Análise da Trincagem do Suporte de Fixação em Desconectores de Alta Tensão ao Ar Livre em uma Subestação

O estado operacional e a confiabilidade dos equipamentos nas subestações afetam diretamente a segurança e a estabilidade da rede elétrica. A maioria dos equipamentos de subestação consiste em componentes metálicos feitos de diversos materiais, como cobre puro, aço carbono e aço inoxidável. Durante a operação de longo prazo, a degradação do desempenho desses materiais metálicos frequentemente leva a falhas de equipamento, representando riscos significativos para a operação segura e estável das subestações.

Os disjuntores de alta tensão externos são um exemplo típico. Seu funcionamento adequado é crucial não apenas para a confiabilidade, segurança e estabilidade do fornecimento de energia na subestação, mas também porque sua falha pode potencialmente desencadear o colapso de toda a rede elétrica. Portanto, é de grande importância analisar ativamente as causas raiz das falhas comuns de equipamentos em subestações e propor medidas de proteção direcionadas.

1. Introdução aos Disjuntores de Alta Tensão Externos

Os disjuntores de alta tensão externos em uma certa subestação de 330 kV são produtos da série GW4 de modelo antigo fabricados por uma fábrica de equipamentos de alta tensão anterior. Eles apresentam uma estrutura horizontal de dupla coluna com simetria esquerda-direita e consistem em base, suportes, isoladores e um conjunto condutor principal. O conjunto condutor principal inclui conectores flexíveis, grampas terminais, barras condutoras, contatos, dedos de contato, molas e proteções contra chuva.

Em setembro de 2017, durante a manutenção rotineira, os operadores descobriram que alguns desses disjuntores externos apresentavam diferentes graus de trincas nos suportes, acompanhadas de corrosão severa. Isso representava um perigo sério durante a operação manual. Consequentemente, foi realizada uma inspeção macroscópica da morfologia das trincas. Além disso, foi feita uma análise metalográfica microscópica dos contaminantes coletados tanto do lado da grampa quanto do lado do terminal dos suportes. Adicionalmente, um espectrômetro foi usado para analisar de forma abrangente a composição química dos suportes, das barras condutoras e dos contaminantes associados.

2. Resultados da Inspeção das Trincas nos Suportes

2.1 Morfologia Macroscópica

A camada de revestimento dos suportes dos disjuntores havia se soltado, revelando corrosão severa. Foram observados produtos de corrosão óbvios entre o suporte e a barra condutora. As trincas exibiam características de fratura frágil, com padrões em "V" ("em zigue-zague") visíveis nas superfícies de fratura. A origem e as zonas de propagação das trincas apareciam pretas ou cinza escuro.

As medições de deflexão mostraram uma deformação de 3,0 mm no lado do painel terminal e 2,0 mm no lado da grampa, confirmando uma distorção estrutural significativa do suporte.

2.2 Morfologia Microscópica

A análise metalográfica microscópica revelou espessuras de camada de contaminantes de 1,1 a 3,3 mm no lado da grampa e de 3,2 a 3,5 mm no lado do painel terminal do suporte.

2.3 Análise Espectral

A análise espectrométrica do suporte, da barra condutora e dos contaminantes resultou nas seguintes descobertas principais (veja a Tabela 1):

• O suporte continha 94,3% de alumínio, indicando que era feito de liga de alumínio fundido.

• A barra condutora continha 92,7% de cobre, junto com elementos traço, confirmando-a como tubo de liga de cobre.

• Os contaminantes também continham 94,3% de alumínio.

Em condições atmosféricas úmidas, o alumínio (do suporte) e o cobre (da barra condutora) formam um par galvânico, desencadeando uma reação de corrosão eletroquímica (galvânica). Este processo gera produtos de corrosão ricos em íons de alumínio, identificados como o principal contaminante causador da degradação do material e, eventualmente, das trincas.

3. Análise das Causas e Medidas Protetoras

3.1 Análise das Causas de Fissuração do Suporte

Geralmente, a falha de materiais metálicos pode ser atribuída a duas categorias de fatores:

• Fatores internos: relacionados à qualidade do material e aos processos de fabricação;

• Fatores externos: relacionados às condições de serviço, como carregamento mecânico, tempo, temperatura e meios ambientais.

3.1.1 Análise dos Fatores Internos

Nos projetos de redes elétricas, os componentes metálicos geralmente passam por rigorosas inspeções de qualidade, incluindo composição do material e vida útil esperada, antes de serem implantados. A experiência em campo mostra que os disjuntores de alta tensão externos operam em ambientes severos, e sua confiabilidade é predominantemente governada pelas condições de serviço externas, em vez de defeitos inerentes do material. Portanto, a fissura observada no suporte deste disjuntor não se deve à baixa qualidade do material, mas é principalmente impulsionada pela exposição ambiental.

3.1.2 Análise dos Fatores Externos

A subestação de 330 kV está localizada em uma região noroeste com um clima típico semiárido temperado, caracterizado por ar seco, abundância de sol e grandes variações de temperatura diurna e anual. Os invernos são longos e frios com pouca precipitação, enquanto os verões são curtos, mas quentes.

O suporte de liga de alumínio do disjuntor tem sido continuamente exposto a este ambiente atmosférico severo, sujeito a ventos fortes, ciclos térmicos, acúmulo de gelo e chuvas ocasionais, condições altamente propícias para a fissuração por corrosão sob tensão (SCC).

SCC refere-se à fratura frágil de um componente metálico sob tensão em um ambiente corrosivo. Sua ocorrência requer duas condições essenciais: tensão de tração e um meio corrosivo específico.

Neste caso:

• Existem tensões de tração para baixo em ambos os lados da linha central inferior do suporte e para cima no centro, resultando em distribuição de tensão desigual.

• Esta carga não uniforme induz deformação plástica e deslizamento de dislocação no metal, acelerando o início, a propagação e a eventual fratura da SCC.

O suporte é feito de liga de alumínio fundido. Na presença de umidade e partículas de poeira suspensas que formam contaminantes solúveis, ocorrem facilmente a corrosão galvânica e de reentrâncias, especialmente na lacuna do lado do parafuso, onde água ou gelo podem acumular-se.

O efeito sinérgico da tensão de tração e do ataque corrosivo levou, finalmente, à fissuração.

Macroscopicamente, as superfícies de fratura da SCC geralmente mostram origens de fissuras pretas ou cinza-pretas e zonas de propagação devido à corrosão, com áreas de fratura brusca exibindo padrões radiais ou marcas em forma de "V" ("serrilha") - exatamente correspondendo à morfologia de fratura observada no suporte do disjuntor. Isso confirma fortemente que o mecanismo de falha foi a fissuração por corrosão sob tensão.

3.2 Medidas Protetoras Contra a Fissuração do Suporte

Como o tipo de equipamento mais numeroso nas subestações, os disjuntores externos enfrentam riscos significativos ao operar por longos períodos em ambientes expostos, especialmente com o aumento da implantação de subestações sem supervisão, que exigem maior confiabilidade. As seguintes quatro estratégias protetoras são propostas:

3.2.1 Instalar Envolventes Protetoras

Como os disjuntores externos estão diretamente expostos às condições atmosféricas e são particularmente vulneráveis em climas extremos (por exemplo, frio alpino, calor intenso, salinidade costeira ou zonas de congelamento), a instalação de escudos de isolamento ou envolventes protetoras pode criar um microambiente controlado, mitigando significativamente a corrosão.

3.2.2 Intensificar as Inspeções Rotineiras

Dado que a distribuição desigual de tensão, combinada com condições ambientais severas, desencadeou a SCC, os operadores devem intensificar as inspeções visuais e mecânicas de componentes críticos, especialmente suportes de base e estruturas de fixação, para detectar sinais precoces de deformação, corrosão ou fissuração e prevenir danos secundários ou incidentes de segurança.

3.2.3 Fortalecer o Monitoramento da Corrosão

O monitoramento de condições do equipamento da subestação não é apenas um meio eficiente de melhorar a eficácia da manutenção, mas também um pilar fundamental da gestão de ativos ao longo de todo o ciclo de vida. Tecnologias avançadas de detecção de corrosão e monitoramento em tempo real devem ser ativamente implementadas para avaliações periódicas e direcionadas de disjuntores externos e seus acessórios.

3.2.4 Aplicar Revestimentos Anti-Corrosão de Alto Desempenho

A aplicação de revestimentos anti-corrosão de alta qualidade é uma das maneiras mais eficazes de inibir a corrosão no equipamento de subestações. Nos suportes de disjuntores, revestimentos com excelente resistência à permeação de oxigênio, umidade e contaminantes iônicos podem isolar efetivamente a superfície do metal de agentes corrosivos. Tais revestimentos fornecem proteção física robusta, estabelecendo uma linha de defesa confiável contra a degradação ambiental.

4. Conclusão

Com base em testes e análises abrangentes do suporte, haste condutora e contaminantes do disjuntor de alta tensão externo da subestação de 330 kV, chega-se às seguintes conclusões:

(1) A causa principal da fissuração do suporte é a fissuração por corrosão sob tensão (SCC). A tensão de tração desigual na base do suporte, combinada com a corrosão de reentrâncias na lacuna do lado do parafuso sob condições climáticas flutuantes, acelerou a degradação do material e, finalmente, levou à fratura.

(2) As medidas de proteção recomendadas incluem a instalação de invólucros de isolamento, a aplicação de revestimentos anticorrosivos de alto desempenho, a intensificação das inspeções rotineiras e a implementação de monitoramento sistemático da corrosão. Para locais específicos, deve ser desenvolvida uma estratégia abrangente e específica para o local de mitigação da corrosão, a fim de garantir a operação segura, estável e confiável do equipamento da subestação.