Compreensão e Gerenciamento de Falhas em Unidades de Anel Principal Isoladas com Nitrogênio

1. Falhas do Sistema de Gás

O tipo mais crítico de falha em unidades principais aneladas isoladas a gás ecológicas está relacionado ao sistema de gás, principalmente envolvendo vazamento de gás e anomalias de pressão. O vazamento de gás em unidades principais aneladas isoladas a nitrogênio provém principalmente do envelhecimento do material de vedação e defeitos no processo de soldagem. As estatísticas indicam que aproximadamente 65% das falhas de vazamento de gás estão relacionadas ao envelhecimento dos anéis O, enquanto 30% são causadas por soldagem inadequada. O vazamento de gás não apenas afeta o desempenho da isolação, mas também pode levar a problemas de segurança em condições extremas. Quando a concentração de nitrogênio aumenta, fazendo com que os níveis de oxigênio no ambiente caiam abaixo de 19,5%, pode ocorrer asfixia, representando uma ameaça à segurança das pessoas.

As anomalias de pressão representam outra falha comum, principalmente causadas por falhas na regulação de válvulas solenoides ou falhas de vedação. A pressão de operação de unidades principais aneladas isoladas a nitrogênio é geralmente mantida entre 0,12 e 0,13 MPa, com a pressão absoluta nominal não excedendo 0,2 MPa. Quando a pressão cai abaixo de 90% do valor nominal (aproximadamente 0,11 MPa), o desempenho de isolação do sistema diminui significativamente, necessitando recarga imediata ou manutenção. Sob condições de impulso de alta tensão, a resistência dielétrica do nitrogênio apresenta um "fenômeno de saliência", onde a relação entre pressão e resistência de isolamento é linear apenas em campos elétricos uniformes ou ligeiramente não uniformes, tornando o controle de pressão mais complexo.

Para abordar as falhas do sistema de gás, as unidades principais aneladas ecológicas modernas geralmente são equipadas com sistemas avançados de monitoramento de gás, incluindo sensores de pressão, detectores de vazamento de gás e módulos de monitoramento de umidade. Por exemplo, a tecnologia de sensores sem fio permite o monitoramento multidimensional em tempo real de temperatura, pressão, vazamento e conteúdo de umidade dentro da câmara de gás, melhorando significativamente as capacidades de alerta de falhas. Aplicações práticas mostram que a instalação desses sistemas de monitoramento pode reduzir as taxas de falhas de vazamento de gás em mais de 75% e estender os ciclos de manutenção do equipamento para 3-5 anos.

2. Falhas Relacionadas ao Campo Elétrico

Descargas parciais e quebras causadas pela distribuição irregular do campo elétrico são a segunda categoria principal de falhas em unidades principais aneladas isoladas a gás ecológicas. Isso se deve principalmente ao fato de que a resistência dielétrica do nitrogênio é apenas cerca de um terço da do gás SF₆. Em campos elétricos não uniformes, o desempenho de isolação do nitrogênio deteriora-se significativamente, tornando-o propenso a fenômenos de descarga.

Manifestações específicas de falhas relacionadas ao campo elétrico incluem descargas nos parafusos de conexão de buchas, distorção do campo elétrico ao redor de flanges e flashovers superficiais em isoladores. Pesquisas indicam que a intensidade máxima do campo elétrico nesses pontos de falha pode atingir 5,4 kV/mm, muito além dos limites de segurança. Por exemplo, a instalação de tampas de blindagem nas cabeças de parafusos pode reduzir a intensidade do campo elétrico para 2,3 kV/mm, reduzindo significativamente o risco de descarga.

As causas de falhas de campo elétrico incluem principalmente três fatores: primeiro, a baixa resistência dielétrica do nitrogênio (cerca de um terço da do SF₆), exigindo um design de campo elétrico mais preciso; segundo, a estrutura interna complexa da câmara de gás, que facilmente forma pontos de concentração do campo elétrico; e terceiro, o design compacto das unidades principais aneladas ecológicas, que geralmente têm menores distâncias fase-a-fase do que os equipamentos tradicionais, agravando a não uniformidade do campo elétrico. Nas unidades principais aneladas ecológicas, a distância aérea entre condutores e fases ou terra geralmente não excede 125 mm, muito menor que os mais de 350 mm em unidades isoladas a SF₆, tornando o controle do campo elétrico particularmente importante.

Resolver problemas de campo elétrico requer otimização de design. Adotar mangas de isolamento de potencial equipotencial e otimizar as formas de buchas e designs de flanges através de simulação de campo elétrico pode reduzir o risco de descarga parcial. Além disso, aumentar os raios de fillet (R) dos eletrodos e usar barras de ônibus arredondadas para diminuir o coeficiente de não uniformidade do campo elétrico também são métodos eficazes. Durante a fabricação, é essencial garantir que a intensidade do campo elétrico superficial de partes vivas e isoladores atenda aos requisitos padrão, especialmente o controle de descarga parcial de componentes de resina epóxi.

3. Falhas Causadas por Problemas de Dissipação de Calor

O terceiro tipo principal de falha enfrentada pelas unidades principais aneladas isoladas a gás ecológicas é o superaquecimento devido à insuficiência de dissipação de calor. O desempenho de dissipação de calor do nitrogênio é significativamente inferior ao do gás SF₆, uma característica particularmente proeminente sob condições de operação de alta carga. Quando a corrente excede 2100 A, a capacidade de dissipação de calor das unidades principais aneladas isoladas a nitrogênio torna-se inadequada, levando facilmente ao envelhecimento do material de isolamento e falhas de conexão.

Manifestações específicas de insuficiência de dissipação de calor incluem superaquecimento de juntas de cabo, aumento de temperatura nas conexões de barras de ônibus e carbonização de materiais de isolamento. Por exemplo, um acidente grave envolvendo a queima de uma junta de cabo foi analisado e descobriu-se que foi causado por uma combinação de práticas de instalação inadequadas e insuficiência de dissipação de calor. Na operação de longo prazo, o superaquecimento leva a uma diminuição do desempenho do material de isolamento, criando um ciclo vicioso que, em última análise, resulta em curto-circuitos ou explosões.

As causas de problemas de dissipação de calor incluem principalmente três aspectos: primeiro, a condutividade térmica do nitrogênio é apenas um quarto da do SF₆, resultando em baixa condutividade térmica; segundo, o design compacto das unidades principais aneladas ecológicas limita o espaço da câmara de gás, restringindo a convecção natural de resfriamento; e terceiro, o calor gerado durante a operação de alta carga é difícil de dissipar efetivamente, levando a aumentos locais de temperatura.

Nos últimos anos, surgiram várias soluções inovadoras para abordar problemas de dissipação de calor. Revestimentos de resfriamento radiativo podem reduzir a temperatura superficial das unidades principais aneladas em 30,9°C durante o dia, oferecendo boas propriedades mecânicas, resistência ao envelhecimento e à corrosão. Dispositivos inteligentes de resfriamento e desumidificação desenvolvidos, através da operação coordenada de ventiladores e desumidificadores, podem reduzir as temperaturas das unidades principais aneladas em 40% e a umidade em 58%, resolvendo efetivamente problemas de insuficiência de dissipação de calor. Além disso, otimizar o design de ventilação da câmara de gás e usar materiais de isolamento de alta condutividade térmica são métodos comuns de melhoria.

4. Falhas de Componentes Mecânicos

A quarta falha comum nas unidades principais aneladas isoladas a gás ecológicas é a falha de componentes mecânicos, principalmente incluindo travamento do mecanismo de operação, desgaste de partes de transmissão e envelhecimento de componentes de vedação. Embora o design selado da câmara de gás reduza o impacto de ambientes úmidos nos componentes mecânicos, o selamento a longo prazo também pode levar à acumulação de umidade interna, afetando a confiabilidade do mecanismo de operação.

Manifestações específicas de falhas mecânicas incluem falha na abertura ou fechamento, travamento de molas e desgaste de pinos de transmissão. Por exemplo, foram registrados vários casos de travamento do mecanismo de operação devido ao envelhecimento de componentes mecânicos, geralmente relacionados a períodos prolongados de inatividade ou manutenção insuficiente. Nos equipamentos ecológicos, as falhas mecânicas também podem estar relacionadas ao espaço interno compacto da câmara de gás e ao layout complexo dos componentes.

As causas de falhas mecânicas incluem principalmente: primeiro, o selamento a longo prazo pode afetar o estado de lubrificação do mecanismo de operação; segundo, o design compacto aumenta a dificuldade de instalação e a complexidade de manutenção dos componentes mecânicos; e terceiro, os equipamentos ecológicos têm requisitos mais altos de resistência mecânica para suportar riscos de deformação da câmara de gás.

Otimizar estratégias de lubrificação é fundamental para resolver falhas de componentes mecânicos. Recomenda-se o uso de graxas baseadas em poliureia (como a graxa Kl), que oferecem excelente adaptabilidade a altas e baixas temperaturas (-40°C a +120°C), resistência a arcos e longa vida útil (mais de 10 anos). Além disso, a manutenção regular (por exemplo, substituição de graxa a cada 3 anos) e evitar lubrificantes incompatíveis (como graxas baseadas em cálcio ou sódio) também são medidas importantes para prevenir falhas mecânicas.