Analys av sprickbildning i stödställ för utomhus högspänningskopplingar på en anslutningsstation

Utrustningens driftstatus och tillförlitlighet inom anslutningsstationer påverkar direkt elnätets säkerhet och stabilitet. De flesta enheter i anslutningsstationer består av metallkomponenter gjorda av olika material som ren koppar, kolstål och rostfritt stål. Under långvarig drift kan prestandaförändringar av dessa metalliska material ofta leda till utrustningsfel, vilket innebär betydande risker för den säkra och stabila driften av anslutningsstationerna.

Utomhus högspänningskopplingar är ett typiskt exempel. Deras korrekta fungerande är kritiskt - inte bara för tillförlitligheten, säkerheten och stabiliteten i strömförsörjningen i anslutningsstationen, utan också eftersom deras fel kan potentiellt utlösa en sammanbrott av hela elnätet. Det är därför av stor betydelse att aktivt analysera de underliggande orsakerna till vanliga utrustningsfel i anslutningsstationer och föreslå riktade skyddsåtgärder.

1. Introduktion till utomhus högspänningskopplingar

De utomhus högspänningskopplingarna vid en viss 330 kV anslutningsstation är tidiga modeller av GW4-serien produkter tillverkade av en tidigare högspänningskopplingsfabrik. De har en dubbelkolonn horisontell struktur med symmetri från vänster till höger och består av en bas, stödstänger, isolatorer och en huvudledande sammansättning. Den huvudledande sammansättningen inkluderar flexibla kopplingar, terminalklamrar, ledande stänger, kontakter, kontaktfinger, fjädrar och regnskydd.

I september 2017, under rutinunderhåll, upptäckte operatörer att vissa av dessa utomhus kopplingar visade olika grad av sprickor i stödstängerna, förenade med allvarlig korrosion. Detta innebar en allvarlig säkerhetsrisk under manuell operation. Därför genomfördes en makroskopisk undersökning av sprickmorfologin. Dessutom utfördes mikroskopiska metallografiska analyser av föroreningar insamlade från både klamsidan och terminalsidan av stödstängerna. Vidare användes en spektrometer för att genomföra en omfattande analys av kemisk sammansättning av stödstänger, ledande stänger och associerade föroreningar.

2. Inspektionssresultat av stödstängers sprickbildning

2.1 Makroskopisk morfologi

Beläggningen på stödstängerna för kopplingen hade lossnat, vilket avslöjade allvarlig korrosion. Tydliga korrosionsprodukter observerades mellan stänger och ledande stänger. Sprickorna visade egenskaper av brottartad sprickbildning, med synbara "skeppsrumpsmönster" på bristsurfacerna. Sprickursprunget och spridningszoner var svarta eller mörkt grå.

Avvikelsemätningar visade en deformation på 3,0 mm på terminalsidan och 2,0 mm på klamsidan, vilket bekräftade en betydande strukturell förvrängning av stänger.

2.2 Mikroskopisk morfologi

Mikroskopiska metallografiska analyser avslöjade föroreningsskiktets tjocklekar på 1,1–3,3 mm på klamsidan och 3,2–3,5 mm på terminalsidan av stödstänger.

2.3 Spektralanalys

Spektrometriska analyser av stödstänger, ledande stänger och föroreningar resulterade i följande viktiga fynd (se Tabell 1):

• Stödstänger innehöll 94,3% aluminium, vilket indikerar att de var tillverkade av gjuten aluminiumlegering.

• Ledande stänger innehöll 92,7% koppar, tillsammans med spårämnen, vilket bekräftar det som en kopparlegeringsrör.

• Föroreningarna innehöll också 94,3% aluminium.

Under fuktiga atmosfäriska förhållanden bildar aluminium (från stänger) och koppar (från ledande stänger) en galvanisk par, vilket utlöser en elektrokemisk (galvanisk) korrosionsreaktion. Denna process genererar aluminium-ionrika korrosionsprodukter - identifierade som den primära föroreningen som orsakar materialdegradering och slutligen sprickbildning.

3. Orsaksanalys och skyddsåtgärder

3.1 Analys av orsaker till sprickbildning i stödbracket

Generellt kan materialfel hos metallmaterial tillskrivas två kategorier av faktorer:

• Inre faktorer: relaterade till materialkvalitet och tillverkningsprocesser;

• Yttre faktorer: relaterade till driftsförhållanden som mekanisk belastning, tid, temperatur och miljömedier.

3.1.1 Analys av inre faktorer

I elkraftnätprojekt undergår metallkomponenter vanligtvis strikta kvalitetskontroller, inklusive materialbestånd och förväntad livslängd, innan de sätts i drift. Erfarenheterna visar att utomhusbrytare i högspänningsanläggningar fungerar i hårda miljöer, och deras tillförlitlighet styrs främst av yttre driftförhållanden snarare än inbyggda materialdefekter. Därför beror den observerade sprickbildningen i denna brytares stödbracket inte på dålig materialkvalitet utan är främst drivet av miljöexponering.

3.1.2 Analys av yttre faktorer

330 kV-anläggningen ligger i en nordvästra region med ett typiskt tempererat halvtorkt klimat - karakteriserat av torr luft, rikligt med sol, stora dagliga och årliga temperaturvariationer. Vintern är lång och kall med minimal nederbörd, medan sommaren är kort men varm.

Brytarens aluminiumlegeringssupportbracket har varit kontinuerligt exponerad för detta hårda atmosfäriska miljö, utsatt för starka vindar, termiska cykler, isbildning och ibland regn - förhållanden som är mycket gynnsamma för spänningskorrosionsfraktur (SCC).

SCC hänvisar till brittla frakturer av en spänd metallkomponent i en korrosiv miljö. För dess uppkomst krävs två väsentliga villkor: dragspänning och ett specifikt korrosivt medium.

I detta fall:

• Dragspänningar finns nedåt på båda sidor av bracketens nedre mittpunkt och uppåt i mitten, vilket resulterar i ojämn spänningsfördelning.

• Denna ojämna last inducerar plastisk deformering och dislokationsglidning i metallen, vilket accelererar SCC:s initiering, spridning och slutliga fraktur.

Bracketen är gjord av gjuten aluminiumlegering. I närvaro av fukt och flygföroreningar som bildar lösliga föroreningar, inträffar galvanisk och klyvkorrosion lätt - särskilt vid klampsidans gap, där vatten eller is kan ansamla sig.

Synergist effekt av dragspänning och korrosiv anfall ultimately ledde till sprickbildning.

Makroskopiskt visar SCC-frakturytor vanligtvis svart eller gråsvart sprickursprung och spridningszoner på grund av korrosion, med plötsliga brittla frakturzoner som visar radiella mönster eller pilformade ("herringbone") markeringar - exakt matchande den observerade frakturmorfologin hos brytarens bracket. Detta bekräftar starkt att brottmechanismen var spänningskorrosionsfraktur.

3.2 Skyddsåtgärder mot sprickbildning i bracket

Eftersom utomhusbrytare är den mest talrika utrustningstypen i anläggningar, står de inför betydande risker när de opererar långsiktigt i exponerade miljöer - särskilt med den ökade distributionen av obemannade anläggningar, vilka kräver högre tillförlitlighet. Följande fyra skyddsstrategier föreslås:

3.2.1 Installera skyddshöljen

Eftersom utomhusbrytare är direkt exponerade för atmosfäriska förhållanden - och särskilt sårbara i extrema klimat (t.ex. alpint kallt, hög värme, kustsalinitet eller isbildningszoner) - kan installation av isoleringssköldar eller skyddshöljen skapa en kontrollerad mikromiljö, vilket signifikant minskar korrosion.

3.2.2 Förbättra rutininspektioner

Eftersom ojämn spänningsfördelning kombinerad med hårda miljöförhållanden utlöste SCC, måste driftsättare intensifiera visuella och mekaniska inspektioner av kritiska komponenter - särskilt basstöd och klampstrukturen - för att upptäcka tidiga tecken på deformation, korrosion eller sprickbildning och förhindra sekundära skador eller säkerhetsincidenter.

3.2.3 Förstärk korrosionsövervakning

Tillståndsövervakning av anläggningsutrustning är inte bara en effektiv metod för att förbättra underhållseffektivitet, utan också en hörnsten i fullständig livscykel tillgångshantering. Avancerade korrosionsdetekteringstekniker och realtidsovervakning bör aktivt distribueras för periodiska, målinriktade bedömningar av utomhusbrytare och deras tillbehör.

3.2.4 Använd högpresterande antikorrosionsbeläggningar

Att applicera högkvalitativa antikorrosionsbeläggningar är en av de mest effektiva sätten att inhibera korrosion på anläggningsutrustning. På brytarestödsbracket ger beläggningar med utmärkt resistens mot permeation av syre, fukt och joniska föroreningar effektiv isolering av metallytan från korrosiva agenter. Sådana beläggningar ger robust fysisk barriärskydd, etablerar en pålitlig första linje av försvar mot miljödegradering.

4. Slutsats

Baserat på omfattande testning och analys av stödbracket, ledningsstänger och föroreningar från 330 kV-anläggningens utomhusbrytare, dras följande slutsatser:

(1) Den primära orsaken till sprickbildningen i stödbracketen är spänningskorrosionsfraktur (SCC). Ojämn dragspänning vid bracketens bas, kombinerad med klyvkorrosion i klampsidans gap under fluktuerande klimatiska förhållanden, accelererade materialdegradering och ledde till slutet fraktur.

(2) Rekommenderade skyddsåtgärder inkluderar installation av isolerande bockar, tillämpning av högpresterande korrosionsbeläggningar, förbättring av rutininspektioner och införande av systematisk korrosionsövervakning. För specifika platser bör en omfattande platsanpassad strategi för minskning av korrosion utarbetas för att säkerställa säker, stabil och pålitlig drift av anläggningsutrustningen.