Relé de Densidade SF6 Sem Óleo ZDM: A Solução Permanente para Vazamento de Óleo
A subestação de 110kV em nossa planta foi construída e colocada em operação em fevereiro de 2005. O sistema de 110kV utiliza GIS (Gas-Insulated Switchgear) do tipo ZF4-126\1250-31.5 da Fábrica de Equipamentos Elétricos de Pequim, composto por sete baías e 29 compartimentos de gás SF6, incluindo cinco compartimentos de disjuntores. Cada compartimento de disjuntor está equipado com um relé de densidade de gás SF6. Nossa planta usa o modelo MTK-1 de relés de densidade a óleo fabricados pela Fábrica de Instrumentos Xinyuan de Xangai. Esses relés estão disponíveis em duas faixas de pressão: -0,1 a 0,5 MPa e -0,1 a 0,9 MPa, com um ou dois conjuntos de contatos. Eles utilizam uma tubulação Bourdon e uma lâmina bimetálica como elementos de detecção. Quando a fuga de gás atinge certo nível, os contatos elétricos acionam sinais de alarme ou bloqueio, permitindo diferentes funções de proteção. Em 17 de outubro de 2015, durante uma inspeção rotineira, os eletricistas de plantão descobriram fugas de gás em graus variados nos relés de densidade dos compartimentos 11, 19 e 22. Este incidente destacou os riscos operacionais causados pela fuga de óleo nos relés de densidade de SF6.
1. Perigos da Fuga de Óleo nos Relés de Densidade de SF6
A fuga de óleo nos relés de densidade causa danos significativos ao equipamento de energia:
1.1 Uma vez que o óleo antissísmico dentro do relé de densidade é completamente perdido, sua capacidade de absorção de choques diminui significativamente. Se o disjuntor opera (abre ou fecha) nessas condições, pode levar a falhas de contato, desvios excessivos dos valores padrão, travamento do ponteiro e outras falhas (ver Figura 1: Relé de densidade a óleo).
1.2 Devido às características específicas dos contatos nos relés de densidade de SF6—baixa força de contato e longa duração de operação—a oxidação dos contatos pode ocorrer ao longo do tempo, levando a contatos ruins ou interrompidos. Nos relés de densidade de SF6 que perderam completamente seu óleo, os contatos elétricos assistidos por ímãs são expostos ao ar, promovendo a oxidação e a acumulação de poeira, o que facilmente resulta em contatos ruins nos pontos de contato. Durante a operação, observou-se que 3% dos contatos de relés de densidade de SF6 não conduzem efetivamente, principalmente devido à falta de óleo antissísmico. Se o ponteiro de um relé de densidade de SF6 fica preso, ou se os contatos falham ou não conduzem corretamente, a segurança e confiabilidade da rede de energia são diretamente ameaçadas.
2. Causas da Fuga de Óleo nos Relés de Densidade de SF6
A principal causa da fuga de óleo nos relés de densidade de SF6 é a falha dos selos em dois locais: a junção entre a base do terminal e a superfície, e o selo entre o vidro e o invólucro. Esta falha de selo é principalmente devida ao envelhecimento dos anéis de vedação. Os selos de óleo antissísmico nos relés de densidade de SF6 são geralmente feitos de borracha nitrílica (NBR). A NBR é um elastômero sintético copolímero composto de butadieno, acrilonitrila e emulsão, com uma estrutura molecular que apresenta uma cadeia de carbono insaturada. O teor de acrilonitrila afeta diretamente as propriedades da NBR: um maior teor de acrilonitrila aumenta a resistência a óleos, solventes e químicos, bem como a resistência, dureza, resistência ao desgaste e resistência ao calor, mas reduz a flexibilidade a baixas temperaturas, elasticidade e aumenta a impermeabilidade a gases. Os fatores que afetam o envelhecimento dos selos de NBR podem ser categorizados em internos e externos.
2.1 Fatores Internos
2.1.1 Estrutura Molecular da Borracha Nitrílica
A NBR não é uma borracha de hidrocarboneto saturado; suas cadeias poliméricas contêm ligações duplas insaturadas. Sob várias influências externas, o oxigênio reage nessas ligações duplas, formando óxidos. Esses óxidos se decompõem em peróxidos de borracha, levando à cisão das cadeias moleculares. Simultaneamente, pequenas quantidades de grupos ativos são geradas, promovendo a reticulação das moléculas de borracha. Isso aumenta significativamente a densidade de reticulação, tornando a borracha frágil e dura. O número de ligações duplas influencia diretamente a taxa de envelhecimento.
2.1.2 Agentes de Composição da Borracha
A seleção de agentes de vulcanização durante a fabricação da borracha é crítica. Um aumento na concentração de enlace cruzado de enxofre acelera o processo de envelhecimento da borracha.
2.2 Fatores Externos
2.2.1 Oxigênio é a principal causa do envelhecimento da borracha. As moléculas de oxigênio causam cisão e recrosslinking. Outro fator é o ozônio, que é altamente reativo. O ozônio ataca as ligações duplas nas moléculas de borracha, formando ozonídeos que se decompõem e quebram as cadeias poliméricas. Como o selo de óleo antissísmico está em contato direto com o ar, e o oxigênio/ozônio pode se dissolver no óleo, eles participam de reações de envelhecimento dentro do óleo.
2.2.2 Energia Térmica acelera a taxa de oxidação. Geralmente, um aumento de 10°C na temperatura duplica a taxa de oxidação. Além disso, o calor acelera as reações entre as cadeias de borracha e os agentes de composição, fazendo com que os componentes voláteis da borracha evaporem, degradando significativamente o desempenho da borracha e encurtando sua vida útil.
2.2.3 Fadiga Mecânica. Sob estresse constante, a borracha sofre deformação, levando a efeitos mecânicos-oxidativos. Combinado com a energia térmica, isso acelera a oxidação. Ao longo de sua vida útil, a borracha gradualmente perde elasticidade, levando ao envelhecimento mecânico. Selos de borracha envelhecidos perdem sua capacidade de vedação, resultando em fuga de óleo.
2.2.4 Compressão Inicial Insuficiente do Selo. Os selos de borracha dependem da deformação durante a instalação para criar um ajuste apertado entre o selo e a superfície de vedação, prevenindo a fuga. A compressão inicial insuficiente é a mais provável de causar fuga. Questões de design—como selecionar um selo com uma seção transversal pequena, usar uma ranhura de instalação muito grande ou apertar inadequadamente a tampa do invólucro durante a instalação—podem todos resultar em compressão inicial insuficiente. Na prática, o aperto da tampa do relé é frequentemente feito por sensação, tornando difícil alcançar a posição ideal, levando a compressão insuficiente. Além disso, a borracha tem um coeficiente de contração a frio mais de dez vezes maior que o metal. Em baixas temperaturas, a seção transversal do selo de borracha contrai e o material endurece, reduzindo ainda mais a compressão.
2.2.5 Taxa de Compressão Excessiva. Para garantir o desempenho de vedação, os anéis O de borracha requerem uma certa taxa de compressão. No entanto, isso não pode ser aumentado cegamente. A compressão excessiva pode causar deformação permanente durante a instalação, gerar tensão equivalente alta no selo, levar à falha do material, encurtar a vida útil e, finalmente, causar fuga de óleo. Novamente, a prática de apertar a tampa do relé por sensação frequentemente resulta em compressão excessiva devido à dificuldade em alcançar a posição correta.
3. Relé de Densidade Antissísmico sem Óleo do Tipo ZDM
3.1 Absorção de Choque e Princípio de Funcionamento do Relé do Tipo ZDM
O relé de densidade antissísmico sem óleo do tipo ZDM (ver Figura 2) realiza a absorção de choque incorporando um amortecedor entre o conector e o invólucro. Este amortecedor amortiza as vibrações geradas durante a operação do disjuntor. O impacto e a vibração da operação do interruptor são transmitidos através do conector para o amortecedor, que então amortece a energia antes de passá-la para o invólucro do relé. Devido a este efeito de amortecimento, a energia de vibração e impacto que chega ao invólucro do relé é grandemente reduzida, resultando em excelente desempenho antissísmico.
Além disso, o princípio de funcionamento do relé do tipo ZDM depende de uma tubulação de mola como elemento elástico, com uma faixa de compensação de temperatura corrigindo variações de pressão e temperatura para refletir mudanças na densidade do gás SF6. Os contatos de saída usam um mecanismo de microinterruptor. O controle do sinal do microinterruptor é realizado pela faixa de compensação de temperatura e tubulação de mola, combinado com o efeito de amortecimento do amortecedor. Este design previne sinais falsos devido à vibração, garantindo o funcionamento confiável e eficaz do sistema. Isso melhora significativamente o desempenho antissísmico do relé de densidade do tipo ponteiro, tornando-o um dispositivo de alto desempenho.
3.2 Características do Relé de Densidade Antissísmico sem Óleo do Tipo ZDM
3.2.1 Caixa totalmente de aço inoxidável com excelentes propriedades de impermeabilização e resistência à corrosão, e aparência atraente;
3.2.2 Precisão: classe 1,0 (a 20°C), classe 2,5 (de -30°C a 60°C);
3.2.3 Temperatura ambiente de operação: -30°C a +60°C; umidade ambiente de operação: ≤95% RH;
3.2.4 Desempenho antissísmico: 20 m/s²; desempenho antichoque: 50g, 11ms; desempenho de vedação: ≤10⁻⁸ mbar·L/s;
3.2.5 Classificação de contatos: AC/DC 250V, 1000VA/500W;
3.2.6 Classificação de proteção do invólucro: IP65;
3.2.7 Design sem óleo, resistente a vibrações e impactos, e permanentemente à prova de vazamentos;
3.2.8 Desempenho estável e altamente consistente do elemento de detecção de temperatura.
As características acima demonstram que o relé de densidade antissísmico sem óleo do tipo ZDM elimina completamente o problema de fuga de óleo. Ao utilizar um design estrutural único e amortecedores em vez de óleo antissísmico, ele previne fundamentalmente a fuga de óleo durante a operação.
4. Conclusão
As principais causas da fuga de óleo nos relés de densidade decorrem de problemas de fabricação, operação e manutenção. Quando a densidade do equipamento diminui, não apenas a resistência dielétrica é reduzida, mas também a capacidade de interrupção do disjuntor é comprometida. Portanto, a substituição oportuna dos relés de densidade com fuga de óleo é essencial. Para garantir a operação segura e confiável, recomenda-se o uso de relés de densidade antissísmicos sem óleo do tipo ZDM ou dispositivos similares em futuras aplicações.
