Аналіз тріщин у підтримуючих кронштейнах зовнішніх високовольтних відокремлювачів на підстанції

Робочий стан та надійність обладнання в підстанціях безпосередньо впливають на безпеку та стабільність електромережі. Більшість обладнання підстанцій складається з металевих компонентів, виготовлених з різних матеріалів, таких як чиста мідь, вуглецева сталь та нержавіюча сталь. Під час довготривалої експлуатації спадення продуктивності цих металевих матеріалів часто призводить до виходу обладнання з ладу, що створює значні ризики для безпечного та стабільного функціонування підстанцій.

Зовнішні високовольтні вимикачі є яскравим прикладом. Їх правильне функціонування критично не лише для надійності, безпеки та стабільності постачання електроенергії на підстанції, але й тому, що їхній випадковий відмова може потенційно спричинити руйнування всієї електромережі. Тому дуже важливо активно аналізувати корінні причини типових відмов обладнання на підстанціях та запропонувати цілямі направлені заходи захисту.

1. Вступ до зовнішніх високовольтних вимикачів

Зовнішні високовольтні вимикачі на певній підстанції 330 кВ є ранніми моделями продукції серії GW4, виробленими колишнім заводом високовольтного устаткування. Вони мають подвійну стовпчасту горизонтальну конструкцію з симетрією зліва направо і складаються з основи, опорних кронштейнів, ізоляторів та головної провідної системи. Головна провідна система включає гнучкі з'єднувачі, клемні зажими, провідні прутки, контакти, контактні пальці, пружини та захист від дощу.

У вересні 2017 року під час планового обслуговування оператори виявили, що деякі з цих зовнішніх вимикачів мають різні ступені тріщин на опорних кронштейнах, супроводжуючися серйозним корозією. Це становило серйозну безпеку під час ручного управління. В результаті було проведено макроскопічне дослідження форми тріщин. Також було проведене мікроструктурний металографічний аналіз забруднювачів, зібраних з обох сторін кронштейнів — зі сторони зажиму та зі сторони клеми. Крім того, за допомогою спектрометра було проведено комплексний аналіз хімічного складу опорних кронштейнів, провідних прутків та пов'язаних з ними забруднювачів.

2. Результати перевірки тріщин опорних кронштейнів

2.1 Макроскопічна морфологія

Покриття поверхні опорних кронштейнів вимикачів зішкрябло, викриваючи серйозну корозію. На очах було помітне наявність корозійних продуктів між кронштейном та провідним прутком. Тріщини мали ознаки хрупкого розриву, з видимими «візерунками» («елементами») на поверхні розриву. Місце початку та зона розповсюдження тріщин були чорними або темносірими.

Вимірювання відхилення показали деформацію 3,0 мм зі сторони клемної плати та 2,0 мм зі сторони зажиму, що підтверджує значну структурну деформацію кронштейну.

2.2 Мікроциклічна морфологія

Мікроструктурний металографічний аналіз виявив товщину шару забруднювачів 1,1–3,3 мм зі сторони зажиму та 3,2–3,5 мм зі сторони клемної плати опорного кронштейну.

2.3 Спектральний аналіз

Спектрометричний аналіз опорного кронштейну, провідного прутка та забруднювачів дав наступні ключові результати (див. таблицю 1):

• Опорний кронштейн містив 94,3% алюмінію, що свідчить про те, що він був виготовлений з литого алюмінієвого сплаву.

• Провідний пруток містив 92,7% міді разом з слідами інших елементів, що підтверджує, що він був мідним сплавним трубкою.

• Забруднювачі також містили 94,3% алюмінію.

У вологих атмосферних умовах алюміній (від кронштейну) та мідь (від провідного прутка) утворюють гальванічну пару, що викликає електрохімічну (гальванічну) реакцію корозії. Цей процес генерує корозійні продукти, багаті алюмінієвими іонами — вони визначаються як основний забруднювач, що призводить до вироблення матеріалу та остаточно до появи тріщин.

3. Аналіз причин і захисні заходи

3.1 Аналіз причин тріщин у опорному кріпленні

Зазвичай руйнування металевих матеріалів можна віднести до двох категорій чинників:

• Внутрішні чинники: пов’язані з якістю матеріалу та технологічними процесами виробництва;

• Зовнішні чинники: пов’язані з умовами експлуатації, такими як механічне навантаження, час, температура та середовище.

3.1.1 Аналіз внутрішніх чинників

У проектах електромереж металеві компоненти зазвичай проходять суворі перевірки якості — включаючи склад матеріалу та очікуваний термін служби — перед введенням в експлуатацію. Виробничий досвід показує, що зовнішні високовольтні роз’єднувачі працюють у важких умовах, і їхня надійність визначається переважно зовнішніми умовами експлуатації, а не внутрішніми дефектами матеріалу. Тому тріщини, виявлені в опорному кріпленні цього роз’єднувача, спричинені не поганою якістю матеріалу, а насамперед впливом навколишнього середовища.

3.1.2 Аналіз зовнішніх чинників

Підстанція 330 кВ розташована в північно-західному регіоні з типовим помірним напівсухим кліматом — характеризується сухим повітрям, обиллям сонячного світла та великими денними й річними коливаннями температури. Зими довгі й холодні з мінімальними опадами, літо коротке, але спекотне.

Опорне кріплення роз’єднувача з алюмінієвого сплаву постійно перебуває в цьому жорсткому атмосферному середовищі, піддаючись сильним вітрам, тепловим циклам, утворенню льоду та зрідка дощям — умови, що сприяють виникненню корозійного тріщинування під напругою (SCC).

SCC означає крихке руйнування металевого елемента під напругою в корозійному середовищі. Для його виникнення потрібні дві основні умови: розтягувальні напруження та специфічне корозійне середовище.

У даному випадку:

• Розтягувальні напруження наявні внизу по боках від центральної осі кріплення та вгору в центрі, що призводить до нерівномірного розподілу напружень.

• Це неоднорідне навантаження спричиняє пластичну деформацію та зсув дислокацій у металі, прискорюючи зародження, розвиток і врешті-решт руйнування через SCC.

Кріплення виготовлено з литого алюмінієвого сплаву. За наявності вологи та частинок пилу в повітрі, що утворюють розчинні забруднювачі, легко виникають гальванічна та щілинна корозія — особливо в зазорі з боку затискача, де може накопичуватися вода або лід.

Синергетичний ефект розтягувального напруження та корозійного ураження врешті-решт призвів до утворення тріщин.

Макроскопічно поверхні руйнування від SCC зазвичай мають чорні або сіро-чорні зони зародження тріщин і їхнього поширення через корозію, а ділянки раптового крихкого руйнування демонструють радіальні візерунки або позначки у формі стрілки ("риб'яче кістяне") — що повністю відповідає спостережуваній морфології руйнування опорного кріплення роз’єднувача. Це чітко підтверджує, що механізм відмови був корозійним тріщинуванням під напругою.

3.2 Захисні заходи проти тріщин у кріпленні

Як найпоширеніший тип обладнання на підстанціях, зовнішні роз’єднувачі стикаються зі значними ризиками під час тривалої експлуатації в необгороджених умовах — особливо з урахуванням зростаючого розгортання підстанцій без чергування, що вимагає вищої надійності. Пропонуються наступні чотири стратегії захисту:

3.2.1 Встановлення захисних корпусів

Оскільки зовнішні роз’єднувачі безпосередньо піддані атмосферним умовам — і особливо вразливі в екстремальних кліматичних умовах (наприклад, у гірських холодних, жарких, прибережних солоних або зони обмерзання) — встановлення ізолюючих щитів або захисних корпусів може створити контрольоване мікрокліматичне середовище, значно зменшуючи корозію.

3.2.2 Посилення регулярних оглядів

Оскільки нерівномірний розподіл напружень у поєднанні з важкими умовами навколишнього середовища спричинив SCC, оператори повинні посилити візуальні та механічні огляди критичних компонентів — особливо опорних основ і затискних конструкцій — для виявлення ранніх ознак деформації, корозії або тріщин і запобігання вторинних пошкоджень або аварійних ситуацій.

3.2.3 Посилення моніторингу корозії

Моніторинг стану обладнання підстанції — це не лише ефективний засіб підвищення ефективності технічного обслуговування, а й основа управління активами протягом усього життєвого циклу. Слід активно впроваджувати сучасні технології виявлення корозії та реального часу для періодичної, цільової оцінки зовнішніх роз’єднувачів та їхніх приналежностей.

3.2.4 Нанесення високоефективних антикорозійних покриттів

Нанесення високоякісних антикорозійних покриттів — один із найефективніших способів запобігання корозії обладнання підстанції. На опорних кріпленнях роз’єднувача покриття з відмінним опором проникненню кисню, вологи та іонних забруднювачів можуть ефективно ізолювати металеву поверхню від корозійних агентів. Такі покриття забезпечують надійний фізичний бар’єрний захист, створюючи надійну першу лінію оборони проти деградації від навколишнього середовища.

4. Висновок

На підставі комплексного тестування та аналізу опорного кріплення, струмопровідного стрижня та забруднювачів зовнішнього високовольтного роз’єднувача підстанції 330 кВ отримано наступні висновки:

(1) Основною причиною тріщин у опорному кріпленні є корозійне тріщинування під напругою (SCC). Нерівномірні розтягувальні напруження в основі кріплення в поєднанні з щілинною корозією в зазорі з боку затискача за умов змінних кліматичних умов прискорили деградацію матеріалу й врешті-решт призвели до руйнування.

(2) Рекомендовані захисні заходи включають встановлення ізоляційних оболонок, застосування високоефективних антикорозійних покриттів, підвищення регулярних перевірок та впровадження системного моніторингу корозії. Для конкретних об'єктів слід розробити всебічну стратегію зниження корозії, пристосовану до місцевих умов, для забезпечення безпечного, стабільного та надійного функціонування обладнання підстанції.