Analiza pucanja nosača u odvojnicama visokog napon na otvorenom u transformatornoj stanici

Operativni status i pouzdanost opreme unutar transformatornih stanica direktno utiču na bezbednost i stabilnost električne mreže. Većina opreme u transformatornim stanicama sastoji se od metalnih komponenti izrađenih od različitih materijala, kao što su čist bakar, ugljeni čelik i nerjaveći čelik. Tijekom dugotrajnog rada, smanjenje performansi ovih metalnih materijala često dovodi do otkaza opreme, što predstavlja značajan rizik za bezbedno i stabilno funkcionisanje transformatornih stanica.

Vanjski visokonaponski prekidači su primjer. Njihovo pravilno funkcionisanje je ključno ne samo za pouzdanost, bezbednost i stabilnost snabdijevanja strujom u transformatornim stanicama, već i zato što njihov otkaz može potencijalno dovesti do kollapsa cele električne mreže. Stoga je od velike važnosti aktivno analizirati uzroke najčešćih otkaza opreme u transformatornim stanicama i predložiti ciljane zaštitne mere.

1. Uvod u vanjske visokonaponske prekidače

Vanjski visokonaponski prekidači u određenoj 330 kV transformatornoj stanici su proizvodi serije GW4 proizvedeni u bivšoj tvornici za visokonaponsku opremu. Imaju dvostupan horizontalni dizajn sa simetrijom lijevo-desno i sastoje se od baze, nosača, izolatora i glavnog vodnog sklopovlja. Glavno vodno sklopovlje uključuje fleksibilne spojeve, terminalne klešte, vodne štapiće, kontakte, kontaktne prste, spirale i zaštite od kiše.

U septembru 2017. godine, tokom redovnog održavanja, operateri su otkrili da neki od ovih vanjskih prekidača pokazuju različite stupnjeve pukotina u nosačima, uz tešku koroziju. To je predstavljalo ozbiljan sigurnosni rizik tijekom ručnog rada. Stoga je provedena makroskopska analiza morfologije pukotina. Također je provedena mikroskopska metalografska analiza kontaminanata prikupljenih sa strane klešta i strane terminala nosača. Nadalje, spektrometar je korišten za kompletan analizemi hemijskog sastava nosača, vodnih štapova i povezanih kontaminanata.

2. Rezultati inspekcije pukotina na nosačima

2.1 Makroskopska morfologija

Pokožnja na površini nosača prekidača odsutvala, otkrivajući tešku koroziju. Na otkrivenim mjestima između nosača i vodnog štapa bile su vidljive očigledne korozne proizvodi. Pukotine pokazivale su karakteristike krhke razloma, s vidljivim "hribastim" („herringbone“) obrazcima na površinama razloma. Područja poreklom i širenjem pukotina bile su crne ili tamnosive boje.

Merenja defleksije pokazala su deformaciju od 3,0 mm na strani terminalne ploče i 2,0 mm na strani klešta, potvrđujući značajnu strukturnu distorziju nosača.

2.2 Mikroskopska morfologija

Mikroskopska metalografska analiza otkrila je debljinu sloja kontaminanata od 1,1–3,3 mm na strani klešta i 3,2–3,5 mm na strani terminalne ploče nosača.

2.3 Spektralna analiza

Spektrometrijska analiza nosača, vodnog štapa i kontaminanata dala je sljedeće ključne rezultate (vidi Tabelu 1):

• Nosač sadrži 94,3% aluminija, što ukazuje da je izrađen od litog aluminijastog legiranog čelika.

• Vodni štap sadrži 92,7% bakra, zajedno s tragovima elemenata, potvrđujući ga kao cev od bakrenog legiranog čelika.

• Kontaminanti takođe sadrže 94,3% aluminija.

U vlaznom atmosferskom okruženju, aluminij (iz nosača) i bakar (iz vodnog štapa) formiraju galvanicu paru, što pokreće elektrokemijsku (galvanicu) reakciju korozije. Taj proces generiše korozne proizvode bogate aluminijonskim ionima - identificirane kao primarni kontaminate koji dovode do degradacije materijala i eventualnog pojavljivanja pukotina.

3. Analiza uzroka i zaštitne mere

3.1 Analiza uzroka pucanja nosača

Opšte gledano, neuspeh metala može se pripisati dvema kategorijama faktora:

• Unutarnji faktori: vezani za kvalitet materijala i proizvodni procesi;

• Spoljni faktori: vezani za uslove rada, kao što su mehaničko opterećenje, vreme, temperatura i okružujuće medije.

3.1.1 Analiza unutarnjih faktora

U projektima električnih mreža, metalne komponente obično podležu rigoroznim kontrolama kvaliteta, uključujući sastav materijala i očekivani vremenski period službe, pre njihove upotrebe. Poljski iskustvo pokazuje da vanjski visokonaponski odvojači rade u teškim uslovima, a njihova pouzdanost uglavnom je uticana spoljnim uslovima rada, a ne inerentnim defektima materijala. Stoga, pucanje koje je uočeno na nosaču ovog odvojača nije posljedica loše kvalitete materijala, već je uglavnom izazvano izlaganjem okruženju.

3.1.2 Analiza spoljnih faktora

330 kV podstacija se nalazi u severozapadnom regionu sa tipičnim temperiranim polupustinjskim klimom—karakterističnim su suchi zrak, obilna sunčeva svetlost i velike dnevne i godišnje variranje temperature. Zime su duge i hladne sa minimalnim opadima, dok su leta kratka ali topla.

Nosač od legure aluminijuma odvojača neprekidno je izložen ovom teškom atmosferskom okruženju, izložen jakim vetrom, termalnim ciklusima, akumulaciji leda i povremenicim kišnicama—uslovi koji su vrlo prikladni za pucanje stres korozije (SCC).

SCC se odnosi na krhiljku frakturu opterećene metaličke komponente u korozivnom okruženju. Njegovo pojavljivanje zahteva dva esencijalna uslova: tensilno opterećenje i specifičan korozivni medij.

U ovom slučaju:

• Tensilni stresovi postoje nadole na obje strane donje centarlinije nosača i nagore na centru, što dovodi do neravnomernog rasporeda stresa.

• Ovo neravnomerno opterećenje indukuje plastiku deformaciju i klizanje dislokacija u metalu, ubrzavajući inicijaciju, propagaciju i konačnu frakturu SCC.

Nosač je izrađen od odlivne legure aluminijuma. U prisutnosti vlage i čestica prašine koje formiraju rastvorljive kontaminate, lako se javlja galvanika i štapična korozija—posebno na razmaku na strani klešta, gde se može akumulirati voda ili ledena.

Sinergijski efekat tensilnog stresa i korozivnog napada konačno je doveli do pucanja.

Makroskopski, površine fraktura SCC obično pokazuju crne ili tamnosive izvore i zone propagacije zbog korozije, s područjima nagle krhiljke frakture koja pokazuje radijalne modele ili "ribna kost" oznake—potpuno se poklapaju sa uočenom morfologijom fraktura nosača odvojača. Ovo jasno potvrđuje da je mehanizam neuspjeha bio pucanje stres korozije.

3.2 Zaštitne kontra mere protiv pucanja nosača

Kao najbrojnija vrsta opreme u podstacijama, vanjski odvojači suočeni su sa značajnim rizicima kada dugotrajno rade u izloženim uslovima—posebno sa povećanim brojem bezosobnih podstacija, koje zahtevaju veću pouzdanost. Predlažu se sledeće četiri zaštitne strategije:

3.2.1 Instalacija zaštitnih oklopaca

Pošto su vanjski odvojači direktno izloženi atmosferskim uslovima—posebno ranjivi u ekstremnim klimatskim uslovima (npr. planinski hlad, visoka temperatura, obalna soljanost ili zoni ledenja)—instalacija izolacionih štitova ili zaštitnih oklopaca može stvoriti kontrolisan mikro-okruženje, znatno umanjavajući koroziju.

3.2.2 Unapređenje redovnih pregleda

S obzirom da je neravnomerno raspoređenje stresa u kombinaciji sa teškim uslovima okruženja izazvalo SCC, operateri moraju intenzivirati vizualne i mehaničke pregleda ključnih komponenti—posebno osnovnih nosača i kleštačkih struktura—radi detekcije ranih znakova deformacije, korozije ili pucanja i sprečavanja sekundarnog oštećenja ili incidenata bezbednosti.

3.2.3 Jačanje monitoringa korozije

Monitoring stanja opreme u podstacijama nije samo učinkoviti način za poboljšanje efikasnosti održavanja, već i temelj upravljanja imovinom u celom životnom ciklusu. Treba aktivno implementirati napredne tehnologije za detekciju korozije i real-time monitoring za periodičnu, ciljanu procenu vanjskih odvojača i njihovih priloga.

3.2.4 Primena visokoperformansnih antikorozivnih prevlaka

Primena visokokvalitetnih antikorozivnih prevlaka jeste jedan od najefikasnijih načina za inhibiciju korozije na opremi u podstacijama. Na nosačima odvojača, prevlaci sa izuzetnom otpornosti na penetraciju kiseonika, vlage i jonizovanih kontaminanata mogu efektivno izolovati metaličku površinu od korozivnih agensa. Takvi prevlaci pružaju čvrstu fizičku barjersku zaštitu, stvarajući pouzdanu prvu liniju obrane protiv degradacije okruženja.

4. Zaključak

Na osnovu kompletne testiranja i analize nosača, provodnog štapca i kontaminanata sa vanjskog visokonaponskog odvojača 330 kV podstacije, doneseni su sledeći zaključci:

(1) Glavni uzrok pucanja nosača jeste pucanje stres korozije (SCC). Neravnomerno tensilno opterećenje na bazi nosača, u kombinaciji sa štapičnom korozijom u razmaku na strani klešta pod fluktuativnim klimatskim uslovima, ubrzalo je degradaciju materijala i konačno dovelo do frakture.

(2) Preporučene zaštitne mere uključuju instalaciju izolacionih oklopova, primenu visokoperformansnih antikorozivnih prekrivača, jačanje redovnih pregleda i implementaciju sistematskog monitoringa korozije. Za specifične lokacije, treba razviti kompleksnu strategiju smanjenja korozije posebno za tu lokaciju kako bi se osigurala sigurna, stabilna i pouzdana operacija opreme podstajnice.