Analiza pękania podstawy montażowej w zewnętrznych wysokonapiowych wyłącznikach odłączeniowych na stacji przekształtniczej

Stan operacyjny i niezawodność sprzętu w stacjach przekształtniowych bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo i stabilność sieci elektroenergetycznej. Większość sprzętu stacjonarnego składa się z elementów metalowych wykonanych z różnych materiałów, takich jak czysta miedź, stal węglowa i nierdzewna. W trakcie długotrwałej eksploatacji degradacja właściwości tych materiałów metalowych często prowadzi do awarii sprzętu, stanowiąc istotne zagrożenie dla bezpiecznej i stabilnej pracy stacji.

Jednym z najbardziej charakterystycznych przykładów są odłączniki napięcia wysokiego napięcia zewnętrzne. Ich prawidłowe działanie jest kluczowe nie tylko dla niezawodności, bezpieczeństwa i stabilności dostawy energii w stacjach, ale także dlatego, że ich awaria może potencjalnie spowodować zawalenie całej sieci energetycznej. Dlatego też ma duże znaczenie aktywne analizowanie podstawowych przyczyn typowych awarii sprzętu w stacjach oraz proponowanie celowych środków ochronnych.

1. Wprowadzenie do odłączników napięcia wysokiego napięcia zewnętrznych

Odłączniki napięcia wysokiego napięcia zewnętrzne w pewnej stacji przekształtniowej 330 kV to wcześniejsze modele serii GW4 wyprodukowane przez dawną fabrykę sprzętu wysokiego napięcia. Posiadają one dwukolumnową poziomą strukturę z symetrią lewo-prawo i składają się z podstawy, podpór, izolatorów i głównego zespołu przewodzącego. Główny zespół przewodzący obejmuje elastyczne połączenia, zaciski końcowe, pręty przewodzące, kontakty, palce kontaktowe, sprężyny oraz osłony przeciwdeszczowe.

W wrześniu 2017 roku podczas rutynowego konserwacji operatorzy odkryli, że niektóre z tych odłączników zewnętrznych miały różnego stopnia pękania podpór, obok poważnej korozji. To stanowiło poważne zagrożenie bezpieczeństwa podczas ręcznej obsługi. W związku z tym przeprowadzono makroskopowy przegląd morfologii pęknięć. Ponadto przeprowadzono mikroskopową analizę metalograficzną zanieczyszczeń zebranych zarówno ze strony zacisku, jak i ze strony zacisku końcowego podpór. Dodatkowo za pomocą spektrometru przeprowadzono kompleksową analizę składu chemicznego podpór, prętów przewodzących i związanych z nimi zanieczyszczeń.

2. Wyniki inspekcji pękania podpór

2.1 Makroskopowa morfologia

Pokrycie powierzchniowe podpór odłączników było oderwane, ujawniając poważną korozję. Między podporą a prętem przewodzącym obserwowano oczywiste produkty korozji. Pęknięcia miały cechy kruchego pękania, z widocznymi wzorami w kształcie "strzałki" ("kości rybich") na powierzchniach pęknięć. Miejsce powstania i strefy rozprzestrzeniania pęknięć były czarne lub ciemnoszare.

Pomiary ugięcia wykazały deformację 3,0 mm ze strony deski końcowej i 2,0 mm ze strony zacisku, potwierdzając istotne zniekształcenie strukturalne podpory.

2.2 Mikroskopowa morfologia

Mikroskopowa analiza metalograficzna ujawniła grubość warstwy zanieczyszczeń od 1,1 do 3,3 mm ze strony zacisku i od 3,2 do 3,5 mm ze strony deski końcowej podpory.

2.3 Analiza spektralna

Spektrometryczna analiza podpory, pręta przewodzącego i zanieczyszczeń dała następujące kluczowe wnioski (patrz tabela 1):

• Podpora zawierała 94,3% aluminium, co wskazuje, że została wykonana z odlewnego stopu aluminium.

• Pręt przewodzący zawierał 92,7% miedzi, wraz z pierwiastkami śladowymi, potwierdzając, że jest to rurka ze stopu miedzi.

• Zanieczyszczenia również zawierały 94,3% aluminium.

W wilgotnych warunkach atmosferycznych aluminium (z podpory) i miedź (z pręta przewodzącego) tworzą parę galwaniczną, wywołując reakcję elektrochemiczną (galwaniczną) korozji. Ten proces generuje bogate w jony aluminium produkty korozji – identyfikowane jako główne zanieczyszczenie powodujące degradację materiału i ostatecznie pękanie.

3. Analiza przyczyn i środki ochronne

3.1 Analiza przyczyn pękania podstawy montażowej

Ogólnie rzecz biorąc, awaria materiału metalowego może być przypisana do dwóch kategorii czynników:

• Czynniki wewnętrzne: związane z jakością materiału i procesami produkcyjnymi;

• Czynniki zewnętrzne: związane z warunkami eksploatacji, takimi jak obciążenie mechaniczne, czas, temperatura i środowisko.

3.1.1 Analiza czynników wewnętrznych

W projektach sieci energetycznych metalowe komponenty zwykle podlegają rygorystycznym kontroli jakości, w tym składu materiałów i oczekiwanej długości życia, przed wprowadzeniem do użytku. Doświadczenia polowe pokazują, że zewnętrzne wysokie-napięciowe przełączniki działają w surowych warunkach, a ich niezawodność jest głównie kierowana przez zewnętrzne warunki eksploatacji, a nie wewnętrzne defekty materiałowe. Zatem pękanie zaobserwowane w podstawie montażowej tego przełącznika nie wynika z niskiej jakości materiału, ale jest przede wszystkim spowodowane ekspozycją na środowisko.

3.1.2 Analiza czynników zewnętrznych

Stacja 330 kV znajduje się w regionie północno-zachodnim o typowym klimacie umiarkowanym półpustynnym - charakteryzuje się suchym powietrzem, obfitym nasłonecznieniem i dużymi wahnięciami temperatury dziennych i rocznych. Zimy są długie i zimne z minimalnym opadem, podczas gdy lata są krótkie, ale gorące.

Podstawa montażowa przełącznika wykonana z stopu aluminium była ciągle narażona na to surowe środowiskowe, poddana silnym wiatrom, cyklicznym zmianom temperatury, nagromadzeniu lodu i okresowemu opadowi deszczu - warunki sprzyjające pękaniu korozji pod naprężeniem (SCC).

Pękanie korozji pod naprężeniem odnosi się do kruchego pękania obciążonego elementu metalowego w środowisku korodującym. Jego wystąpienie wymaga dwóch niezbędnych warunków: naprężenia rozciągającego i specyficznej korodującej substancji.

W tym przypadku:

• Naprężenia rozciągające istnieją w dół po obu stronach centralnej linii podstawy i w górę w środku, co prowadzi do nierównomiernego rozkładu naprężeń.

• To nierównomiernie rozłożone obciążenie powoduje plastyczne odkształcenie i przesunięcie dyslokacji w metalu, co przyspiesza inicjowanie, rozprzestrzenianie się i ostateczne pękanie SCC.

Podstawa jest wykonana ze stopu aluminium odlewanego. W obecności wilgoci i pyłów zawieszonych w powietrzu, które tworzą rozpuszczalne zanieczyszczenia, łatwo występują korozja galwaniczna i korozja szczelinowa - szczególnie w szczelinie przy zacisku, gdzie może gromadzić się woda lub lód.

Synergistyczny wpływ naprężeń rozciągających i ataku korozji ostatecznie doprowadził do pękania.

Makroskopowo, powierzchnie pęknięcia SCC zazwyczaj wykazują czarne lub szaroczarnie źródła i strefy rozprzestrzeniania się pęknięcia z powodu korozji, z nagłymi obszarami pękania kruchego wykazującymi wzory promieniste lub strzałkowe ("herringbone") - dokładnie odpowiadając morfologii pęknięcia podstawy montażowej przełącznika. To potwierdza, że mechanizmem awarii było pękanie korozji pod naprężeniem.

3.2 Środki ochronne przeciwko pękaniu podstawy montażowej

Jako najliczniejszy typ sprzętu w stacjach transformatorowych, zewnętrzne przełączniki wysokiego napięcia stoją w obliczu znacznych ryzyk podczas długotrwałej eksploatacji w otwartym środowisku - zwłaszcza z rosnącą liczbą stacji bezobsługowych, które wymagają większej niezawodności. Zaproponowane są następujące cztery strategie ochronne:

3.2.1 Montaż osłon ochronnych

Ponieważ zewnętrzne przełączniki wysokiego napięcia są bezpośrednio narażone na warunki atmosferyczne - szczególnie w ekstremalnych klimatach (np. alpejskie zimno, wysoka temperatura, nadmorska solność lub obszary zamarzania) - montaż tarcz izolacyjnych lub osłon ochronnych może stworzyć kontrolowane mikrośrodowisko, znacznie zmniejszając korozję.

3.2.2 Wzmocnienie rutynowych kontroli

Zważywszy, że nierównomierny rozkład naprężeń w połączeniu z surowymi warunkami środowiskowymi spowodował SCC, operatorzy muszą intensyfikować wizualne i mechaniczne kontrole kluczowych komponentów - szczególnie podstaw montażowych i konstrukcji zaciskowych - aby wykryć wczesne oznaki deformacji, korozji lub pękania i zapobiec wtórnym uszkodzeniom lub incydentom bezpieczeństwa.

3.2.3 Wzmocnienie monitoringu korozji

Monitorowanie stanu sprzętu stacji transformatorowych nie tylko jest skutecznym sposobem poprawy efektywności utrzymania, ale także fundamentem zarządzania aktywami w pełnym cyklu życia. Powinno się aktywnie wdrażać zaawansowane technologie detekcji korozji i monitorowania w czasie rzeczywistym dla okresowych, celowych ocen zewnętrznych przełączników wysokiego napięcia i ich elementów montażowych.

3.2.4 Stosowanie wysokowydajnych antykorozyjnych powłok

Stosowanie wysokiej jakości antykorozyjnych powłok jest jednym z najskuteczniejszych sposobów hamowania korozji sprzętu stacji transformatorowych. Na podstawach montażowych przełączników powłoki o doskonałej odporności na przenikanie tlenu, wilgoci i jonowych zanieczyszczeń mogą skutecznie izolować powierzchnię metalową od korodujących agentów. Takie powłoki zapewniają solidną fizyczną barierę ochronną, tworząc niezawodną pierwszą linię obrony przed degradacją środowiskową.

4. Podsumowanie

Na podstawie kompleksowych testów i analiz podstawy montażowej, pręta przewodzącego i zanieczyszczeń z zewnętrznego wysokiego-napięciowego przełącznika stacji 330 kV, wyciągnięto następujące wnioski:

(1) Główną przyczyną pękania podstawy montażowej jest pękanie korozji pod naprężeniem (SCC). Nierównomierny naprężenie rozciągające u podstawy podstawy, w połączeniu z korozją szczelinową w szczelinie przy zacisku w warunkach zmieniających się klimatycznych, przyspieszyło degradację materiału i ostatecznie doprowadziło do pękania.

(2) Zalecane środki ochronne obejmują montowanie obudów izolacyjnych, stosowanie wysokowydajnych powłok antykorozyjnych, wzmocnienie rutynowych kontroli oraz wdrożenie systematycznego monitoringu korozji. Dla konkretnych lokalizacji powinna zostać opracowana kompleksowa strategia miejscowej redukcji korozji, aby zapewnić bezpieczne, stabilne i niezawodne działanie urządzeń przekształtniaka.