Zrozumienie i zarządzanie awariami w pierścieniowych jednostkach głównych z izolacją azotową
1. Usterki systemu gazowego
Najbardziej krytycznym typem usterki w ekologicznych gazowych jednostkach pierścieniowych z izolacją gazową jest ten związany z systemem gazowym, głównie dotyczący przecieków gazu i anomalii ciśnienia. Przecieki gazu w azotowych jednostkach pierścieniowych z izolacją gazową są przede wszystkim spowodowane starzeniem się materiałów uszczelniających i defektami procesu spawania. Statystyki wskazują, że około 65% usterek spowodowanych przeciekami gazu jest związane ze starzeniem się pierścieni O, podczas gdy 30% jest wynikiem niewłaściwego spawania. Przecieki gazu nie tylko wpływają na wydajność izolacji, ale mogą również prowadzić do problemów bezpieczeństwa w skrajnych warunkach. Gdy stężenie azotu wzrasta, powodując spadek poziomu tlenu w środowisku poniżej 19,5%, może wystąpić uduszenie, co stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa personelu.
Anomalie ciśnienia reprezentują kolejną powszechną usterkę, głównie spowodowaną awariami regulacji zaworów elektromagnetycznych lub uszkodzeniami uszczelnień. Ciśnienie robocze azotowych jednostek pierścieniowych z izolacją gazową jest zwykle utrzymywane w zakresie od 0,12 do 0,13 MPa, z dopuszczalnym bezwzględnym ciśnieniem nieprzekraczającym 0,2 MPa. Gdy ciśnienie spada poniżej 90% wartości nominalnej (około 0,11 MPa), wydajność izolacyjna systemu znacznie się obniża, co wymaga natychmiastowego doładowania lub konserwacji. W warunkach impulsów wysokiego napięcia, dielektryczna wytrzymałość azotu wykazuje "zjawisko grzbietowe", gdzie relacja między ciśnieniem a wytrzymałością izolacyjną jest liniowa jedynie w jednorodnych lub lekko niejednorodnych polach elektrycznych, co czyni kontrolę ciśnienia bardziej skomplikowaną.
Aby rozwiązać problemy z systemem gazowym, nowoczesne ekologiczne jednostki pierścieniowe są zwykle wyposażone w zaawansowane systemy monitorowania gazu, w tym czujniki ciśnienia, detektory przecieków gazu i moduły monitorujące wilgotność. Na przykład technologia bezprzewodowego zmysłu umożliwia wielowymiarowe monitorowanie w czasie rzeczywistym temperatury, ciśnienia, przecieków i zawartości wilgoci w komorze gazowej, znacznie zwiększając możliwości ostrzegania o ustawkach. Praktyczne zastosowania pokazują, że instalacja takich systemów monitorujących może zmniejszyć częstotliwość usterki spowodowanej przeciekiem gazu o ponad 75% i przedłużyć cykl konserwacji sprzętu do 3-5 lat.
2. Usterki związane z polem elektrycznym
Częściowe wyładowania i przebicia spowodowane nierównomiernym rozkładem pola elektrycznego to druga główna kategoria usterki w ekologicznych gazowych jednostkach pierścieniowych z izolacją gazową. Jest to głównie wynikiem faktu, że wytrzymałość izolacyjna azotu wynosi tylko około jednej trzeciej wytrzymałości gazu SF₆. W niejednorodnych polach elektrycznych wydajność izolacyjna azotu znacznie się obniża, co powoduje, że jest on podatny na zjawiska wyładowaniowe.
Konkretnymi przejawami usterki związanych z polem elektrycznym są wyładowania w śrubach połączeń bushing, zniekształcenia pola elektrycznego wokół flanż i powierzchniowe błyskawicenka na izolatorach. Badania wskazują, że maksymalna intensywność pola elektrycznego w tych miejscach usterki może osiągać 5,4 kV/mm, co znacznie przekracza progi bezpieczeństwa. Na przykład, montaż osłon na głowicach śrub może obniżyć intensywność pola elektrycznego do 2,3 kV/mm, znacznie zmniejszając ryzyko wyładowania.
Przyczyny usterki pola elektrycznego obejmują głównie trzy czynniki: pierwszy, niska wytrzymałość izolacyjna azotu (około jednej trzeciej SF₆), wymagająca bardziej precyzyjnego projektowania pola elektrycznego; drugi, złożona wewnętrzna struktura komory gazowej, która łatwo tworzy punkty koncentracji pola elektrycznego; i trzeci, zwarty projekt ekologicznych jednostek pierścieniowych, które mają zazwyczaj mniejsze odległości między fazami niż tradycyjne urządzenia, co pogarsza niejednorodność pola elektrycznego. W ekologicznych jednostkach pierścieniowych odległość powietrzna między przewodnikami i fazami lub ziemią jest zwykle nie większa niż 125 mm, co jest znacznie mniejsze niż ponad 350 mm w jednostkach izolowanych gazem SF₆, co sprawia, że kontrola pola elektrycznego jest szczególnie istotna.
Rozwiązanie problemów z polem elektrycznym wymaga optymalizacji projektu. Zastosowanie rur izolacyjnych o potencjale równym i optymalizacja kształtów bushing i projektów flanż przez symulację pola elektrycznego może obniżyć ryzyko częściowego wyładowania. Dodatkowo, zwiększenie promieni filarów elektrod (kątów R) i użycie okrągłych busów, aby obniżyć współczynnik niejednorodności pola elektrycznego, są również skutecznymi metodami. Podczas produkcji należy zapewnić, aby siła pola elektrycznego na powierzchni żywej części i izolatorów spełniała standardowe wymagania, zwłaszcza kontrola częściowego wyładowania komponentów z żywicy epoksydowej.
3. Usterki spowodowane problemami z odprowadzaniem ciepła
Trzecim głównym typem usterki występującym w ekologicznych gazowych jednostkach pierścieniowych z izolacją gazową jest przegrzewanie spowodowane niewystarczającym odprowadzaniem ciepła. Wydajność odprowadzania ciepła azotu jest znacznie słabsza niż gazu SF₆, co jest szczególnie widoczne w warunkach pracy przy dużych obciążeniach. Gdy prąd przekracza 2100 A, zdolność odprowadzania ciepła azotowych jednostek pierścieniowych z izolacją gazową staje się niewystarczająca, co łatwo prowadzi do starzenia się materiałów izolacyjnych i awarii połączeń.
Konkretnymi przejawami niewystarczającego odprowadzania ciepła są przegrzewanie połączeń kablowych, wzrost temperatury w połączeniach busów i karbonizacja materiałów izolacyjnych. Na przykład, analiza poważnego wypadku spowodowanego spaleniem połączenia kablowego wykazała, że była to kombinacja złych praktyk montażowych i niewystarczającego odprowadzania ciepła. W długotrwałej eksploatacji przegrzewanie prowadzi do spadku wydajności materiałów izolacyjnych, co tworzy szkodliwą pętlę, która ostatecznie prowadzi do zwarć lub eksplozji.
Przyczyny problemów z odprowadzaniem ciepła obejmują głównie trzy aspekty: pierwszy, przewodność ciepła azotu wynosi tylko jedną czwartą przewodności ciepła SF₆, co prowadzi do słabej przewodności ciepła; drugi, zwarty projekt ekologicznych jednostek pierścieniowych ogranicza przestrzeń komory gazowej, ograniczając naturalną konwekcję chłodzącą; i trzeci, ciepło generowane podczas pracy przy dużych obciążeniach jest trudno efektywnie odprowadzane, co prowadzi do lokalnych wzrostów temperatury.
W ostatnich latach pojawiły się różne innowacyjne rozwiązania, aby rozwiązać problemy z odprowadzaniem ciepła. Powłoki chłodzące poprzez promieniowanie mogą obniżyć temperaturę powierzchni jednostek pierścieniowych o 30,9°C w ciągu dnia, oferując dobre właściwości mechaniczne, odporność na starzenie i korozję. Rozwijane inteligentne urządzenia chłodzące i usuwające wilgoć, działając koordynowanie wiatraków i urządzeń usuwających wilgoć, mogą obniżyć temperaturę jednostek pierścieniowych o 40% i wilgotność o 58%, efektywnie rozwiązując problemy z niewystarczającym odprowadzaniem ciepła. Dodatkowo, optymalizacja wentylacji komory gazowej i użycie materiałów izolacyjnych o wysokiej przewodności ciepła to powszechne metody poprawy.
4. Usterki elementów mechanicznych
Czwartym powszechnym typem usterki w ekologicznych gazowych jednostkach pierścieniowych z izolacją gazową jest awaria elementów mechanicznych, obejmująca głównie zacięcie mechanizmu sterującego, zużycie części przekazywania i starzenie się elementów uszczelniających. Choć hermetyczny projekt komory gazowej zmniejsza wpływ wilgotnych warunków na elementy mechaniczne, długotrwałe szczelne zamknięcie może również prowadzić do nagromadzenia wilgoci wewnątrz, co wpływa na niezawodność mechanizmu sterującego.
Konkretnymi przejawami usterki mechanicznej są niemożność otwierania lub zamykania, zacięcie sprężyny i zużycie sztyftów przekładniowych. Na przykład, zapisano wiele przypadków zacięcia mechanizmu sterującego spowodowanych starzeniem się elementów mechanicznych, które są zazwyczaj związane z długotrwałym brakiem aktywności lub niewystarczającą konserwacją. W ekologicznym sprzęcie usterki mechaniczne mogą również być związane z zwartą przestrzenią wewnętrzną komory gazowej i złożonym układem komponentów.
Przyczyny usterki mechanicznej obejmują głównie: pierwszy, długotrwałe szczelne zamknięcie może wpływać na stan smarowania mechanizmu sterującego; drugi, zwarty projekt zwiększa trudności montażu i złożoność konserwacji elementów mechanicznych; i trzeci, ekologiczny sprzęt ma wyższe wymagania dotyczące wytrzymałości mechanicznej, aby sprostać ryzyku deformacji komory gazowej.
Optymalizacja strategii smarowania jest kluczowa do rozwiązania problemów z elementami mechanicznymi. Zaleca się używanie smarów opartych na poliuretanach (np. smar Kl), które oferują doskonałą adaptację do wysokich i niskich temperatur (-40°C do +120°C), odporność na łuki elektryczne i długi czas użytkowania (ponad 10 lat). Dodatkowo, regularna konserwacja (np. wymiana smaru co 3 lata) i unikanie nieskompatybilnych smarów (takich jak smary wapniowe lub sodowe) to również ważne środki zapobiegające usterkom mechanicznym.
