Relé de Densidade SF6 Sen Aceite ZDM: A Solución Permanente para a Fuga de Aceite

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.