ZDM Oil-Free SF6 Tæthedselement: Den Permanente Løsning til Olieudlæk

Vores 110kV understation blev bygget og taget i drift i februar 2005. 110kV-systemet anvender ZF4-126\1250-31.5 type SF6 GIS (Gas-isoleret spændingsafskærm) fra Beijing Switchgear Factory, bestående af syv celler og 29 SF6 gasafdelinger, herunder fem bryderafdelinger. Hver bryderafdeling er udstyret med en SF6 gastæthedsrelæ. Vores anlæg bruger MTK-1 model oliefyldte tæthedsrelæ produceret af Shanghai Xinyuan Instrument Factory. Disse relæer findes i to trykspændinger: -0,1 til 0,5 MPa og -0,1 til 0,9 MPa, med enten én eller to kontaktset. De benytter Bourdon-rør og bimetalliske striber som sensordele. Når gasudløb når et bestemt niveau, aktiverer de elektriske kontakter alarm- eller låsesignal, hvilket muliggør forskellige beskyttelsesfunktioner. Den 17. oktober 2015 opdagede vagttagende elektrikere under en rutinetjek variabelt grad af gasudløb i tæthedsrelæerne for afdelingerne 11, 19 og 22. Dette hændelse understregede operationelle risici forbundet med olieudløb i SF6 tæthedsrelæer.

1. Fare ved olieudløb i SF6 tæthedsrelæer

Olieudløb i tæthedsrelæer forårsager betydelig skade på strømforsyningsudstyr:

1.1 Når anti-seismisk olie i tæthedsrelæet er fuldstændigt tabt, er dets dampningskapacitet betydeligt reduceret. Hvis bryderen opererer (åbner eller lukker) under sådanne forhold, kan det føre til kontaktfejl, overdrevet afvigelse fra standardværdier, pegepindsspænding og andre fejl (se figur 1: Oliefyldt tæthedsrelæ).

1.2 På grund af de specifikke egenskaber hos kontakterne i SF6 tæthedsrelæer—lav kontaktkraft og lang driftstid—kan der over tid opstå oxidationsproblemer, der fører til dårlig eller afbrudt kontakt. I SF6 tæthedsrelæer, hvor olien er fuldstændigt tabt, er magnet-assisterede elektriske kontakter udsat for luft, hvilket fremmer oxidation og støvakkumulering, og dette kan let føre til dårlig kontakt ved kontaktpunkterne. Under drift har det været observeret, at 3% af SF6 tæthedsrelækontakter ikke effektivt leder, primært på grund af mangel på anti-seismisk olie. Hvis pegepinden i et SF6 tæthedsrelæ bliver fast, eller hvis kontakterne fejler eller ikke kan lede korrekt, er sikkerheden og pålideligheden af strømningsnettet direkte truet.

2. Årsager til olieudløb i SF6 tæthedsrelæer

Den primære årsag til olieudløb i SF6 tæthedsrelæer er sealingsfejl på to steder: forbindelsen mellem terminalbasen og overfladen, og sealingen mellem glas og kasse. Denne sealingfejl skyldes hovedsageligt aldring af sealingringe. Anti-seismiske oliesealinger i SF6 tæthedsrelæer er typisk lavet af nitril-kautschuk (NBR). NBR er en syntetisk elastomer-copolymer sammensat af butadien, acrylonitril og emulsion, med en molekylær struktur, der indeholder usaturatede kulstofkæder. Indholdet af acrylonitril påvirker direkte egenskaberne af NBR: højere acrylonitril-indhold øger olie-, løsemiddel- og kemikalieresistens, samt styrke, hårdhed, slidfasthed og varmebestandighed, men reducerer lavtemperatur-flexibilitet, elasticitet og øger gasimpermeabilitet. Faktorer, der påvirker aldringen af NBR-sealinger, kan inddeles i interne og eksterne faktorer.

2.1 Interne faktorer

2.1.1 Molekylær struktur af nitril-kautschuk
NBR er ikke en satureret kulstofkautschuk; dens polymerkæder indeholder usaturatede dobbeltbindinger. Under forskellige eksterne påvirkninger reagerer ilt ved disse dobbeltbindinger, hvilket dannes oksider. Disse oksider nedbrydes yderligere til kautschuk-perokside, der fører til molekylær kedebrydning. Samtidig dannes små mængder af aktive grupper, der fremmer krydslaenning af kautschuk-molekyler. Dette øger betydeligt krydslaenningsdensiteten, hvilket gør kautschukken sprøj og hard. Antallet af dobbeltbindinger påvirker direkte aldringshastigheden.

2.1.2 Kautschuk-kompoundingsmidler
Valg af vulkaniseringsmidler under kautschukproduktion er afgørende. En øgning i svovlkrydslaenningskoncentrationen accelererer aldringsprocessen af kautschukken.

2.2 Eksterne faktorer

2.2.1 Ilt er en primær årsag til kautschukaldring. Iltmolekyler forårsager kedebrydning og genkrydslaenning. En anden faktor er ozon, som er højreaktiv. Ozon angriber dobbeltbindingerne i kautschukmolekyler, der dannes ozonide, der nedbrydes og bryder polymerkæderne. Da anti-seismiske oliesealinger er i direkte kontakt med luften, og ilt/ozon kan opløses i oljen, deltager de i aldringsreaktioner i oljen.

2.2.2 Varmeenergi accelererer oxidationshastigheden. Typisk fordobles oxidationshastigheden ved en temperaturstigning på 10°C. Desuden accelererer varme reaktioner mellem kautschukkæder og kompoundingsmidler, hvilket får flygtige komponenter i kautschukken til at damppe ud, og dette forringes betydeligt kautschukkenes ydeevne og forkorter dens levetid.

2.2.3 Mekanisk træthed. Under vedvarende spænding undergår kautschukken spænding, hvilket fører til mekanisk-oxidative effekter. I kombination med varmeenergi accelererer dette oxidation. Over sin levetid mister kautschukken gradvist elasticiteten, hvilket fører til mekanisk aldring. Aldrede kautschuksealinger mister deres sealingsevne, hvilket resulterer i olieudløb.

2.2.4 Utilstrækkelig initial komprimering af sealingen. Kautschuksealinger afhænger af deformation under installation for at oprette en tæt passform mellem sealingen og sealingsoverfladen for at forhindre udløb. Utilstrækkelig initial komprimering er mest sandsynligt at forårsage udløb. Designproblemer—som valg af en sealing med lille tværsnit, brug af en for stor installationsrille, eller ukorrekt stramning af kassedecket under installation—kan alle resultere i utilstrækkelig initial komprimering. I praksis er stramningen af relæets kassedecket ofte gjort efter fornemmelse, hvilket gør det svært at opnå den optimale position, og dermed resulterer i utilstrækkelig komprimering. Desuden har kautschukken en kold-skrinkningskoefficient, der er mere end ti gange større end metal. Ved lave temperaturer kontraherer kautschuksealingens tværsnit, og materialet hårdner, hvilket yderligere reducerer komprimering.

2.2.5 For høj komprimeringsrate. For at sikre sealingsevne kræver kautschuk O-ring en vis komprimeringsrate. Dette kan dog ikke øges blindt. For høj komprimering kan forårsage permanent deformation under installation, generere høj equivalent stress i sealingen, føre til materialefejl, forkorte levetiden og sidst, men ikke mindst, forårsage olieudløb. Igen, praksis med stramning af relæets kassedecket efter fornemmelse resulterer ofte i for høj komprimering pga. vanskeligheder i at opnå den korrekte position.

3. ZDM-type oliefri, anti-seismisk tæthedsrelæ

3.1 Dampning og arbejdsgang af ZDM-type relæ
ZDM-type oliefri, anti-seismisk tæthedsrelæ (se figur 2) opnår dampning ved at integrere en dampningsplade mellem forbindelsen og kassen. Denne plade bufferer vibrationer, der opstår under bryderoperation. Slaget og vibration fra switch-operationen overføres gennem forbindelsen til dampningspladen, der derefter demper energien, før den videreoverføres til relæets kasse. Pga. denne buffereffekt er den vibrerende og slagende energi, der når relæets kasse, betydeligt reduceret, hvilket resulterer i fremragende anti-seismisk ydeevne.

Desuden er arbejdsgangen for ZDM-type relæ baseret på en spiralrør som elastisk element, med en temperaturkompensationstribe, der retter for tryk- og temperaturvariationer for at reflektere ændringer i SF6-gastæthed. Udgangskontakterne bruger en mikro-switch-mekanisme. Kontrollen af mikro-switch-signalet udføres af temperaturkompensationstriben og spiralrøret, kombineret med buffereffekten af dampningspladen. Dette design forhindrer falske signaler pga. vibration, hvilket sikrer pålidelig og effektiv systemdrift. Det forbedrer betydeligt anti-seismisk ydeevne af pegepindstype tæthedsrelæ, hvilket gør det til et højtydende enhed.

3.2 Egenskaber ved ZDM-type oliefri, anti-seismisk tæthedsrelæ

• 3.2.1 Fuldt rustfrit stålbeholder med fremragende vandtætte og korrosionsbestandige egenskaber, samt attraktivt udseende;

• 3.2.2 Nøjagtighed: 1.0 klasse (ved 20°C), 2.5 klasse (ved -30°C til 60°C);

• 3.2.3 Driftsomgivelser: -30°C til +60°C; driftsfugtighed: ≤95% RH;

• 3.2.4 Anti-seismisk ydeevne: 20 m/s²; anti-slageslag ydeevne: 50g, 11ms; tætningsydeevne: ≤10⁻⁸ mbar·L/s;

• 3.2.5 Kontakt rating: AC/DC 250V, 1000VA/500W;

• 3.2.6 Beholderbeskyttelsesklasse: IP65;

• 3.2.7 Oliefrit design, modstandsdygtigt over for vibration og slagslag, og permanent tæt;

• 3.2.8 Stabil og højt konsekvent ydeevne af temperaturfølsommelementet.

De ovennævnte egenskaber demonstrerer, at ZDM-type oliefri, anti-seismisk tæthedsrelæ helt eliminerer problemet med olieudløb. Ved at bruge et unikt strukturelt design og dampningsplader i stedet for anti-seismisk olie, forebygger det grundlæggende olieudløb under drift.

4. Konklusion

De primære årsager til olieudløb i tæthedsrelæer stammer fra produktion, drift og vedligeholdelse. Når udstyrs tæthed reduceres, ikke kun er dielektrisk isolationsstyrke reduceret, men også bryderens afbrydelsesevne er forringet. Derfor er det nødvendigt at erstatte olieudløbende tæthedsrelæer i tide. For at sikre sikker og pålidelig drift, anbefales det at bruge ZDM-type oliefri, anti-seismisk tæthedsrelæ eller lignende enheder i fremtidige applikationer.