Analiza raztrosa podpornih okvirov na zunanje visokonapetostne odločilke v preobrazovalni postaji

Operativno stanje in zanesljivost opreme v preobrazovalnici neposredno vplivata na varnost in stabilnost električnega omrežja. Večina opreme v preobrazovalnicah sestavljena je iz kovinskih komponent, izdelanih iz različnih materialov, kot so čist bakar, ogljična jekla in nerjaveča jekla. Med dolgoročno uporabo pogosto pride do zmanjšanja zmogljivosti teh kovinskih materialov, kar privede do otežb pri delovanju opreme in predstavlja veliko tveganje za varno in stabilno delovanje preobrazovalnice.

Primeri zunanjih visokonapetostnih odločilnikov so primeri. Njihovo pravilno delovanje je ključno - ne le za zanesljivost, varnost in stabilnost oskrbe s strmo v preobrazovalnici, ampak tudi zato, ker bi njihov pokvarilo lahko potencialno povzročilo run večine ali celotnega električnega omrežja. Zato je zelo pomembno, da se aktivno analizirajo glavne vzroki običajnih otežb pri delovanju opreme v preobrazovalnici in predlagajo ustrezen zaščitni ukrepi.

1. Uvod v zunanje visokonapetostne odločilnike

Zunanji visokonapetostni odločilniki v določeni 330 kV preobrazovalnici so stari modeli serije GW4, izdelani v bivši tovarni za visokonapetostno preklopno opremo. Imajo dvostolpično horizontalno strukturo z levo-desno simetrijo in sestavljajo podlaga, nosilci, izolatorji in glavni vodilni sestav. Glavni vodilni sestav vključuje proste vezave, terminalne klešči, vodilne štapi, kontakte, kontaktne prste, spirale in zaščitne pokrove proti deževu.

V septembru 2017 je med redno vzdrževanjem operaterji ugotovili, da nekateri od teh zunanji odločilniki kažejo različne stopnje razbitosti v nosilcih, skupaj s hudo korozijo. To je ustvarilo resno varnostno tveganje med ročnim delovanjem. Zaradi tega je bil opravljen makroskopski pregled morfologije puknin. Poleg tega je bil izveden mikroskopski metalografski analiza kontaminantov, zbranih s strani klešča in terminala nosilcev. Tako je bil uporabljen spektrometer za celovito analizo kemijskega sestava nosilcev, vodilnih štapov in povezanih kontaminantov.

2. Rezultati pregleda razbitosti nosilcev

2.1 Makroskopska morfologija

Površinska premazna plast nosilcev odločilnika je odpadla, kar je razkrilo hudo korozijo. Na obeh straneh nosilca in vodilnega štapa so bile opazne očitne korozne produkte. Puknine so imele znake krho razbitosti, z vidnimi petelinjimi ("herringbone") vzorci na površini loma. Izvor in območje širjenja puknine sta bila črna ali temno siva barva.

Meritve odboja so pokazale deformacijo 3,0 mm na strani terminalne plošče in 2,0 mm na strani klešča, kar je potrdilo znatno strukturno izkrivljanje nosilca.

2.2 Mikroskopska morfologija

Mikroskopska metalografska analiza je razkrila debelino sloja kontaminantov od 1,1–3,3 mm na strani klešča in 3,2–3,5 mm na strani terminalne plošče nosilca.

2.3 Spektralna analiza

Spektrometrična analiza nosilca, vodilnega štapa in kontaminantov je prinesla naslednje ključne ugotovitve (glej Tabelo 1):

• Nosilec je vseboval 94,3% aluminija, kar kaže, da je izdelan iz litinastega aluminijevih legure.

• Vodilni štap je vseboval 92,7% bakra, skupaj s slednimi elementi, kar potrjuje, da gre za cevi bakrene legure.

• Kontaminanti so vsebovali tudi 94,3% aluminija.

V vlage atmosferskih pogojev tvori aluminij (iz nosilca) in bakar (iz vodilnega štapa) galvanski par, ki sproži elektrokemijsko (galvansko) korozijo. Ta proces ustvarja korozne produkte, bogate na aluminijione, ki so bili identificirani kot glavni kontamintant, ki povzroča degradacijo materiala in končno puknino.

3. Analiza vzrokov in zaščitne ukrepi

3.1 Analiza vzrokov razbitja nosilca

Splošno se materialna odpoved kovin lahko pripisuje dvema kategorijama dejavnikov:

• Notranji dejavniki: povezani s kakovostjo materiala in proizvodnimi postopki;

• Zunanji dejavniki: povezani z delovnimi pogoji, kot so mehanska obremenitev, čas, temperatura in okoljska medija.

3.1.1 Analiza notranjih dejavnikov

V projektih električnih omrežij se kovinske komponente običajno podvržeta strogim kakovostnim pregledom, vključno z sestavo materiala in pričakovano življenjsko dobo, pred uporabo. Izkušnje na terenu kažejo, da zunanjepodne visokonapetostne odsklopni preklopniki delujejo v težkih okoljih, njihova zanesljivost pa je predvsem odvisna od zunanjih delovnih pogojev, ne glede na lastne materialne defekte. Zato ni razbitje nosilca tega odsklopni preklopnika posledica slabe kakovosti materiala, ampak je glavno pogojeno z izpostavljenostjo okolju.

3.1.2 Analiza zunanjih dejavnikov

330 kV podnapeljevna postaja se nahaja v severozahodnem regiju z tipičnim temperiranim polsuhozem klimom, ki se loči s suhim zrakom, obiljem sončnega svetlobe in velikimi dnevnoletnimi temperaturnimi variacijami. Zimski obdobji so dolgi in hladni z minimalno padavinami, letni obdobji pa so kratki, a tople.

Nosilec odsklopni preklopnika iz aluminijevih zlitin je bil stalno izpostavljen temu težkemu atmosferskemu okolju, izpostavljen močnim vetrom, termičnim ciklom, akumulaciji ledu in povprečnemu padavinam – pogoji, ki so zelo spodbudni za napetostno korozijo (SCC).

SCC se nanaša na krhko razbitje obseženega kovinskega komponenta v korozivnem okolju. Njegova pojava zahteva dva bistvena pogoja: rastna napetost in specifično korozivno sredstvo.

V tem primeru:

• Rastne napetosti obstajajo navzdol na obeh straneh osnovne linije dna nosilca in navzgor na sredini, kar povzroča neravnomerno porazdelitev napetosti.

• Ta neravnomerna obremenitev ustvarja plastično deformacijo in premikanje dislokacij v kovini, kar pospešuje pojav, širjenje in končno razbitje SCC.

Nosilec je izdelan iz litih aluminijevih zlitin. V prisotnosti vlage in pršujočih prašnih delcev, ki tvorijo toplice kontaminante, se hitro pojavita galvanizna in vrzelna korozija – posebej na vrzelni strani, kjer se lahko nagromadi voda ali ledena.

Sinhronizirani učinek rastne napetosti in korozivnega napada končno vodi do razbitja.

Makroskopsko pokazujejo površine razbitja SCC običajno črne ali sivo-črne izvire in zone širjenja zaradi korozije, s nenadnimi krhkimi območji, ki kažejo radialne vzorce ali "makrelaste" označbe – točno ujemajo z opazovanom morfologijo razbitja nosilca odsklopni preklopnika. To močno potrjuje, da je mehanizem odpovedi bil napetostna korozija.

3.2 Zaščitni ukrepi proti razbitju nosilca

Kot najpogostejši opremni tip v podnapeljevnih postajah so zunanjepodni odsklopni preklopniki izpostavljeni velikim tveganjem pri dolgoročnem delovanju v izpostavljenih okoljih – še posebej z naraščajočo uporabo nepregledovanih podnapeljevnih postaj, ki zahtevajo višjo zanesljivost. Predlagamo naslednje štiri zaščitne strategije:

3.2.1 Namestiti zaščitne oklepaje

Ker so zunanjepodni odsklopni preklopniki neposredno izpostavljeni atmosferskim pogojiom – zlasti ranljivi v ekstremnih klimatskih pogojih (npr. alpski hlad, visoka vročina, obalna solenost ali ledena območja) – namestitev izolacijskih štitov ali zaščitnih oklepajev lahko ustvari nadziran mikro-okolje, kar znatno zmanjša korozijo.

3.2.2 Okrepiti redne pregledovanja

Ker je neravnomerna porazdelitev napetosti skupaj s težkimi okoljskimi pogoji sprožila SCC, morajo operatorji okrepiti vizualne in mehanske pregledovanja ključnih komponent – zlasti osnovnih nosilcev in zapornih struktur – za zgodnje zaznavanje znakov deformacije, korozije ali razbitja in preprečevanje sekundarnih poškodovanj ali varnostnih incidentov.

3.2.3 Okrepiti nadzor korozije

Stanje opreme v podnapeljevnih postajah je ne le učinkovito sredstvo za izboljšanje učinkovitosti vzdrževanja, ampak tudi temelj celotnega življenjskega cikla upravljanja sredstvi. Napredne tehnologije za zaznavanje korozije in realnočasni nadzor bi morale biti aktivno uporabljene za periodične, ciljne ocene zunanjepodnih odsklopnih preklopnikov in njihovih prilagoditev.

3.2.4 Uporaba visoko učinkovitih protikoroznih premazov

Uporaba visokokakovostnih protikoroznih premazov je eden najučinkovitejših načinov za oviranje korozije opreme v podnapeljevnih postajah. Na nosilcih odsklopnih preklopnikov premazi z odlično odpornostjo na preliv kiseika, vlage in ionskih kontamiantov lahko učinkovito izolirajo metalno površino od korozivnih sredstev. Takšni premazi zagotavljajo trdno fizično barierno zaščito, ki vzpostavlja zanesljivo prvo obrambno črto proti okoljskemu degradiranju.

4. Zaključek

Na podlagi kompleksnega testiranja in analize nosilca, prevodnega palice in kontamiantov z zunanjepodnega visokonapetostnega odsklopni preklopnika 330 kV podnapeljevne postaje so slednje zaključki:

(1) Glavni vzrok razbitja nosilca je napetostna korozija (SCC). Neravnomerna rastna napetost na dnu nosilca, skupaj s vrzelno korozijo na vrzelni strani v spremenljivih klimatskih pogojih, je pospešila degradacijo materiala in končno vodila do razbitja.

(2) Priporočene zaščitne mere vključujejo namestitev izolacijskih ohišji, uporabo visokoodpornih protikorozijskih premazov, izboljšanje rednih pregledov in uvedbo sistematičnega nadzora koroze. Za specifična mesta bi morala biti razvita celostna strategija zmanjševanja koroze, da se zagotovi varno, stabilno in zanesljivo delovanje opreme podstanic.