og terminalsiden av støttehjørnene. Videre ble en spektrometer brukt til å analysere kjemisk sammensetningen av støttehjørnene, ledningsstavene og de tilhørende forurensningene komplette.

2. Inspeksjonsresultater av støttehjørne-sprukking

2.1 Makroskopisk morfologi

Overflaten av avkopslernes støttehjørner hadde blitt avskallet, og viste alvorlig korrosjon. Tydelige korrosjonsprodukter ble observert mellom hjørnet og ledningsstaven. Sprukkene viste egenskaper av brittelfraktur, med synlige "halelinje" ("herringbone") mønstre på fraktsurfacer. Sprukkeoppstarten og spredningszoner så svart eller mørkegrå ut.

Avviklingsmålinger viste en deformasjon på 3,0 mm på terminalbordets side og 2,0 mm på klammersiden, som bekreftet betydelig strukturell forvrengning av hjørnet.

2.2 Mikroskopisk morfologi

Mikroskopisk metallografisk analyse avdekket forurenset lagtykkelse på 1,1–3,3 mm på klammersiden og 3,2–3,5 mm på terminalbordets side av støttehjørnet.

2.3 Spektralanalyse

Spektrometriske analyser av støttehjørnet, ledningsstaven og forurensningene ga følgende nøkkelpunkter (se Tabell 1):

• Støttehjørnet inneholdt 94,3% aluminium, noe som indikerer at det var laget av gjenstand aluminiumlegering.

• Ledningsstaven inneholdt 92,7% kobber, sammen med spor elementer, som bekrefter at det er en kobberlegeringsrør.

• Forurensete materialer inneholdt også 94,3% aluminium.

Under fuktige atmosfæriske forhold danner aluminium (fra hjørnet) og kobber (fra ledningsstaven) en galvanisk celle, som utløser en elektrokjemisk (galvanisk) korrosjonsreaksjon. Denne prosessen genererer aluminium-ion-rige korrosjonsprodukter - identifisert som den primære forurensete materiale som fører til materialedegresering og til slutt sprukking.

3. Årsaksanalyse og beskyttelsesforanstaltninger

3.1 Analyse av årsaker til sprekking i støttehylster

Generelt kan materialefeil hos metall tilskrives to kategorier med faktorer:

• Interne faktorer: relatert til materiakvalitet og produksjonsprosesser;

• Eksterne faktorer: relatert til driftsbetingelser som mekanisk belastning, tid, temperatur og miljømedier.

3.1.1 Analyse av interne faktorer

I kraftnettprosjekter undergår metallkomponenter vanligvis streng kvalitetskontroll – inkludert materialekomposisjon og forventet levetid – før de settes i drift. Erfaring fra feltet viser at utendørs høyspenningsskillekontakter opererer i tøffe miljøer, og deres pålitelighet er hovedsakelig styrt av eksterne driftsbetingelser snarere enn innvendige materialedefekter. Derfor er sprekkingen observert i dette skillekontaktens støttehylster ikke skyldig i dårlig materiakvalitet, men hovedsakelig drevet av miljøutsikt.

3.1.2 Analyse av eksterne faktorer

330 kV transformasjonen ligger i et nordvestlig område med typisk temperert halvtørket klima – kjennetegnet ved tørt luft, mye solskinn og store diurnale og årstidsmessige temperatursvingninger. Vinteren er lang og kald med minimal nedbør, mens sommeren er kort men varm.

Skillekontaktens aluminiumlegering støttehylster har vært kontinuerlig utsatt for dette alvorlige atmosfæriske miljøet, utsatt for sterke vind, termiske sykluser, isakkumulering og noen ganger nedbør – betingelser som er høy grad av stresskorrosjonssprekking (SCC).

SCC refererer til sprøtt brot av en stresset metallkomponent i et korrosivt miljø. Dets forekomst krever to nødvendige betingelser: struktlagring og et spesifikt korrosivt medium.

I dette tilfellet:

• Det finnes struktlagring nedover på begge sider av hylsters bunnlinje og oppover i midten, som resulterer i ujevn spredning av spenning.

• Denne ujevne lasten inducerer plastisk deformasjon og dislokasjonsløp i metallet, som forskynder start, utvikling og eventuelt brot av SCC.

Hylsteret er laget av støpt aluminiumlegering. I tilstedeværelsen av fuktighet og flyktige støvpartikler som dannet løselige forurensninger, forekommer galvanisk og spaltekorrosjon lett – spesielt i klemmesiden gap, hvor vann eller is kan akkumuleres.

Synergistisk effekt av struktlagring og korrosiv angrep ledet til slutt til sprekking.

Makroskopisk viser SCC-brotflater vanligvis svart eller gråsvarte sprekkesprang og utbredelsesområder på grunn av korrosjon, med plutselige sprøtt brotarealer som viser radielle mønstre eller hekkekam ("herringbone") merkelapper – nøyaktig samsvarer den observerte brotmorfologien av skillekontaktens hylster. Dette bekrefter sterkt at feilmechanismen var stresskorrosjonssprekking.

3.2 Beskyttende motforanstaltninger mot hylstersprekking

Som den mest antallmessige utstyrstype i transformasjoner, utsetter utendørs skillekontakter for betydelige risikoer når de opererer over lengre tid i eksponerte miljøer – spesielt med økende innføring av ubemannede transformasjoner, som krever høyere pålitelighet. Følgende fire beskyttende strategier foreslås:

3.2.1 Installere beskyttende kabinetter

Siden utendørs skillekontakter er direkte utsatt for atmosfæriske forhold – og spesielt sårbare i ekstreme klima (f.eks. fjellkalde, høy varme, kystsalinitet eller iszones) – kan installering av isolasjonsskjelder eller beskyttende kabinetter skape et kontrollert mikromiljø, noe som betydelig reduserer korrosjon.

3.2.2 Forbedre rutineinspeksjoner

Ettersom ujevn spredning av spenning kombinert med tøffe miljøforhold utløste SCC, må operatorer intensivere visuelle og mekaniske inspeksjoner av kritiske komponenter – spesielt basestøtter og klemmekonstruksjoner – for å oppdage tidlige tegn på deformasjon, korrosjon eller sprekking, og forhindre sekundær skade eller sikkerhetsulykker.

3.2.3 Forsterke korrosjonsmonitoring

Tilstandsovervåking av transformasjonsutstyr er ikke bare en effektiv måte å forbedre vedlikeholds effektivitet, men også en hjørnestein i full livssyklus aktivastyring. Avanserte korrosjonsdeteksjon og sanntidsovervåkingsteknologier bør aktivt implementeres for periodisk, målrettet vurdering av utendørs skillekontakter og deres tilbehør.

3.2.4 Anvende høyytelses korrosjonsbeskyttende belægninger

Anvendelse av høykvalitets korrosjonsbeskyttende belægninger er en av de mest effektive måtene å hindre korrosjon på transformasjonsutstyr. På skillekontaktens støttehylster, belægninger med fremragende motstand mot oksygen, fuktighet og ioniske forurensninger kan effektivt isolere metallsurfaksen fra korrosive agenser. Slike belægninger gir robust fysisk barrierebeskyttelse, etablerer en pålitelig første linje forsvar mot miljønedbryting.

4. Konklusjon

Basert på omfattende testing og analyse av støttehylster, ledende stang og forurensninger fra 330 kV transformasjonens utendørs høyspenningsskillekontakt, trekkes følgende konklusjoner:

(1) Den primære årsaken til sprekking i støttehylster er stresskorrosjonssprekking (SCC). Ujevn struktlagring i hylsterbasen, kombinert med spaltekorrosjon i klemmesiden gap under fluktuerte klimatiske forhold, forskyndet materialedegradasjon og førte til slutt til brot.

(2) Anbefalte beskyttelsesforanstaltninger inkluderer installering av isolerende kabinetter, bruk av høyytte korrosjonsvernende belægninger, forbedring av rutineinspeksjoner og implementering av systematisk korrosjonsmonitoring. For spesifikke steder bør en omfattende stedsspesifikk strategi for korrosjonsbekjempelse utarbeides for å sikre trygg, stabil og pålitelig drift av anleggsmateriell.