Relè di Densità SF6 Senza Olio ZDM: La Soluzione Permanente alla Perdita di Olio

La sottostazione 110kV della nostra centrale è stata costruita e messa in servizio nel febbraio 2005. Il sistema 110kV utilizza il GIS (Gas-Insulated Switchgear) ZF4-126\1250-31.5 di tipo SF6 prodotto dalla Beijing Switchgear Factory, composto da sette celle e 29 compartimenti di gas SF6, tra cui cinque compartimenti di interruttore. Ogni compartimento di interruttore è dotato di un relè di densità di gas SF6. La nostra centrale utilizza i relè di densità a olio MTK-1 prodotti dalla Shanghai Xinyuan Instrument Factory. Questi relè sono disponibili in due gamme di pressione: -0,1 a 0,5 MPa e -0,1 a 0,9 MPa, con uno o due set di contatti. Utilizzano una molla a tubo e una striscia bimetallica come elementi di rilevamento. Quando la perdita di gas raggiunge un certo livello, i contatti elettrici attivano segnali di allarme o blocco, consentendo diverse funzioni di protezione. Il 17 ottobre 2015, durante un'ispezione di routine, gli elettricisti di turno hanno scoperto perdite di gas di diversa entità nei relè di densità dei compartimenti 11, 19 e 22. Questo incidente ha evidenziato i rischi operativi causati dalle perdite d'olio nei relè di densità di SF6.

1. Pericoli delle perdite d'olio nei relè di densità di SF6

Le perdite d'olio nei relè di densità causano danni significativi alle apparecchiature elettriche:

1.1 Una volta che l'olio antisismico all'interno del relè di densità si perde completamente, la sua capacità di assorbire gli urti diminuisce notevolmente. Se l'interruttore opera (apertura o chiusura) in tali condizioni, può portare a guasti di contatto, deviazioni eccessive dai valori standard, blocco dell'indicatore e altri malfunzionamenti (vedi Figura 1: relè di densità a olio).

1.2 A causa delle caratteristiche specifiche dei contatti nei relè di densità di SF6—bassa forza di contatto e lunga durata operativa—con il passare del tempo possono verificarsi ossidazioni, causando contatti poveri o interrotti. Nei relè di densità di SF6 che hanno perso completamente l'olio, i contatti elettrici magnetici sono esposti all'aria, favorendo l'ossidazione e l'accumulo di polvere, che facilmente porta a contatti poveri. Durante l'operazione, si è osservato che il 3% dei contatti dei relè di densità di SF6 non conducono efficacemente, principalmente a causa della mancanza di olio antisismico. Se l'indicatore di un relè di densità di SF6 si blocca, o se i contatti falliscono o non conducono correttamente, la sicurezza e l'affidabilità della rete elettrica sono direttamente minacciate.

2. Cause delle perdite d'olio nei relè di densità di SF6

La principale causa delle perdite d'olio nei relè di densità di SF6 è il fallimento dei sigilli in due posizioni: la giunzione tra la base terminale e la superficie, e il sigillo tra il vetro e il case. Questo fallimento del sigillo è principalmente dovuto all'invecchiamento degli anelli di tenuta. I sigilli antisismici a olio nei relè di densità di SF6 sono solitamente realizzati in nitrile butadiene rubber (NBR). L'NBR è un elastomero sintetico copolimero composto da butadiene, acrilonitrile e emulsione, con una struttura molecolare caratterizzata da una catena carboniosa insatura. Il contenuto di acrilonitrile influenza direttamente le proprietà dell'NBR: un contenuto più elevato aumenta la resistenza all'olio, ai solventi e ai composti chimici, nonché la resistenza, la durezza, la resistenza all'usura e al calore, ma riduce la flessibilità a basse temperature, l'elasticità e aumenta l'impermeabilità al gas. I fattori che influenzano l'invecchiamento degli anelli di tenuta NBR possono essere categorizzati in fattori interni ed esterni.

2.1 Fattori interni

2.1.1 Struttura molecolare del nitrile butadiene rubber
L'NBR non è un gomma idrocarburica saturata; le sue catene polimeriche contengono legami doppi insaturi. Sotto varie influenze esterne, l'ossigeno reagisce con questi legami doppi, formando ossidi. Questi ossidi si decompongono ulteriormente in perossidi di gomma, portando alla scissione delle catene molecolari. Simultaneamente, vengono generati piccoli gruppi attivi, promuovendo il reticolamento delle molecole di gomma. Questo aumenta notevolmente la densità di reticolamento, rendendo la gomma fragile e dura. Il numero di legami doppi influenza direttamente il tasso di invecchiamento.

2.1.2 Additivi per gomma
La selezione degli agenti di vulcanizzazione durante la produzione della gomma è cruciale. Un aumento della concentrazione di reticolamento con zolfo accelera il processo di invecchiamento della gomma.

2.2 Fattori esterni

2.2.1 L'ossigeno è la principale causa dell'invecchiamento della gomma. Le molecole di ossigeno causano la scissione e il ricrettamento delle catene. Un altro fattore è l'ozono, che è altamente reattivo. L'ozono attacca i legami doppi nelle molecole di gomma, formando ozonidi che si decompongono e rompono le catene polimeriche. Poiché il sigillo antisismico a olio è in diretto contatto con l'aria, e l'ossigeno/ozono possono dissolversi nell'olio, partecipano alle reazioni di invecchiamento all'interno dell'olio.

2.2.2 L'energia termica accelera il tasso di ossidazione. In genere, un aumento di 10°C della temperatura raddoppia il tasso di ossidazione. Inoltre, il calore accelera le reazioni tra le catene di gomma e gli additivi, causando l'evaporazione dei componenti volatili nella gomma, degradandone significativamente le prestazioni e riducendone la durata di vita.

2.2.3 Fatica meccanica. Sotto stress prolungato, la gomma subisce deformazioni, portando a effetti meccanico-ossidativi. Combinata con l'energia termica, questo accelera l'ossidazione. Nel corso della sua vita utile, la gomma perde gradualmente elasticità, portando all'invecchiamento meccanico. I sigilli di gomma invecchiati perdono la loro capacità di sigillaggio, causando perdite d'olio.

2.2.4 Compressione iniziale insufficiente del sigillo. I sigilli di gomma si affidano alla deformazione durante l'installazione per creare un adattamento stretto tra il sigillo e la superficie da sigillare, prevenendo così le perdite. La compressione iniziale insufficiente è la causa più probabile di perdite. Problemi di progettazione, come la scelta di un sigillo con sezione trasversale piccola, l'utilizzo di una scanalatura di installazione sovradimensionata o l'incollatura impropria del coperchio del case durante l'installazione, possono tutti portare a una compressione iniziale insufficiente. In pratica, l'incollatura del coperchio del relè viene spesso fatta a sensazione, rendendo difficile raggiungere la posizione ottimale, quindi portando a una compressione insufficiente. Inoltre, la gomma ha un coefficiente di contrazione fredda più di dieci volte superiore a quello del metallo. A temperature basse, la sezione trasversale del sigillo di gomma si contrae e il materiale si indurisce, riducendo ulteriormente la compressione.

2.2.5 Tasso di compressione eccessivo. Per garantire le prestazioni di sigillaggio, gli anelli O di gomma richiedono un certo tasso di compressione. Tuttavia, questo non può essere aumentato a caso. Una compressione eccessiva può causare una deformazione permanente durante l'installazione, generare un alto stress equivalente nel sigillo, portare al fallimento del materiale, ridurre la durata di vita e infine causare perdite d'olio. Ancora una volta, la pratica di incollatura del coperchio del relè a sensazione spesso porta a una compressione eccessiva a causa della difficoltà nel raggiungere la posizione corretta.

3. Relè di densità antisismico a olio zero ZDM

3.1 Assorbimento degli urti e principio di funzionamento del relè ZDM
Il relè di densità antisismico a olio zero ZDM (vedi Figura 2) ottiene l'assorbimento degli urti incorporando un cuscinetto antisismico tra il connettore e il case. Questo cuscinetto smorza le vibrazioni generate durante l'operazione dell'interruttore. L'impatto e le vibrazioni provenienti dall'operazione dello switch vengono trasmessi attraverso il connettore al cuscinetto antisismico, che poi smorza l'energia prima di trasmetterla al case del relè. Grazie a questo effetto di smorzamento, l'energia vibratoria e d'impatto che raggiunge il case del relè è notevolmente ridotta, risultando in ottime prestazioni antisismiche.

Inoltre, il principio di funzionamento del relè ZDM si basa su un tubo a molla come elemento elastico, con una striscia di compensazione termica che corregge le variazioni di pressione e temperatura per riflettere i cambiamenti nella densità del gas SF6. I contatti di uscita utilizzano un meccanismo a microinterruttore. Il controllo del segnale del microinterruttore è eseguito dalla striscia di compensazione termica e dal tubo a molla, combinato con l'effetto di smorzamento del cuscinetto antisismico. Questo design previene falsi segnali a causa delle vibrazioni, assicurando un funzionamento del sistema affidabile ed efficace. Migliora notevolmente le prestazioni antisismiche del relè di densità a indicatore, rendendolo un dispositivo ad alte prestazioni.

3.2 Caratteristiche del relè di densità antisismico a olio zero ZDM

• 3.2.1 Contenitore in acciaio inossidabile completo con eccellenti proprietà impermeabili e anticorrosive, e aspetto attraente;

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

• 3.2.3 Temperatura ambiente di funzionamento: da -30°C a +60°C; umidità ambientale di funzionamento: ≤95% RH;

• 3.2.4 Prestazioni antisismiche: 20 m/s²; prestazioni antiurto: 50g, 11ms; prestazioni di sigillaggio: ≤10⁻⁸ mbar·L/s;

• 3.2.5 Rating dei contatti: AC/DC 250V, 1000VA/500W;

• 3.2.6 Classe di protezione del contenitore: IP65;

• 3.2.7 Design a olio zero, resistente a vibrazioni e urti, e permanentemente senza perdite;

• 3.2.8 Prestazioni stabili e altamente coerenti dell'elemento di rilevamento termico.

Le caratteristiche sopra menzionate dimostrano che il relè di densità antisismico a olio zero ZDM elimina completamente il problema delle perdite d'olio. Utilizzando un design strutturale unico e cuscinetti antisismici al posto dell'olio antisismico, impedisce fondamentalmente le perdite d'olio durante l'operazione.

4. Conclusione

Le principali cause delle perdite d'olio nei relè di densità derivano da problemi di fabbricazione, operazione e manutenzione. Quando la densità dell'equipaggiamento diminuisce, non solo la resistenza isolante del dielettrico si riduce, ma anche la capacità di interruzione dell'interruttore è compromessa. Pertanto, è essenziale sostituire tempestivamente i relè di densità con perdite d'olio. Per garantire un funzionamento sicuro e affidabile, si consiglia di utilizzare relè di densità antisismici a olio zero ZDM o dispositivi simili nelle applicazioni future.