Relé de Densitat SF6 sense oli ZDM: La Solució Permanent per a la Fuga d'Oli

La subestació de 110kV de la nostra planta va ser construïda i posada en funcionament el febrer de 2005. El sistema de 110kV utilitza GIS (Gas-Insulated Switchgear) del tipus ZF4-126\1250-31.5 de la Fàbrica de Comutadors de Beijing, que consta de set baies i 29 compartiments de gas SF6, inclosos cinc compartiments de circuit tancat. Cada compartiment de circuit tancat està equipat amb un relé de densitat de gas SF6. La nostra planta utilitza els relés de densitat plens d'oli del model MTK-1 fabricats per la Fàbrica d'Instruments Xinyuan de Shanghai. Aquests relés estan disponibles en dos rangs de pressió: -0,1 a 0,5 MPa i -0,1 a 0,9 MPa, amb un o dos conjunts de contactes. Utilitzen una tuba Bourdon i una llista bimetàlica com a elements de detecció. Quan la fuga de gas arriba a un cert nivell, els contactes elèctrics disparen senyals d'alarma o bloqueig, permetent diferents funcions de protecció. El 17 d'octubre de 2015, durant una inspecció rutinària, els electricistes de guardia van descobrir graus diversos de fuga de gas en els relés de densitat dels compartiments 11, 19 i 22. Aquest incident va destacar els riscos operatius causats per les fugues d'oli en els relés de densitat de SF6.

1. Riscos de les fugues d'oli en els relés de densitat de SF6

Les fugues d'oli en els relés de densitat causen danys significatius a l'equips electrícs:

1.1 Un cop s'ha perdut completament l'oli antisísmic dins el relé de densitat, la seva capacitat d'amortització es redueix significativament. Si el circuit tancat opera (obre o tanca) en aquestes condicions, pot conduir a fallides de contacte, desviacions excessives dels valors estàndard, enganxament de l'indicador, i altres malfuncionaments (vegeu Figura 1: Relé de densitat plen d'oli).

1.2 Degut a les característiques específiques dels contactes en els relés de densitat de SF6—baixa força de contacte i llarga durada d'operació—pot produir-se una oxidació dels contactes amb el temps, provocant contactes defectuosos o interromputs. En els relés de densitat de SF6 que han perdut completament l'oli, els contactes elèctrics assistits magnèticament queden exposats a l'aire, promovint l'oxidació i l'acumulació de pols, que fàcilment resulta en contactes defectuosos. S'ha observat que durant l'operació, el 3% dels contactes dels relés de densitat de SF6 no condueixen eficientment, principalment degut a la insuficiència d'oli antisísmic. Si l'indicador d'un relé de densitat de SF6 s'enganxa, o si els contactes fallen o no poden conduir correctament, la seguretat i fiabilitat de la xarxa elèctrica es veuen directament amenaçades.

2. Causes de les fugues d'oli en els relés de densitat de SF6

La causa principal de les fugues d'oli en els relés de densitat de SF6 és el fracàs de les juntes en dos llocs: la unió entre la base del terminal i la superfície, i la junta entre el vidre i la caixa. Aquest fracàs de juntes es deu principalment al envelleciment de les anelles de junta. Les juntes antisísmiques d'oli en els relés de densitat de SF6 solen estar fabricades amb cauclat de butadiè (NBR). El NBR és un elastòmer sintètic copolimèric compost de butadiè, acrilonitril i emulsió, amb una estructura molecular que presenta una cadena de carboni insaturada. El contingut d'acrilonitril afecta directament les propietats del NBR: un major contingut d'acrilonitril augmenta la resistència a l'oli, als solventes i a les substàncies químiques, així com la resistència, duresa, resistència a l'abrasió i a la calor, però redueix la flexibilitat a baixes temperatures, l'elasticitat i augmenta la impermeabilitat al gas. Els factors que afecten l'envelleciment de les juntes de NBR es poden categoritzar en interns i externs.

2.1 Factors interns

2.1.1 Estructura molecular del cauclat de butadiè
El NBR no és un cauclat de hidrocarburs saturat; les seves cadenes polimèriques contenen dobles enllaços insaturats. Sota diverses influències externes, l'oxigen reacciona en aquests dobles enllaços, formant òxids. Aquests òxids es descomponen més endavant en peròxids de cauclat, provocant la ruptura de les cadenes moleculars. Simultàniament, es generen petites quantitats de grups actius, que promouen la creació de ponts entre les molècules de cauclat. Això augmenta significativament la densitat de creació de ponts, fent que el cauclat es torni fragile i dur. El nombre de dobles enllaços influeix directament en la velocitat d'envelleciment.

2.1.2 Ajuts de composició del cauclat
La selecció dels agents de vulcanització durant la fabricació del cauclat és crucial. Un increment en la concentració de creació de ponts amb sufler accelera el procés d'envelleciment del cauclat.

2.2 Factors externs

2.2.1 L'oxigen és una causa principal de l'envelleciment del cauclat. Les molècules d'oxigen provoquen la ruptura de les cadenes i la recol·lada. Un altre factor és l'ozone, que és molt reactiu. L'ozone ataca els dobles enllaços de les molècules de cauclat, formant ozonides que es descomponen i trenquen les cadenes polimèriques. Com que la junta antisísmica d'oli té contacte directe amb l'aire, i l'oxigen/ozone es pot dissoldre en l'oli, participen en les reaccions d'envelleciment dins l'oli.

2.2.2 L'energia tèrmica accelera la velocitat d'oxidació. Normalment, un increment de 10°C en la temperatura duplica la velocitat d'oxidació. A més, el calor accelera les reaccions entre les cadenes de cauclat i els ajuts de composició, fent que es volatilitzin els components volàtils del cauclat, degradant significativament el rendiment del cauclat i reduint la seva vida útil.

2.2.3 Fatiga mecànica. Sota estrès continu, el cauclat experimenta deformació, provocant efectes mecànico-oxidants. Juntament amb l'energia tèrmica, això accelera l'oxidació. A lo llarg de la seva vida útil, el cauclat perde gradualment la seva elasticitat, provocant envelleciment mecànic. Les juntes de cauclat envelleïdes perden la seva capacitat de junta, resultant en fugues d'oli.

2.2.4 Compressió inicial insuficient de la junta. Les juntes de cauclat depenen de la deformació durant la instal·lació per crear un ajust estanque entre la junta i la superfície de junta, prevenint les fugues. La compressió inicial insuficient és la més probable de causar fugues. Problemes de disseny—com seleccionar una junta amb una secció transversal petita, utilitzar una ranura d'instal·lació sobredimensionada, o apretar incorrectament la tapa de la caixa durant la instal·lació—poden tots resultar en una compressió inicial insuficient. En la pràctica, l'apretar la tapa del relé sovint es fa a l'atzar, fent difícil assolir la posició òptima, així doncs, resultant en una compressió insuficient. A més, el cauclat té un coeficient de contracte a baixes temperatures més de deu vegades superior al metall. A baixes temperatures, la secció transversal de la junta de cauclat es contracta i el material es duer, reduint encara més la compressió.

2.2.5 Taxa de compressió excessiva. Per assegurar el rendiment de la junta, els anells O de cauclat requereixen una certa taxa de compressió. Tanmateix, això no pot incrementar-se cegament. Una compressió excessiva pot causar una deformació permanent durant la instal·lació, generar un alt estress equivalent en la junta, provocar la fallida del material, reduir la vida útil i finalment causar fugues d'oli. Un cop més, la pràctica d'apretar la tapa del relé a l'atzar sovint resulta en una compressió excessiva degut a la dificultat d'assolir la posició correcta.

3. Relé de densitat antisísmic sense oli del tipus ZDM

3.1 Amortització i principi de funcionament del relé del tipus ZDM
El relé de densitat antisísmic sense oli del tipus ZDM (vegeu Figura 2) aconsegueix l'amortització incorporant un amortidor entre el connector i la caixa. Aquest amortidor absorbeix les vibracions generades durant l'operació del circuit tancat. L'impacte i la vibració generades per l'operació del commutador es transmeten a través del connector a l'amortidor, que llavors atenua l'energia abans de passar-la a la caixa del relé. Gràcies a aquest efecte d'amortització, l'energia vibracional i d'impacte que arriba a la caixa del relé es redueix considerablement, resultant en un excel·lent rendiment antisísmic.

A més, el principi de funcionament del relé del tipus ZDM depèn d'una tuba de molla com a element elàstic, amb una fitxa de compensació de temperatura que corrigui les variacions de pressió i temperatura per reflectir canvis en la densitat del gas SF6. Els contactes de sortida utilitzen un mecanisme de microinterruptor. El control del senyal del microinterruptor es realitza mitjançant la fitxa de compensació de temperatura i la tuba de molla, juntament amb l'efecte d'amortització de l'amortidor. Aquest disseny evita senyals falsos deguts a les vibracions, assegurant una operació del sistema fiable i eficaç. Això millora significativament el rendiment antisísmic del relé de densitat de punter, fent-lo un dispositiu de alt rendiment.

3.2 Característiques del relé de densitat antisísmic sense oli del tipus ZDM

• 3.2.1 Caixa totalment de calamina inoxidable amb excel·lents propietats a prova d'aigua i anticorrosió, i un aspecte atractiu;

• 3.2.2 Precisió: classe 1,0 (a 20°C), classe 2,5 (de -30°C a 60°C);

• 3.2.3 Temperatura ambient d'operació: de -30°C a +60°C; humitat ambient d'operació: ≤95% RH;

• 3.2.4 Rendiment antisísmic: 20 m/s²; rendiment antiimpacte: 50g, 11ms; rendiment de junta: ≤10⁻⁸ mbar·L/s;

• 3.2.5 Capacitat de contacte: AC/DC 250V, 1000VA/500W;

• 3.2.6 Classe de protecció de la caixa: IP65;

• 3.2.7 Disseny sense oli, resistent a vibracions i impactes, i permanentment a prova de fugues;

• 3.2.8 Rendiment estable i consistent de l'element sensible a la temperatura.

Les característiques anteriors mostren que el relé de densitat antisísmic sense oli del tipus ZDM elimina completament el problema de les fugues d'oli. Utilitzant un disseny estructural únic i amortidors en lloc d'oli antisísmic, preveu fonamentalment les fugues d'oli durant l'operació.

4. Conclusió

Les causes principals de les fugues d'oli en els relés de densitat provenen de problemes de fabricació, operació i manteniment. Quan la densitat de l'equip disminueix, no només es redueix la resistència a l'aislament dielèctric, sinó que també es compromet la capacitat d'interrupció del circuit tancat. Per tant, és essencial substituir de manera oportuna els relés de densitat que fuguen oli. Per assegurar una operació segura i fiable, es recomana utilitzar relés de densitat antisísmics sense oli del tipus ZDM o dispositius similars en aplicacions futures.