A subestación de 110kV da nosa instalación foi construída e posta en funcionamento en febreiro de 2005. O sistema de 110kV emprega o ZF4-126\1250-31.5 tipo GIS (Gas-Insulated Switchgear) da Fábrica de Interruptores de Beijing, composto por sete celdas e 29 compartimentos de gas SF6, incluíndo cinco compartimentos de interruptor. Cada compartimento de interruptor está equipado cunha relé de densidade de gas SF6. A nosa instalación usa as relés de densidade MTK-1 con aceite da Fábrica de Instrumentos Xinyuan de Shanghai. Estes relés están dispoñibles en dous raxes de presión: -0.1 a 0.5 MPa e -0.1 a 0.9 MPa, con un ou dous conxuntos de contactos. Utilizan un tubo de Bourdon e unha tira bimetal como elementos de detección. Cando a fuga de gas alcanza un nivel determinado, os contactos eléctricos activan sinais de alarma ou bloqueo, permitindo diferentes funcións protexentes. O 17 de outubro de 2015, durante unha inspección rutinaria, os electricistas de servizo descubriron diferentes graos de fuga de gas nos relés de densidade dos compartimentos 11, 19 e 22. Este incidente destacou os riscos operativos que supón a fuga de aceite nos relés de densidade de SF6.
1. Perigos da fuga de aceite nos relés de densidade de SF6
A fuga de aceite nos relés de densidade causa danos significativos no equipo eléctrico:
1.1 Unha vez que o aceite antisísmico dentro do relé de densidade se perde completamente, a súa capacidade de absorción de choques diminúe significativamente. Se o interruptor opera (abre ou pecha) baixo estas condicións, pode provocar fallos de contacto, desvíos excesivos dos valores estándar, bloqueo do indicador e outros malfuncionamentos (ver Figura 1: Relé de densidade con aceite).
1.2 Debido ás características específicas dos contactos nos relés de densidade de SF6—baixa forza de contacto e lonxura de tempo de funcionamento—pode ocorrer oxidación dos contactos ao longo do tempo, levando a un mal contacto ou interrupción. Nos relés de densidade de SF6 que perdiron completamente o seu aceite, os contactos eléctricos asistidos por imán están expostos ao aire, promovendo a oxidación e a acumulación de pó, que facilmente resulta en un mal contacto nos puntos de contacto. Durante a operación, observouse que o 3% dos contactos de relés de densidade de SF6 non conducen eficazmente, principalmente debido á falta de aceite antisísmico. Se o indicador dun relé de densidade de SF6 queda bloqueado, ou se os contactos fallan ou non poden conducir correctamente, a seguridade e fiabilidade da rede eléctrica están directamente ameazadas.
2. Causas da fuga de aceite nos relés de densidade de SF6
A principal causa da fuga de aceite nos relés de densidade de SF6 é a falla das xuntas en dúas localizacións: a unión entre a base do terminal e a superficie, e a xunta entre o vidro e a carcasa. Esta falla da xunta debe-se principalmente ao envellecemento dos aneis de xunto. Os selos antisísmicos de aceite nos relés de densidade de SF6 adoitan estar fabricados en caucho nitrilo (NBR). O NBR é un elastómero sintético copolimérico composto de butadieno, acrilonitrilo e emulsión, cunha estrutura molecular que presenta unha cadea de carbono insaturada. O teor de acrilonitrilo afecta directamente as propiedades do NBR: un maior teor de acrilonitrilo aumenta a resistencia ao aceite, aos solventes e aos produtos químicos, así como a resistencia, dureza, resistencia ao desgaste e ao calor, pero reduz a flexibilidade a baixas temperaturas, elasticidade e aumenta a impermeabilidade ao gas. Os factores que afectan ao envellecemento dos selos de NBR poden categorizarse en internos e externos.
2.1 Factores internos
2.1.1 Estrutura molecular do caucho nitrilo
O NBR non é un caucho de hidrocarburo saturado; as súas cadeas poliméricas contén ligações duplas insaturadas. Baixo diversas influencias externas, o oxíxeno reacciona nestas ligações duplas, formando óxidos. Estes óxidos descomponse en peróxidos de caucho, levando á escisión da cadea molecular. Simultaneamente, xéranse pequenas cantidades de grupos activos, promovendo a entrecruzamento das moléculas de caucho. Isto aumenta significativamente a densidade de entrecruzamento, facendo que o caucho sexa frágil e duro. O número de ligações duplas inflúe directamente na taxa de envellecemento.
2.1.2 Agentes de composto de caucho
A selección de agentes de vulcanización durante a fabricación do caucho é crítica. Un aumento na concentración de entrecruzamento de azufre acelera o proceso de envellecemento do caucho.
2.2 Factores externos
2.2.1 Oxíxeno é a principal causa do envellecemento do caucho. As moléculas de oxíxeno causan a escisión e o re-entrecruzamento da cadea. Outro factor é o ozono, que é altamente reactivo. O ozono ataca as ligações duplas nas moléculas de caucho, formando ozonídeos que se descomponen e rompen as cadeas poliméricas. Como o sello antisísmico de aceite está en contacto directo co aire, e o oxíxeno/ozono pode disolverse no aceite, participan en reaccións de envellecemento dentro do aceite.
2.2.2 Enerxía térmica acelera a taxa de oxidación. Xeralmente, un aumento de 10°C na temperatura duplica a taxa de oxidación. Ademais, o calor acelera as reaccións entre as cadeas de caucho e os agentes de composto, facendo que os componentes voláteis do caucho evaporen, degradando significativamente o rendemento do caucho e acortando a súa vida útil.
2.2.3 Fadiga mecánica. Baixo estrés continuo, o caucho sufre deformación, levando a efectos mecánico-oxidativos. Combinado coa enerxía térmica, isto acelera a oxidación. Ao longo da súa vida útil, o caucho perde gradualmente a súa elasticidade, levando ao envellecemento mecánico. Os selos de caucho envellecidos perden a súa capacidade de sellado, resultando en fugas de aceite.
2.2.4 Compresión inicial insuficiente do sello. Os selos de caucho dependen da deformación durante a instalación para crear un ajuste apertado entre o sello e a superficie de sellado, previndo as fugas. A compresión inicial insuficiente é a máis probable causa de fuga. Problemas de deseño—como seleccionar un sello cunha sección transversal pequena, usar un surco de instalación sobredimensionado, ou apertar incorrectamente a tapa da carcasa durante a instalación—poden resultar en compresión inicial insuficiente. Na práctica, apertar a tapa do relé adoita facerse por intuición, facendo difícil lograr a posición óptima, levando a compresión insuficiente. Ademais, o caucho ten un coeficiente de contracción a frio máis de dez veces maior que o metal. A baixas temperaturas, a sección transversal do sello de caucho contrae e o material endurece, reducindo aínda máis a compresión.
2.2.5 Taxa de compresión excesiva. Para asegurar o rendemento de sellado, os aneis O de caucho requiren unha certa taxa de compresión. Pero isto non pode incrementarse cegamente. Unha compresión excesiva pode causar deformación permanente durante a instalación, xerar un alto estrés equivalente no sello, levar ao fracaso do material, acortar a vida útil e, finalmente, causar fuga de aceite. Novamente, a práctica de apertar a tapa do relé por intuición adoita resultar en compresión excesiva debido á dificultade de lograr a posición correcta.
3. Relé de densidade antisísmico sen aceite do tipo ZDM
3.1 Absorción de choques e principio de funcionamento do relé do tipo ZDM
O relé de densidade antisísmico sen aceite do tipo ZDM (ver Figura 2) logra a absorción de choques incorporando un coxín de absorción de choques entre o conector e a carcasa. Este coxín amortigua as vibracións xeradas durante a operación do interruptor. O impacto e as vibracións da operación do interruptor transmiten a través do conector ao coxín de absorción de choques, que amortigua a enerxía antes de pasala á carcasa do relé. Debido a este efecto amortiguador, a enerxía vibracional e de impacto que chega á carcasa do relé diminúe significativamente, resultando nun excelente rendemento antisísmico.
Ademais, o principio de funcionamento do relé do tipo ZDM depende dun tubo de molla como elemento elástico, cunha tira de compensación de temperatura que corrige as variacións de presión e temperatura para reflictar os cambios na densidade do gas SF6. Os contactos de saída usan un mecanismo de microinterruptor. O control do sinal do microinterruptor realiza-se mediante a tira de compensación de temperatura e o tubo de molla, combinado co efecto amortiguador do coxín de absorción de choques. Este deseño prevén sinais falsos debido ás vibracións, asegurando un funcionamento fiable e eficaz do sistema. Melora significativamente o rendemento antisísmico do relé de densidade de puntero, facendo que sexa un dispositivo de alto rendemento.
3.2 Características do relé de densidade antisísmico sen aceite do tipo ZDM
3.2.1 Envolvente de acero inoxidable completo con excelentes propiedades de resistencia á auga e á corrosión, e un aspecto atractivo;
3.2.2 Precisión: clase 1.0 (a 20°C), clase 2.5 (de -30°C a 60°C);
3.2.3 Temperatura ambiente de funcionamento: -30°C a +60°C; humidade ambiente de funcionamento: ≤95% RH;
3.2.4 Rendemento antisísmico: 20 m/s²; rendemento anti-impacto: 50g, 11ms; rendemento de sellado: ≤10⁻⁸ mbar·L/s;
3.2.5 Calificación de contactos: CA/CC 250V, 1000VA/500W;
3.2.6 Calificación de protección da envolvente: IP65;
3.2.7 Deseño sen aceite, resistente a vibracións e impactos, e permanentemente estanco;
3.2.8 Rendemento estable e altamente consistente do elemento de detección de temperatura.
As características anteriores demostran que o relé de densidade antisísmico sen aceite do tipo ZDM elimina completamente o problema de fuga de aceite. Mediante un deseño estructural único e coxíns de absorción de choques en lugar de aceite antisísmico, prevén fundamentalmente a fuga de aceite durante a operación.
4. Conclusión
As principais causas da fuga de aceite nos relés de densidade provienen de problemas de fabricación, operación e manutención. Cando a densidade do equipo diminúe, non só se reduce a resistencia dieléctrica, senón que tamén se compromete a capacidade de interrupción do interruptor. Polo tanto, é esencial a substitución oportuna dos relés de densidade con fuga de aceite. Para asegurar un funcionamento seguro e fiable, recoméndase o uso de relés de densidade antisísmicos sen aceite do tipo ZDM ou dispositivos similares en futuras aplicacións.
