كيف يؤثر فقدان الزيت على أداء مفتاح SF6

1. المعدات الكهربائية SF6 ومشكلة تسرب الزيت الشائعة في أجهزة قياس كثافة SF6

تُستخدم الآن المعدات الكهربائية SF6 على نطاق واسع في شركات توزيع الكهرباء والمؤسسات الصناعية، مما يساهم بشكل كبير في تطوير صناعة الطاقة. الوسط المستخدم لتقطيع القوس والعزل في هذه المعدات هو غاز السلفور هكسافلوريد (SF6)، والذي يجب أن لا يتسرب. يؤدي أي تسرب إلى تقليل التشغيل الموثوق والأمن للمعدات، مما يجعل مراقبة كثافة غاز SF6 ضرورية. حالياً، يتم استخدام أجهزة قياس الكثافة ذات المؤشر الميكانيكي بشكل شائع لهذا الغرض. يمكن لهذه الأجهزة تشغيل إشارات الإنذار والحظر عند حدوث تسرب للغاز، كما توفر مؤشراً لكثافة الموقع. لتحسين مقاومة الاهتزاز، يتم عادةً ملء هذه الأجهزة بالزيت السيليكوني.

ومع ذلك، في الممارسة العملية، يعتبر تسرب الزيت من أجهزة قياس كثافة غاز SF6 مشكلة شائعة. هذه المشكلة منتشرة - كل مكتب توزيع كهرباء في البلاد قد واجهها. بعض الأجهزة تبدأ في تسرب الزيت خلال أقل من عام من التشغيل. بعبارة أخرى، تسرب الزيت في أجهزة قياس الكثافة المحملة بالزيت هو مشكلة شائعة ومثمرة.

2. مخاطر تسرب الزيت في أجهزة قياس الكثافة

كما هو معروف جيداً، تستخدم أجهزة قياس كثافة SF6 عادةً نوعاً من التلامس الكهربائي الربيعي مع تعزيز مغناطيسي لضمان إغلاق التلامس بشكل موثوق. ومع ذلك، يعتمد القوة التلامسية (للإنذار أو الحظر) بشكل أساسي على القوة الضعيفة للربيع. حتى مع المساعدة المغناطيسية، تظل القوة صغيرة جداً، مما يجعل التلامس حساساً للغاية للاهتزاز. لتحسين مقاومة الاهتزاز، يتم عادةً ملء الجهاز بالزيت السيليكوني. إذا حدث تسرب للزيت، فإنه يشكل مخاطر أمنية محتملة للمعدات الكهربائية SF6.

المخاطرة 1: بمجرد تسرب الزيت المضاد للاهتزاز بالكامل، تفقد آثار التخميد، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في مقاومة الاهتزاز للأجهزة. بعد الصدمات الميكانيكية القوية أثناء عمليات التحويل في المقاطع الكهربائية، قد يتوقف المؤشر عن العمل، وقد يفشل التلامس بشكل دائم (إما عدم التشغيل أو الاستمرار في التشغيل)، أو قد تتجاوز الانحرافات في القياس الحدود المقبولة.

المخاطرة 2: بما أن التلامس في الأجهزة مدعوم مغناطيسياً مع قوة تلامسية منخفضة بطبيعتها، فإن التعرض الطويل الأمد يمكن أن يؤدي إلى تأكسد سطوح التلامس. بالنسبة للأجهزة التي فقدت كل زيتها، يكون التلامس المدعم مغناطيسياً معرضاً مباشرة للهواء، مما يجعله عرضة للتآكل أو تراكم الغبار، مما يؤدي إلى تلامس ضعيف أو فشل كامل.

وفقاً للتقارير: خلال فترة ثلاث سنوات حيث قام أحد المرافق بتعزيز اختبار أجهزة قياس كثافة SF6، تم فحص 196 جهازاً، ووجد أن 6 (حوالي 3%) كانت لديها توصيل غير موثوق. كان جميع هذه الأجهزة المعيبة قد فقدت زيت التخميد بالكامل. إذا تعرض جهاز قياس الكثافة لتأخير المؤشر أو فشل التلامس أو توصيل غير موثوق، يمكن أن يعرض أمان الشبكة لخطر شديد. خذ مثالاً حيث يحدث تسرب للغاز في المقاطع الكهربائية SF6 ويفقد الوسط العازل، ولكن جهاز قياس الكثافة يفشل في تشغيل الإنذار بسبب تأخير المؤشر أو فشل التلامس. إذا حاول المقاطع الكهربائية بعد ذلك قطع تيار العطل، فقد تكون النتائج كارثية.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يلوث الزيت المتسرب المكونات الأخرى للألواح التحويلية، مما يجذب الغبار ويعرض التشغيل الآمن للخطر. بعض الوحدات تلجأ إلى لف الأجهزة المتسربة في أكياس بلاستيكية لمنع انتشار الزيت وتراكم الغبار. بالإضافة إلى ذلك، يتم تصميم المحطات الفرعية الحديثة بدون زيت؛ لذا يعتبر تسرب الزيت عيباً يجب تصحيحه.

3. تحليل السبب الجذري لتسرب الزيت

النقاط الرئيسية للتسرب في أجهزة قياس الكثافة هي بين لوحة الطرف والجسم، وبين النافذة الزجاجية والجسم، وكسر في الزجاج نفسه. من خلال فك العديد من الأجهزة المتسربة، حددنا أن السبب الرئيسي لتسرب الزيت هو فشل الختم بين لوحة الطرف والجسم وفي الواجهة بين الزجاج والجسم. ما يلي هو الأسباب الأولية المحددة لفشل الختم.

3.1 تقادم الختم المطاطي

حالياً، يستخدم معظم أجهزة قياس الكثافة مطاط نايتريلك (NBR) لخواتم الختم الزيتية. NBR هو كوبوليمر من البوتاديين (CH₂=CH–CH=CH₂) والأكريلونايترايل (CH₂=CH–CN)، يتم إنتاجه عبر البلمرة بالإمulsion. إنه مطاط سلسلة كربونية غير مشبع. يؤثر محتوى الأكريلونايترايل بشكل كبير على خصائص NBR: يزيد المحتوى العالي من مقاومة الزيوت والمذيبات والمواد الكيميائية، ويزيد من القوة والصلابة والمقاومة للارتداء والحرارة، ولكنه يقلل من المرونة في درجات الحرارة المنخفضة والانضغاط الهوائي.

يتحلل المطاط أثناء المعالجة والتخزين والاستخدام بسبب عوامل مختلفة، مما يؤدي إلى تغير اللون واللزوجة والصلابة والتصدع - وهي ظواهر تعرف مجتمعة باسم تقادم المطاط.

تشمل العوامل المساهمة في تقادم ختم NBR الأسباب الداخلية والخارجية.

3.2 الأسباب الداخلية

• البنية الجزيئية لـ NBR:
  يحتوي NBR على روابط ثنائية غير مشبعة في سلسلته البوليمرية. تحت الحرارة والضغط الميكانيكي، يتفاعل الأكسجين عند هذه الروابط الثنائية، ليشكل بيروكسيدات تتفكك إلى منتجات أكسدة، مما يؤدي إلى قطع السلسلة وتكوين روابط عرضية. هذا يزيد من كثافة الروابط العرضية، مما يجعل المطاط أكثر صلابة وقساوة. زيادة محتوى الروابط الثنائية يسرع من عملية التقادم. بالإضافة إلى ذلك، الجزيئات المانحة للإلكترونات (مثل –CH₃) في البنية الجزيئية تتأكسد بسهولة.

• تأثير مواد مركبة المطاط:
  اختيار نظام الفولكانة أمر حاسم. زيادة محتوى الكبريت يزيد من تركيز الروابط العرضية متعددة الكبريت ولكن يسرع من عملية التقادم.

3.3 الأسباب الخارجية

• الأكسجين والأوزون:
  الأكسجين هو عامل تقادم رئيسي، يعزز قطع السلسلة وإعادة تكوين الروابط العرضية. الأوزون أكثر تفاعلية؛ يشكل الأوزونيدات عند الروابط الثنائية، والتي تتفكك وتقطع سلاسل البوليمر. الختم معرض مباشرة للهواء، وكميات ضئيلة من الأكسجين والأوزون تذوب في الزيت، مما يسرع من عملية تقادم المطاط.

• الحرارة:
  تسريع الأكسدة - عادة ما يؤدي ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية إلى مضاعفة معدل الأكسدة. كما يسرع الحرارة من التفاعلات بين المطاط والإضافات أو يسبب تبخر المكونات الطائفة، مما يؤدي إلى تدهور الأداء وقصر العمر الافتراضي.

• الإجهاد الميكانيكي:
  تحت الضغط المستمر (الضغط، الدوران)، يخضع المطاط للأكسدة الميكانيكية، والتي تسرعها الحرارة. مع مرور الوقت، تنخفض المرونة - وهذا هو التقادم الميكانيكي.

يؤدي تقادم الختم المطاطي إلى فشل الختم وفقدان قدرة الختم وأخيراً تسرب الزيت.

3.4 ضغط الختم الأولي غير كافٍ

يعتمد الختم المطاطي على التشوه بالضغط أثناء التركيب لتوفير ملاءمة ضيقة للسطح المختوم وحجب مسارات التسرب. يمكن أن يؤدي الضغط الأولي غير الكافي إلى التسرب. يمكن أن يحدث هذا بسبب:

• مشاكل في التصميم: مقطع الختم صغير الحجم أو الفتحة كبيرة الحجم؛

• مشاكل في التركيب: شد الغطاء بشكل غير صحيح (معظم الأجهزة تعتمد على الإحساس اليدوي، مما يجعل السيطرة الدقيقة صعبة).
  بالإضافة إلى ذلك، يكون معامل الانكماش البارد للمطاط أكثر من عشرة أضعاف المعادن. في درجات الحرارة المنخفضة، ينكمش الختم ويصبح أكثر صلابة، مما يقلل من الضغط.

3. معدل الضغط الزائد

بينما يكون الضغط ضرورياً للختم، فإن الضغط الزائد ضار. قد يؤدي إلى التشوه الدائم أثناء التركيب أو يولد ضغطاً عالياً من فون ميزيس، مما يؤدي إلى فشل المادة وقصر العمر الافتراضي. مرة أخرى، غالبًا ما يؤدي التشديد اليدوي إلى الضغط الزائد.

4. عيوب السطح على السطوح المختومة

يمكن أن تخلق الخدوش والتفلقات والخشونة السطحية المنخفضة أو نقوش التصنيع غير المناسبة على السطوح المختومة مسارات للتسرب.

5. تأثيرات درجة الحرارة

في درجات الحرارة العالية، يلين المطاط ويتمدد، مما قد يؤدي إلى خروجه وكسر الختم. في درجات الحرارة المنخفضة، يمكن أن يؤدي الانكماش والصلابة أيضاً إلى التسرب.

6. اختيار الصلابة غير المناسب

إذا كان الختم المطاطي ناعماً جداً أو صلباً جداً، فقد يفشل في الختم بشكل صحيح.

7. التركيب الخشن

يمكن أن يؤدي التركيب غير الدقيق إلى تلف الختم. على سبيل المثال، قد تتسبب حواف حادة أو تفلقات في خدش خاتم O، مما يخلق عيوباً غير مرئية تؤدي إلى فشل الختم وتسرب الزيت.بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي تشقق الزجاج أيضاً إلى تسرب الزيت.

تشمل الأسباب:
أ) الضغط غير المتساوٍ أثناء التركيب، الذي يتفاقم بسبب التغييرات المفاجئة في درجة الحرارة أو الضغط؛
ب) الصدمة الحرارية التي تسبب تشقق الزجاج نفسه. تشكل الشقوق مسارات للتسرب، مما يؤدي إلى فقدان الزيت.

الخاتمة

في المعدات الكهربائية SF6، يعتبر غاز السلفور هكسافلوريد (SF6) الوسط الأساسي للعزل وقطع القوس. تعتمد قوة العزل وقوة قطع الدائرة بشكل مباشر على كثافة الغاز - كلما ارتفعت الكثافة، كلما كانت الأداء أفضل. ومع ذلك، بسبب مشاكل التصنيع أو التشغيل أو الصيانة، يكون تسرب الغاز أمراً لا مفر منه. يؤدي انخفاض الكثافة إلى مخاطرتين رئيسيتين: انخفاض قوة العزل وانخفاض قدرة الدائرة على القطع. لذلك، يعد مراقبة كثافة غاز SF6 ضرورية للتشغيل الآمن والموثوق. يتم تحقيق ذلك عادةً باستخدام أجهزة قياس كثافة SF6، والتي توفر تحذيرين متدرجين - إنذار وحظر - عند انخفاض الكثافة، مما يسمح بالتدخل في الوقت المناسب.

لذلك، يجب أن تكون أجهزة قياس كثافة SF6 على الأرض موثوقة. بناءً على التحليل أعلاه، نستنتج:

• يجب مراقبة واستبدال أجهزة قياس الكثافة التي تظهر عليها تسرب الزيت على الفور.

• يجب أن تكون الأجهزة الجديدة المثبتة من النوع الخالي من الزيت مع مقاومة ممتازة للاهتزاز أو تصميمات محسنة للختم الغازي.