Phân tích về sự nứt của giá đỡ trong các cầu dao điện áp cao ngoài trời tại trạm biến áp
Trạng thái hoạt động và độ tin cậy của thiết bị trong trạm biến áp trực tiếp ảnh hưởng đến sự an toàn và ổn định của hệ thống điện. Hầu hết các thiết bị trạm biến áp bao gồm các thành phần kim loại được làm từ nhiều vật liệu khác nhau như đồng nguyên chất, thép cacbon và thép không gỉ. Trong quá trình vận hành lâu dài, việc suy giảm hiệu suất của các vật liệu kim loại này thường dẫn đến hỏng hóc thiết bị, tạo ra rủi ro đáng kể cho việc vận hành an toàn và ổn định của trạm biến áp.
Các công tắc cách ly điện áp cao ngoài trời là một ví dụ điển hình. Việc hoạt động đúng đắn của chúng rất quan trọng - không chỉ đối với độ tin cậy, an toàn và ổn định của nguồn điện trạm biến áp, mà còn vì sự hỏng hóc của chúng có thể gây ra sụp đổ toàn bộ hệ thống điện. Do đó, việc tích cực phân tích nguyên nhân gốc rễ của các sự cố thiết bị phổ biến trong trạm biến áp và đề xuất các biện pháp bảo vệ cụ thể là rất quan trọng.
1. Giới thiệu về Công tắc Cách ly Điện áp Cao Ngoài Trời
Các công tắc cách ly điện áp cao ngoài trời tại một trạm biến áp 330 kV nhất định là sản phẩm dòng GW4 đời đầu do một nhà máy thiết bị đóng cắt điện áp cao cũ sản xuất. Chúng có cấu trúc đôi cột ngang với sự đối xứng trái phải và bao gồm cơ sở, khung đỡ, sứ cách điện và bộ phận dẫn điện chính. Bộ phận dẫn điện chính bao gồm các kết nối mềm, kẹp đầu cuối, thanh dẫn điện, tiếp điểm, ngón tiếp xúc, lò xo và nắp chắn mưa.
Tháng 9 năm 2017, trong quá trình bảo dưỡng định kỳ, người vận hành phát hiện một số công tắc cách ly ngoài trời này có các vết nứt ở mức độ khác nhau trên khung đỡ, kèm theo sự ăn mòn nghiêm trọng. Điều này tạo ra mối nguy hiểm nghiêm trọng khi vận hành bằng tay. Do đó, đã tiến hành kiểm tra đại cương về hình thái vết nứt. Ngoài ra, phân tích kim loại vi mô cũng được thực hiện trên các chất ô nhiễm thu thập từ cả phía kẹp và phía đầu cuối của khung đỡ. Hơn nữa, một quang phổ kế đã được sử dụng để phân tích toàn diện thành phần hóa học của khung đỡ, thanh dẫn điện và các chất ô nhiễm liên quan.
2. Kết quả Kiểm tra Vết Nứt Khung Đỡ
2.1 Hình thái Đại cương
Lớp phủ bề mặt của khung đỡ công tắc cách ly đã bong tróc, để lộ sự ăn mòn nghiêm trọng. Các sản phẩm ăn mòn rõ ràng được quan sát giữa khung đỡ và thanh dẫn điện. Các vết nứt có đặc điểm của sự gãy giòn, với các mô hình hình chữ V ("herringbone") thấy được trên bề mặt gãy. Khu vực nguồn và khu vực lan truyền vết nứt xuất hiện màu đen hoặc xám đậm.
Đo lường độ cong cho thấy sự biến dạng 3,0 mm ở phía bảng đầu cuối và 2,0 mm ở phía kẹp, xác nhận sự biến dạng cấu trúc đáng kể của khung đỡ.
2.2 Hình thái Vi mô
Phân tích kim loại vi mô cho thấy độ dày lớp ô nhiễm từ 1,1-3,3 mm ở phía kẹp và 3,2-3,5 mm ở phía bảng đầu cuối của khung đỡ.
2.3 Phân tích Quang phổ
Phân tích quang phổ của khung đỡ, thanh dẫn điện và các chất ô nhiễm cho thấy các phát hiện chính sau (xem Bảng 1):
Khung đỡ chứa 94,3% nhôm, cho thấy nó được làm từ hợp kim nhôm đúc.
Thanh dẫn điện chứa 92,7% đồng, cùng với các yếu tố微量杂质，确认它是铜合金管。 - 污染物也含有94.3%的铝。 在潮湿的大气条件下，支架中的铝和导电杆中的铜形成电偶，触发电化学（电偶）腐蚀反应。这一过程产生富含铝离子的腐蚀产物——被确定为主要导致材料退化并最终开裂的污染物。 请根据上述内容翻译成越南语。 看来在生成过程中出现了错误，我将重新翻译最后一部分，并确保整个翻译完整且准确： - 支架包含94.3%的铝，表明它是由铸造铝合金制成的。 - 导电杆包含92.7%的铜以及微量元素，确认其为铜合金管。 - 污染物也包含94.3%的铝。 在潮湿的大气条件下，支架中的铝和导电杆中的铜形成电偶，触发电化学（电偶）腐蚀反应。这一过程产生富含铝离子的腐蚀产物——被确定为主要导致材料退化并最终开裂的污染物。 以下是完整的翻译结果：
Trạng thái hoạt động và độ tin cậy của thiết bị trong trạm biến áp trực tiếp ảnh hưởng đến sự an toàn và ổn định của hệ thống điện. Hầu hết các thiết bị trạm biến áp bao gồm các thành phần kim loại được làm từ nhiều vật liệu khác nhau như đồng nguyên chất, thép cacbon và thép không gỉ. Trong quá trình vận hành lâu dài, việc suy giảm hiệu suất của các vật liệu kim loại này thường dẫn đến hỏng hóc thiết bị, tạo ra rủi ro đáng kể cho việc vận hành an toàn và ổn định của trạm biến áp.
Các công tắc cách ly điện áp cao ngoài trời là một ví dụ điển hình. Việc hoạt động đúng đắn của chúng rất quan trọng - không chỉ đối với độ tin cậy, an toàn và ổn định của nguồn điện trạm biến áp, mà còn vì sự hỏng hóc của chúng có thể gây ra sụp đổ toàn bộ hệ thống điện. Do đó, việc tích cực phân tích nguyên nhân gốc rễ của các sự cố thiết bị phổ biến trong trạm biến áp và đề xuất các biện pháp bảo vệ cụ thể là rất quan trọng.
1. Giới thiệu về Công tắc Cách ly Điện áp Cao Ngoài Trời
Các công tắc cách ly điện áp cao ngoài trời tại một trạm biến áp 330 kV nhất định là sản phẩm dòng GW4 đời đầu do một nhà máy thiết bị đóng cắt điện áp cao cũ sản xuất. Chúng có cấu trúc đôi cột ngang với sự đối xứng trái phải và bao gồm cơ sở, khung đỡ, sứ cách điện và bộ phận dẫn điện chính. Bộ phận dẫn điện chính bao gồm các kết nối mềm, kẹp đầu cuối, thanh dẫn điện, tiếp điểm, ngón tiếp xúc, lò xo và nắp chắn mưa.
Tháng 9 năm 2017, trong quá trình bảo dưỡng định kỳ, người vận hành phát hiện một số công tắc cách ly ngoài trời này có các vết nứt ở mức độ khác nhau trên khung đỡ, kèm theo sự ăn mòn nghiêm trọng. Điều này tạo ra mối nguy hiểm nghiêm trọng khi vận hành bằng tay. Do đó, đã tiến hành kiểm tra đại cương về hình thái vết nứt. Ngoài ra, phân tích kim loại vi mô cũng được thực hiện trên các chất ô nhiễm thu thập từ cả phía kẹp và phía đầu cuối của khung đỡ. Hơn nữa, một quang phổ kế đã được sử dụng để phân tích toàn diện thành phần hóa học của khung đỡ, thanh dẫn điện và các chất ô nhiễm liên quan.
2. Kết quả Kiểm tra Vết Nứt Khung Đỡ
2.1 Hình thái Đại cương
Lớp phủ bề mặt của khung đỡ công tắc cách ly đã bong tróc, để lộ sự ăn mòn nghiêm trọng. Các sản phẩm ăn mòn rõ ràng được quan sát giữa khung đỡ và thanh dẫn điện. Các vết nứt có đặc điểm của sự gãy giòn, với các mô hình hình chữ V ("herringbone") thấy được trên bề mặt gãy. Khu vực nguồn và khu vực lan truyền vết nứt xuất hiện màu đen hoặc xám đậm.
Đo lường độ cong cho thấy sự biến dạng 3,0 mm ở phía bảng đầu cuối và 2,0 mm ở phía kẹp, xác nhận sự biến dạng cấu trúc đáng kể của khung đỡ.
2.2 Hình thái Vi mô
Phân tích kim loại vi mô cho thấy độ dày lớp ô nhiễm từ 1,1-3,3 mm ở phía kẹp và 3,2-3,5 mm ở phía bảng đầu cuối của khung đỡ.
2.3 Phân tích Quang phổ
Phân tích quang phổ của khung đỡ, thanh dẫn điện và các chất ô nhiễm cho thấy các phát hiện chính sau (xem Bảng 1):
Khung đỡ chứa 94,3% nhôm, cho thấy nó được làm từ hợp kim nhôm đúc.
Thanh dẫn điện chứa 92,7% đồng, cùng với các yếu tố vi lượng, xác nhận nó là ống hợp kim đồng.
Chất ô nhiễm cũng chứa 94,3% nhôm.
Trong điều kiện khí hậu ẩm ướt, nhôm (từ khung đỡ) và đồng (từ thanh dẫn điện) tạo thành cặp điện, kích hoạt phản ứng ăn mòn điện hóa (điện đôi). Quá trình này tạo ra các sản phẩm ăn mòn giàu ion nhôm - được xác định là chất ô nhiễm chính gây ra sự thoái hóa vật liệu và cuối cùng là vết nứt.
Tên Mẫu Nội Dung Thành Phần Al Zn Mn Cu Fe Si Đỡ Cách Ly 94.3 0.33 0.39 2.64 0.76 -- Thanh Dẫn Điện 6.12 0.26 < 0.017 92.66 < 0.028 0.936 Chất Ô Nhiễm 94.3 0.34 0.28 2.51 0.61 1.13 3. Phân tích Nguyên Nhân và Các Biện Pháp Bảo Vệ
3.1 Phân tích Nguyên Nhân Gãy Của Khung Hỗ Trợ
Nói chung, sự hỏng hóc của vật liệu kim loại có thể được quy cho hai loại yếu tố:
Yếu tố nội bộ: liên quan đến chất lượng vật liệu và quy trình sản xuất;
Yếu tố ngoại vi: liên quan đến điều kiện sử dụng như tải cơ học, thời gian, nhiệt độ và môi trường.
3.1.1 Phân tích Yếu Tố Nội Bộ
Trong các dự án lưới điện, các thành phần kim loại thường trải qua kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt - bao gồm thành phần vật liệu và tuổi thọ dự kiến - trước khi được triển khai. Kinh nghiệm thực tế cho thấy các công tắc cách ly ngoài trời hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, và độ tin cậy của chúng chủ yếu bị chi phối bởi điều kiện sử dụng bên ngoài hơn là do khuyết tật vật liệu cố hữu. Do đó, vết nứt được quan sát trên khung hỗ trợ của công tắc cách ly này không phải do chất lượng vật liệu kém mà chủ yếu do phơi nhiễm với môi trường.
3.1.2 Phân tích Yếu Tố Ngoại Vi
Trạm biến áp 330 kV nằm ở khu vực phía tây bắc với khí hậu bán khô hạn ôn đới điển hình - đặc trưng bởi không khí khô, ánh nắng dồi dào và sự thay đổi nhiệt độ lớn theo ngày và năm. Mùa đông dài và lạnh với lượng mưa ít, trong khi mùa hè ngắn nhưng nóng.
Khung hỗ trợ hợp kim nhôm của công tắc cách ly đã liên tục tiếp xúc với môi trường khí quyển khắc nghiệt này, chịu ảnh hưởng của gió mạnh, chu kỳ nhiệt, đóng băng và mưa thỉnh thoảng - những điều kiện rất thuận lợi cho hiện tượng gãy do ăn mòn dưới ứng suất (SCC).
SCC đề cập đến sự gãy giòn của thành phần kim loại chịu lực trong môi trường ăn mòn. Sự xuất hiện của nó đòi hỏi hai điều kiện thiết yếu: ứng suất kéo và môi trường ăn mòn cụ thể.
Trong trường hợp này:
Có ứng suất kéo xuống dưới cả hai bên đường trung tâm đáy khung và lên ở giữa, dẫn đến phân bố ứng suất không đồng đều.
Sự tải không đồng đều này gây ra biến dạng đàn hồi và trượt lỗ hổng trong kim loại, thúc đẩy khởi phát, lan truyền và cuối cùng là gãy do SCC.
Khung được làm bằng hợp kim nhôm đúc. Trong môi trường có độ ẩm và hạt bụi bay tạo thành các chất ô nhiễm tan, ăn mòn galvanic và crevice dễ xảy ra - đặc biệt là ở khe kẹp, nơi nước hoặc băng có thể tích tụ.
Hiệu ứng tổng hợp của ứng suất kéo và tấn công ăn mòn cuối cùng dẫn đến việc gãy.
Macroscopically, bề mặt gãy do SCC thường hiển thị nguồn gốc và vùng lan truyền màu đen hoặc xám đen do ăn mòn, với các khu vực gãy giòn đột ngột có mẫu hình bức xạ hoặc dấu chevron ("herringbone") - chính xác khớp với hình thái gãy quan sát được của khung công tắc cách ly. Điều này khẳng định mạnh mẽ rằng cơ chế hỏng hóc là gãy do ăn mòn dưới ứng suất.
3.2 Các Biện Pháp Bảo Vệ Chống Gãy Khung Hỗ Trợ
Là loại thiết bị nhiều nhất trong các trạm biến áp, các công tắc cách ly ngoài trời đối mặt với rủi ro đáng kể khi hoạt động lâu dài trong môi trường phơi nhiễm - đặc biệt là với việc triển khai ngày càng nhiều trạm biến áp không người trực, đòi hỏi độ tin cậy cao hơn. Đề xuất bốn chiến lược bảo vệ sau đây:
3.2.1 Lắp Đặt Bao Che Bảo Vệ
Vì các công tắc cách ly ngoài trời tiếp xúc trực tiếp với điều kiện khí quyển - và đặc biệt dễ bị tổn thương trong các điều kiện khí hậu cực đoan (ví dụ: lạnh giá ở vùng núi, nhiệt độ cao, độ mặn ven biển hoặc vùng đóng băng) - việc lắp đặt các tấm chắn cách ly hoặc bao che bảo vệ có thể tạo ra một môi trường vi mô được kiểm soát, giảm đáng kể sự ăn mòn.
3.2.2 Nâng Cao Kiểm Tra Thường Xuyên
Do sự phân bố ứng suất không đồng đều kết hợp với điều kiện môi trường khắc nghiệt đã kích hoạt SCC, các nhà vận hành phải tăng cường kiểm tra trực quan và cơ học các thành phần quan trọng - đặc biệt là các cấu trúc hỗ trợ và kẹp - để phát hiện sớm dấu hiệu biến dạng, ăn mòn hoặc gãy và ngăn chặn thiệt hại thứ cấp hoặc tai nạn an toàn.
3.2.3 Nâng Cao Giám Sát Ăn Mòn
Giám sát tình trạng của thiết bị trạm biến áp không chỉ là phương tiện hiệu quả để cải thiện hiệu quả bảo trì mà còn là nền tảng của quản lý tài sản toàn đời sống. Các công nghệ phát hiện ăn mòn tiên tiến và giám sát theo thời gian thực nên được triển khai tích cực để đánh giá định kỳ, có mục tiêu các công tắc cách ly ngoài trời và các phụ kiện của chúng.
3.2.4 Áp Dụng Các Lớp Phủ Chống Ăn Mòn Hiệu Suất Cao
Áp dụng các lớp phủ chống ăn mòn chất lượng cao là một trong những cách hiệu quả nhất để ức chế sự ăn mòn trên thiết bị trạm biến áp. Trên khung hỗ trợ của công tắc cách ly, các lớp phủ có khả năng chống thấm oxy, độ ẩm và chất ô nhiễm ion hóa tốt có thể cách ly bề mặt kim loại khỏi các tác nhân ăn mòn. Các lớp phủ này cung cấp bảo vệ rào cản vật lý vững chắc, thiết lập hàng rào phòng thủ đầu tiên đáng tin cậy chống lại sự suy thoái do môi trường.
4. Kết Luận
Dựa trên việc kiểm tra và phân tích toàn diện khung hỗ trợ, thanh dẫn điện và các chất ô nhiễm từ công tắc cách ly điện áp cao ngoài trời của trạm biến áp 330 kV, rút ra các kết luận sau:
(1) Nguyên nhân chính gây ra gãy khung hỗ trợ là gãy do ăn mòn dưới ứng suất (SCC). Sự phân bố ứng suất kéo không đồng đều tại đáy khung, kết hợp với ăn mòn khe kẹp dưới điều kiện khí hậu thay đổi, đã làm tăng tốc quá trình xuống cấp vật liệu và cuối cùng dẫn đến gãy.
(2) Các biện pháp bảo vệ được khuyến nghị bao gồm việc lắp đặt vỏ cách ly, áp dụng các lớp chống ăn mòn hiệu suất cao, tăng cường kiểm tra định kỳ và triển khai giám sát ăn mòn hệ thống. Đối với các địa điểm cụ thể, nên phát triển một chiến lược giảm thiểu ăn mòn phù hợp với từng địa điểm để đảm bảo hoạt động an toàn, ổn định và đáng tin cậy của thiết bị trạm biến áp.
