ZDM Oil-Free SF6 Density Relay: Стійке рішення для уникнення витоку масла

Підстанція 110 кВ на нашому заводі була побудована та введена в експлуатацію у лютому 2005 року. Система 110 кВ використовує ZF4-126\1250-31.5 тип SF6 GIS (газоізольоване комутаційне обладнання) від Пекінського заводу комутаційного обладнання, яка складається з семи пролітів і 29 газових камер SF6, включаючи п'ять камер вимикачів. Кожна камера вимикача оснащена реле щільності газу SF6. На нашому заводі використовуються реле щільності МТК-1, вироблені Шанхайською фабрикою приладів Xinyuan. Ці реле доступні у двох діапазонах тиску: -0,1 до 0,5 МПа та -0,1 до 0,9 МПа, з одним або двома наборами контактів. Вони використовують трубку Бурдона та двометалеву стрічку як сенсорні елементи. Коли рівень витоку газу досягає певного рівня, електричні контакти активують сигнал тривоги або блокування, забезпечуючи різні захисні функції. 17 жовтня 2015 року під час планового огляду дежурні електрики виявили різні ступені витоку газу в реле щільності для камер 11, 19 та 22. Цей інцидент підкреслив операційні ризики, пов'язані з витоком масла в реле щільності SF6.

1. Небезпеки витоку масла в реле щільності SF6

Виток масла в реле щільності призводить до значних пошкоджень електрообладнання:

1.1 Якщо антисейсмічне масло в релі всього зникне, його амортизаційна здатність значно знижується. Якщо вимикач працює (відкривається або закривається) в таких умовах, це може призвести до невдалого контакту, надмірного відхилення від стандартних значень, заклинивання стрілки та інших неполадок (див. Рисунок 1: Реле щільності з маслом).

1.2 Завдяки специфічним характеристикам контактів в реле щільності SF6—низька сила контакту та довгий термін експлуатації—може виникнути окислення контактів, що призводить до поганого або перериваного контакту. У реле щільності SF6, які повністю втратили масло, магнітно-підсилені електричні контакти відкриті для повітря, що сприяє окисленню та накопиченню пилу, що легко призводить до поганого контакту в точках контакту. За час експлуатації було спостережено, що 3% контактів реле щільності SF6 не проводять ефективно, головним чином через недостатність антисейсмічного масла. Якщо стрілка реле щільності SF6 застряє, або контакти не працюють або не можуть проводити правильно, безпека та надійність електромережі прямо загрожують.

2. Причини витоку масла в реле щільності SF6

Основною причиною витоку масла в реле щільності SF6 є невдалість уплотнень в двох місцях: на з'єднанні між основою клемника та поверхнею, та на уплотненні між склом та корпусом. Ця невдалість уплотнень в основному пов'язана з віком уплотнень. Антисейсмічні масляні уплотнення в реле щільності SF6 зазвичай виготовляються з акрилонітрілбутадієнового каучуку (NBR). NBR — це синтетичний еластомер, полімер, складений з бутадієну, акрилонітрілу та емульсії, з молекулярною структурою, що має ненасичену вуглецеву ланцюгу. Вміст акрилонітрілу безпосередньо впливає на властивості NBR: більший вміст акрилонітрілу збільшує стійкість до масел, розчинників і хімічних речовин, а також міцність, твердість, стійкість до зношення та теплові характеристики, але зменшує гнучкість при низьких температурах, пружність та збільшує непроникність газу. Фактори, що впливають на старіння уплотнень NBR, можна розділити на внутрішні та зовнішні фактори.

2.1 Внутрішні фактори

2.1.1 Молекулярна структура акрилонітрілбутадієнового каучуку
NBR не є насиченим вуглеводнівним каучуком; його полімерні ланцюги містять ненасичені подвійні зв'язки. Під впливом різних зовнішніх факторів кисень реагує з цими подвійними зв'язками, формуючи оксиди. Ці оксиди подальше розпадаються на каучукові пероксиди, що призводить до розриву молекулярних ланцюгів. Одночасно утворюються малі кількості активних груп, що сприяють поперечному зв'язуванню молекул каучуку. Це значно збільшує густоту поперечного зв'язування, роблячи каучук лускатим та твердим. Кількість подвійних зв'язків безпосередньо впливає на швидкість старіння.

2.1.2 Змішувальні агенти для каучуку
Вибір вульканизуючих агентів під час виробництва каучуку є критичним. Збільшення концентрації середнього поперечного зв'язування сприяє прискоренню процесу старіння каучуку.

2.2 Зовнішні фактори

2.2.1 Кисень є основною причиною старіння каучуку. Молекули кисню викликають розрив ланцюгів та повторне поперечне зв'язування. Іншим фактором є озон, який є дуже реактивним. Озон атакує подвійні зв'язки в молекулах каучуку, формуючи озоніди, які розпадаються та розривають полімерні ланцюги. Оскільки антисейсмічне масляне уплотнення знаходиться в прямому контакту з повітрям, а кисень/озон можуть розчинюватися в маслі, вони беруть участь у реакціях старіння всередині масла.

2.2.2 Теплова енергія прискорює швидкість окислення. Зазвичай, підвищення температури на 10°C подвоює швидкість окислення. Додатково, тепло прискорює реакції між полімерними ланцюгами та змішувальними агентами, що призводить до випаровування летких компонентів каучуку, значно погіршуючи його властивості та скорочуючи строк служби.

2.2.3 Механічна втома. Під тривалим напруженням каучук піддається деформації, що призводить до механіко-окисних ефектів. Поєднання з тепловою енергією прискорює окислення. Протягом строку служби каучук поступово втрачає пружність, що призводить до механічного старіння. Застарілі каучукові уплотнення втрачають свою герметизуючу здатність, що призводить до витоку масла.

2.2.4 Недостатнє початкове стиснення уплотнення. Каучукові уплотнення залежать від деформації під час встановлення для створення тісного прилягання між уплотненням та поверхнею герметизації, щоб запобігти витоку. Недостатнє початкове стиснення найбільш схильне до витоку. Проблеми дизайну, такі як вибір уплотнення з малим перерізом, використання занадто великого установчого пазу або неправильне затягування кришки корпусу під час встановлення, можуть призводити до недостатнього початкового стиснення. На практиці затягування кришки реле часто виконується на ощущення, що робить важким досягнення оптимального положення, що призводить до недостатнього стиснення. Крім того, каучук має коефіцієнт холодного стягування, що більше за десять разів від металу. При низьких температурах переріз каучукового уплотнення стягується, а матеріал твердіє, що ще більше зменшує стиснення.

2.2.5 Завищена ступінь стиснення. Для забезпечення герметичності каучукові O-кольца потребують певної ступені стиснення. Але це не може бути збільшено бездумно. Завищена ступінь стиснення може призводити до постійної деформації під час встановлення, створювати високі еквівалентні напруження в уплотненні, призводити до вибуху матеріалу, скорочувати строк служби та, врешті-решт, призводити до витоку масла. Знову ж таки, практика затягування кришки реле на ощущення часто призводить до завищеної ступені стиснення через труднощі в досягненні правильного положення.

3. Реле щільності без масла, з протистоянням вібраціям типу ZDM

3.1 Амортизація та принцип роботи реле типу ZDM
Реле щільності без масла, з протистоянням вібраціям типу ZDM (див. Рисунок 2) досягає амортизації за допомогою амортизаційної підстилки між з'єднанням та корпусом. Ця підстилка буферизує вібрації, що виникають під час роботи вимикача. Вдар та вібрація від операції вмикача передаються через з'єднання до амортизаційної підстилки, яка знижує енергію перед передачею її до корпусу реле. Завдяки цьому буферному ефекту, вібраційна та ударна енергія, що досягає корпусу реле, значно знижується, що призводить до відмінної стійкості до сейсмічних вібрацій.

Додатково, принцип роботи реле типу ZDM заснований на використанні пружної трубки як пружного елемента, зі стрічкою компенсації температури, яка корегує зміни тиску та температури, щоб відобразити зміни щільності газу SF6. Вихідні контакти використовують механізм мікро-контактів. Керування сигналом мікро-контактів виконується за допомогою стрічки компенсації температури та пружної трубки, поєднаної з буферним ефектом амортизаційної підстилки. Цей дизайн запобігає хибним сигналам через вібрацію, забезпечуючи надійну та ефективну роботу системи. Це значно підвищує стійкість до сейсмічних вібрацій реле щільності зі стрілкою, роблячи його високопродуктивним пристроєм.

3.2 Особливості реле щільності без масла, з протистоянням вібраціям типу ZDM

• 3.2.1 Повністю нержавіюча стальна оболонка з відмінними водонепроникними та корозійно-стойкими властивостями, та привабливим зовнішнім виглядом;

• 3.2.2 Точність: 1.0 клас (при 20°C), 2.5 клас (при -30°C до 60°C);

• 3.2.3 Робоча середовища температура: -30°C до +60°C; робоча середовища вологість: ≤95% RH;

• 3.2.4 Сейсмічна стійкість: 20 м/с²; ударостійкість: 50g, 11ms; герметичність: ≤10⁻⁸ mbar·L/s;

• 3.2.5 Рейтинг контактів: AC/DC 250V, 1000VA/500W;

• 3.2.6 Клас захисту оболонки: IP65;

• 3.2.7 Безмасляний дизайн, стійкий до вібрацій та ударів, та постійно герметичний;

• 3.2.8 Стабільна та високоступенева продуктивність елемента відчуваючого температуру.

Ці особливості демонструють, що реле щільності без масла, з протистоянням вібраціям типу ZDM повністю усуває проблему витоку масла. Використовуючи унікальний конструктивний дизайн та амортизаційні підстилки замість антисейсмічного масла, воно фундаментально запобігає витоку масла під час роботи.

4. Висновок

Основні причини витоку масла в реле щільності випливають з виробничих, експлуатаційних та ремонтних питань. Коли щільність обладнання знижується, не тільки зменшується диелектрична ізоляційна міцність, але й знижується здатність вимикача до переривання. Тому своєчасна заміна реле щільності, що витікають, є важливою. Для забезпечення безпечного та надійного функціонування рекомендується використовувати реле щільності без масла, з протистоянням вібраціям типу ZDM або подібні пристрої в майбутніх застосуваннях.