Как влиява загубата на масло върху производителността на реле SF6

1. SF6 електроуредства и често срещаната проблематика с течове на масло в релета за плътност на SF6

SF6 електроуредствата са широко използвани в електроенергийните дружества и промишлените предприятия, значително допринасяйки за развитието на електроенергийната индустрия. Медиумът за гасене на дъга и изолация в такива устройства е сулфур хексафлуорид (SF6) газ, който не трябва да тече. Всяко течно компромитира надеждното и безопасно функциониране на устройството, което прави необходим мониторинг на плътността на SF6 газа. В момента обикновено се използват механични стрелкови реле за плътност за тази цел. Тези реле могат да активират сигнали за алармиране и блокиране при течове на газ, както и да предоставят местно указание на плътността. За подобряване на устойчивостта към вибрации, тези реле обикновено се пълнят с силиконово масло.

В практика обаче, течовете на масло от реле за плътност на SF6 са често срещана проблематика. Този проблем е широко разпространен - всички електроенергийни дружества по цялата страна са срещали такова. Някои реле развиват течове на масло само след няколко месеца от работа. С други думи, течовете на масло в пълнени с масло реле за плътност са често срещана и постоянна проблематика.

2. Опасности от течове на масло в реле за плътност

Както е добре известно, реле за плътност на SF6 обикновено използват пружинен тип контакт, подобрени с магнитна помагалница, за да се гарантира надеждно затваряне на контакти. Обаче силата на контакта (за алармиране или блокиране) се основава главно на слабата сила на пружината. Дори с магнитна помагалница, силата остава много малка, като контакти са много чувствителни към вибрация. За подобряване на устойчивостта към вибрации, обикновено се пълни силиконово масло в реле. Ако се появи течно на масло, то представлява потенциални опасности за SF6 електроуредствата.

Опасност 1: Когато антивибрационното масло напълно изтече, загубва се демпферния ефект, което рязко намалява устойчивостта на реле към вибрация. След силни механични удари при операции с прекъсватели, стрелката може да се заклещи, контактите може да се повредят завинаги (или да не се активират, или да останат активирани), или отклоненията в измерванията може да надхвърлят приемливите граници.

Опасност 2: Тъй като контактите на реле са магнитно помагани с вродено ниска контактна сила, продължителното излагане може да доведе до оксидация на контактните повърхности. За реле, които са изгубили всичкото си масло, магнитно помаганите контакти са директно изложени на въздуха, което ги прави склонни към оксидация или натрупване на прах, водещо до лош контакт или пълна отказ.

Според доклади: През тригодишен период, по време на който едно електроенергийно предприятие усили тестовете на реле за плътност на SF6, бяха проверени 196 единици, от които 6 (около 3%) се оказа, че имат ненадеждно контактно провеждане. Всички тези дефектни реле бяха изгубили напълно своето демпферно масло. Ако реле за плътност страда от заклещена стрелка, повредени контакти или ненадеждно провеждане, то може сериозно да компрометира безопасността на мрежата. Представете си ситуация, в която SF6 прекъсвател изтича газ и губи своя диелектричен медиум, но реле за плътност не успява да активира аларма поради заклещена стрелка или повреден контакт. Ако прекъсвателят после опита да прекъсне виновен ток, последиците могат да бъдат катастрофални.

Освен това, изтеклото масло може да замърси други компоненти на апаратурата, привличайки прах и допълнително засягайки безопасното функциониране. Някои единици се обръщат към обвиването на течещото реле в пластмасови торби, за да предотвратят разпространението на масло и натрупването на прах. Освен това, съвременните подстанции са проектирани да бъдат без масло; така че, течовете на масло се считат за дефект, който трябва да бъде коригиран.

3. Анализ на кореновата причина за течове на масло

Основните точки на течове в реле за плътност са уплътненията между терминалния блок и корпуса, стъклото и корпуса, и пукнатини в самото стъкло. Чрез разграждане на множество течащи реле, установихме, че основната причина за течове на масло е провал на уплътнението между терминалния блок-корпус и стъкло-корпус. По-долу са идентифицираните предварителни причини за провала на уплътнението.

3.1 Стареене на каучуковото уплътнение

В момента, повечето реле за плътност използват нитрилски каучук (NBR) за уплътнителните O-пръстени. NBR е сополимер на бутадиен (CH₂=CH–CH=CH₂) и акрилонитрил (CH₂=CH–CN), произвеждан чрез эмульсионна полимеризация. Това е ненасытен каучук. Съдържанието на акрилонитрил значително влияе на свойствата на NBR: по-високо съдържание подобрява устойчивостта към масло, растворители и химикали, увеличава силата, твърдостта, издръжливостта на износ и температурна устойчивост, но намалява гъвкавостта при ниски температури, еластичността и проницаемостта за въздух.

Каучукът се деградира по време на обработка, съхранение и използване поради различни фактори, показвайки оцветяване, лепкавост, захардяване и пукане - явления, които са известни като стареене на каучука.

Факторите, които допринасят за стареенето на NBR уплътнения, включват вътрешни и външни причини.

3.2 Вътрешни причини

• Молекулярна структура на NBR:
  NBR съдържа ненаситени двойни връзки в своята полимерна верига. Под въздействието на топлина и механични напрежения, кислород реагира в тези двойни връзки, формирайки пероксиди, които се разпадат в оксидативни продукти, причинявайки разцепване на веригата и кръстосвързване. Това увеличава плътността на кръстосвързване, правейки каучука по-твърд и хрупък. По-високо съдържание на двойни връзки ускорява стареенето. Освен това, електронно-донорни заместители (например, –CH₃) в молекулната структура са лесно окисляеми.

• Ефект от каучукови добавки:
  Изборът на вулканизационна система е критичен. По-високо съдържание на сяр увеличава концентрацията на полисулфидни кръстосвързания, но ускорява стареенето.

3.3 Външни причини

• Кислород и озон:
  Кислород е основен фактор за стареене, насърчавайки разцепване на веригата и повторно кръстосвързване. Озон е дори по-реактивен; той формира озониди в двойните връзки, които се разпадат и разцепват полимерните вериги. Уплътнението е директно изложено на въздуха, и спорадични количества кислород и озон се разтварят в маслото, ускорявайки стареенето на каучука.

• Топлина:
  Топлината ускорява окислението - обикновено, повишение с 10°C удвоява скоростта на окисление. Тя също ускорява реакции между каучук и добавки или причинява летливи компоненти да се изпаряват, деградирайки производителността и съкращавайки срок на служба.

• Механична умора:
  Под постоянно напрежение (компресия, крутене), каучукът изпитва механична окисация, ускорена от топлина. С времето, еластичността намалява - това е механично уморно стареене.

Стареенето на каучуковото уплътнение води до провал на уплътнението, губейки способността си за уплътняване и в крайна сметка до течно на масло.

3.4 Недостатъчно начално компресиране на уплътнението

Каучуковите уплътнения се основават на деформация от компресия по време на монтаж, за да се придържат към уплътняващите повърхности и да блокират пътищата за течове. Недостатъчно начално компресиране може да доведе до течове. Това може да се случи поради:

• Проблеми в дизайна: недостатъчно размер на уплътнението или прекомерно голямо резервоарче;

• Проблеми при монтаж: неправилно затягане на капака (повечето реле се полагат на ръка, което прави трудно точното контролиране).
  Освен това, каучукът има коефициент на съкращаване при ниски температури, над десет пъти по-голям от метал. При ниски температури, уплътнението се съкращава и захардяват, допълнително намалявайки компресията.

3. Прекомерна степен на компресия

Макар компресията да е необходима за уплътняване, прекомерната компресия е вредна. Тя може да причини постоянна деформация по време на монтаж или да генерира висока напрегнатост на фон Мизес, водейки до материален провал и намален срок на служба. Отново, ръчното затягане често води до прекомерна компресия.

4. Повърхностни дефекти на уплътняващите повърхности

Царапини, бурми, ниска повърхностна шероховатост или неправилна машинна текстура на уплътняващите повърхности могат да създадат пътища за течове.

5. Ефект от температурата

При високи температури, каучукът се размеква и разширява, потенциално издавайки се и разрушавайки уплътнението. При ниски температури, съкращаването и захардяването също могат да причинят течове.

6. Неправилен избор на твърдост

Ако каучуковото уплътнение е прекалено меко или твърдо, то може да не уплътнява правилно.

7. Груб монтаж

Небрежен монтаж може да повреди уплътнението. Например, остри ръбове или бурми могат да поцарапат O-пръстена, създавайки невидими дефекти, които водят до провал на уплътнението и течове на масло.Освен това, пукнатините в стъклото също могат да причинят течове на масло.

Причините включват:
A) Неравномерно напрежение по време на монтаж, усилвано от внезапни промени в температурата или налягането;
B) Термален шок, причиняващ самото стъкло да се пръсне. Пукнатините образуват пътища за течове, водейки до загуба на масло.

Заключение

В SF6 електроуредствата, SF6 газът служи като основен диелектричен и гасещ медиум. Неговата диелектрична сила и способността му да прекъсва дъги зависят пряко от плътността на газа - по-висока плътност обикновено означава по-добро изпълнение. Но, поради проблеми при производство, експлоатация или поддръжка, течовете на газ са неизбежни. Падането на плътността води до две основни риска: намалена диелектрична сила и намалена способност на прекъсвателя да прекъсва. Затова, мониторингът на плътността на SF6 газа е ключов за безопасна и надеждна експлоатация. Това обикновено се постига чрез използване на реле за плътност на SF6, които предоставят два-етапни предупреждения - сигнал за аларма и сигнал за блокиране, когато плътността падне, позволявайки своевременно вмешателство.

Затова, реле за плътност на SF6 на място трябва да бъдат надеждни. На основата на горния анализ, ние заключаваме:

• Реле за плътност, които показват течове на масло, трябва да бъдат мониторирани и заменени незабавно.

• Новите инсталирани реле трябва да са предпочтително безмаслени типове с подобрена устойчивост към вибрации или подобрени газоуплътнени дизайни.