Анализ растрескивания опорных кронштейнов наружных высоковольтных разъединителей на подстанции

Рабочее состояние и надежность оборудования в подстанциях напрямую влияют на безопасность и стабильность энергосети. Большинство оборудования подстанций состоит из металлических компонентов, изготовленных из различных материалов, таких как чистая медь, углеродистая сталь и нержавеющая сталь. В процессе длительной эксплуатации деградация свойств этих металлических материалов часто приводит к отказам оборудования, что создает значительные риски для безопасной и стабильной работы подстанций.

Наружные высоковольтные разъединители являются ярким примером. Их правильная работа критически важна не только для надежности, безопасности и стабильности энергоснабжения подстанции, но и потому, что их отказ может потенциально вызвать коллапс всей энергосети. Поэтому имеет большое значение активно анализировать коренные причины распространенных отказов оборудования на подстанциях и предлагать целевые защитные меры.

1. Введение в наружные высоковольтные разъединители

Наружные высоковольтные разъединители на одной из подстанций 330 кВ являются ранними моделями серии GW4, произведенными бывшим заводом по производству высоковольтного коммутационного оборудования. Они имеют двухстоечную горизонтальную конструкцию с симметрией слева направо и состоят из основания, опорных скоб, изоляторов и главного проводящего узла. Главный проводящий узел включает гибкие соединители, зажимы, проводящие стержни, контакты, контактные пальцы, пружины и защитные экраны от дождя.

В сентябре 2017 года во время планового технического обслуживания операторы обнаружили, что некоторые из этих наружных разъединителей имели различные степени трещин в опорных скобах, сопровождающиеся серьезной коррозией. Это создавало серьезную опасность при ручном управлении. В результате был проведен макроскопический осмотр формы трещин. Кроме того, была проведена микроскопическая металлографическая анализ загрязнений, собранных со стороны зажима и со стороны терминала опорных скоб. Также спектрометр использовался для комплексного анализа химического состава опорных скоб, проводящих стержней и связанных с ними загрязнений.

2. Результаты проверки трещин в опорных скобах

2.1 Макроскопическая морфология

Поверхностное покрытие опорных скоб разъединителя было повреждено, обнажив серьезную коррозию. Между скобой и проводящим стержнем были замечены явные продукты коррозии. Трещины имели характер хрупкого разрушения, с видимыми «вилкообразными» («елочными») узорами на поверхностях разрывов. Зона происхождения и распространения трещин выглядела черной или темно-серой.

Измерения деформации показали искривление на 3,0 мм со стороны терминальной панели и 2,0 мм со стороны зажима, подтверждая значительное структурное искривление скобы.

2.2 Микроскопическая морфология

Микроскопический металлографический анализ показал толщину слоя загрязнений от 1,1 до 3,3 мм со стороны зажима и от 3,2 до 3,5 мм со стороны терминальной панели опорной скобы.

2.3 Спектральный анализ

Спектральный анализ опорной скобы, проводящего стержня и загрязнений дал следующие ключевые результаты (см. таблицу 1):

• Опорная скоба содержала 94,3% алюминия, что указывает на то, что она изготовлена из литейного алюминиевого сплава.

• Проводящий стержень содержал 92,7% меди, а также следовые элементы, что подтверждает его как медный сплав трубчатой формы.

• Загрязнения также содержали 94,3% алюминия.

В условиях влажной атмосферы алюминий (из скобы) и медь (из проводящего стержня) образуют гальваническую пару, запускающую электрохимическую (гальваническую) коррозионную реакцию. Этот процесс генерирует продукты коррозии, богатые ионами алюминия, которые были идентифицированы как основной загрязняющий фактор, вызывающий деградацию материала и, в конечном итоге, трещины.

3. Анализ причин и защитные меры

3.1 Анализ причин растрескивания опорной скобы

Обычно отказ металлического материала можно отнести к двум категориям факторов:

• Внутренние факторы: связанные с качеством материала и производственными процессами;

• Внешние факторы: связанные с условиями эксплуатации, такими как механические нагрузки, время, температура и окружающая среда.

3.1.1 Анализ внутренних факторов

В проектах электрических сетей металлические компоненты обычно проходят строгий контроль качества, включая состав материала и ожидаемый срок службы, перед их установкой. Практика показывает, что наружные высоковольтные разъединители работают в суровых условиях, и их надежность в основном определяется внешними условиями эксплуатации, а не внутренними дефектами материала. Следовательно, наблюдаемое растрескивание опорной скобы этого разъединителя не связано с низким качеством материала, а в основном вызвано воздействием окружающей среды.

3.1.2 Анализ внешних факторов

Подстанция 330 кВ расположена в северо-западном регионе с типичным умеренным субаридным климатом, характеризующимся сухим воздухом, обилием солнечного света и значительными суточными и годовыми колебаниями температуры. Зимы длинные и холодные с минимальным количеством осадков, а лето короткое, но жаркое.

Опорная скоба из алюминиевого сплава этого разъединителя постоянно подвергается воздействию этого сурового атмосферного окружения, испытывая сильные ветры, термические циклы, образование льда и случайные дожди — условия, крайне благоприятные для возникновения коррозионного растрескивания под напряжением (КРН).

КРН относится к хрупкому разрушению нагруженного металлического компонента в коррозионной среде. Для его возникновения необходимо два основных условия: растягивающее напряжение и определенная коррозионная среда.

В данном случае:

• Растягивающие напряжения существуют вниз по обе стороны от нижней центральной линии скобы и вверх в центре, что приводит к неравномерному распределению напряжений.

• Эта неравномерная нагрузка вызывает пластическую деформацию и скольжение дислокаций в металле, ускоряя начало, распространение и, в конечном итоге, разрушение КРН.

Скоба изготовлена из литого алюминиевого сплава. В присутствии влаги и пылевых частиц, образующих растворимые загрязнители, легко возникают гальваническая и щелевая коррозия, особенно в зазоре со стороны зажима, где может накапливаться вода или лед.

Синергетический эффект растягивающего напряжения и коррозионного воздействия в конечном итоге привел к растрескиванию.

Макроскопически поверхности разрушения при КРН обычно показывают черные или серо-черные зоны начала и распространения трещин из-за коррозии, с внезапными хрупкими зонами разрушения, имеющими радиальные или V-образные ("елочные") отметки — точно соответствующие наблюдаемой морфологии разрушения скобы разъединителя. Это сильно подтверждает, что механизм отказа был связан с коррозионным растрескиванием под напряжением.

3.2 Защитные меры против растрескивания скобы

Как наиболее многочисленное оборудование на подстанциях, наружные разъединители сталкиваются с значительными рисками при длительной эксплуатации в открытых условиях — особенно с увеличением числа необслуживаемых подстанций, которые требуют более высокой надежности. Предлагаются следующие четыре защитные стратегии:

3.2.1 Установка защитных кожухов

Поскольку наружные разъединители непосредственно подвергаются воздействию атмосферных условий и особенно уязвимы в экстремальных климатических условиях (например, в горах, при высоких температурах, в прибрежных зонах или зонах обледенения), установка изолирующих экранов или защитных кожухов может создать контролируемую микросреду, значительно снижающую коррозию.

3.2.2 Усиление регулярных осмотров

Учитывая, что неравномерное распределение напряжений в сочетании с суровыми условиями окружающей среды вызвало КРН, операторам необходимо интенсифицировать визуальные и механические осмотры критических компонентов, особенно опорных конструкций и зажимных устройств, чтобы выявить ранние признаки деформации, коррозии или растрескивания и предотвратить вторичные повреждения или аварии.

3.2.3 Усиление контроля за коррозией

Контроль состояния оборудования подстанции является не только эффективным средством повышения эффективности обслуживания, но и основой управления активами на протяжении всего жизненного цикла. Должны активно внедряться современные технологии обнаружения коррозии и реального времени для периодического целевого контроля наружных разъединителей и их креплений.

3.2.4 Применение высокоэффективных антикоррозионных покрытий

Применение высококачественных антикоррозионных покрытий является одним из самых эффективных способов предотвращения коррозии оборудования подстанций. На опорных скобах разъединителей покрытия с отличной устойчивостью к проникновению кислорода, влаги и ионных загрязнителей могут эффективно изолировать металлическую поверхность от коррозионных агентов. Такие покрытия обеспечивают надежную физическую барьерную защиту, создавая первую линию обороны против деградации окружающей среды.

4. Заключение

На основе всестороннего тестирования и анализа опорной скобы, проводящего стержня и загрязнителей из наружного высоковольтного разъединителя подстанции 330 кВ сделаны следующие выводы:

(1) Основной причиной растрескивания опорной скобы является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН). Неравномерное растягивающее напряжение в основании скобы, в сочетании с щелевой коррозией в зазоре со стороны зажима при колеблющихся климатических условиях, ускорило деградацию материала и в конечном итоге привело к разрушению.

(2) Рекомендуемые меры защиты включают установку изолирующих кожухов, применение высокопроизводительных антикоррозийных покрытий, усиление регулярных осмотров и внедрение систематического контроля коррозии. Для конкретных объектов следует разработать комплексную стратегию снижения коррозии, учитывающую особенности местности, чтобы обеспечить безопасную, стабильную и надежную работу оборудования подстанции.