Com Afegeix la Pèrdua d'Aceite a la Prestació del Relé SF6?

1. Equipament elèctric SF6 i el problema comú de pèrdua d'oli en els relés de densitat SF6

L'equipament elèctric SF6 s'utilitza actualment de manera extensa en utilities elèctriques i empreses industrials, contribuint significativament al desenvolupament de l'indústria elèctrica. El medi d'extinció d'arc i aïllant en aquest equipament és el gas hexafluorur de sò (SF6), que no ha de filtrar-se. Qualsevol filtració compromet la operació fiable i segura de l'equipament, fet que fa essencial monitorar la densitat del gas SF6. Actualment, es fan servir de manera habitual relés de densitat de punter mecànica per a aquest propòsit. Aquests relés poden activar senyals d'alarma i bloqueig quan ocorre una filtració de gas, i també proporcionen una indicació de densitat in situ. Per millorar la resistència a les vibracions, aquests relés solen omplir-se amb oli de silicó.

No obstant això, en la pràctica, la pèrdua d'oli dels relés de densitat SF6 és un problema comú. Aquest problema és generalitzat—totes les oficines d'abastament elèctric del país l'han experimentat. Algunes relés desenvolupen pèrdues d'oli en menys d'un any de funcionament. En resum, la pèrdua d'oli en relés de densitat omplerts d'oli és un problema prevalent i persistent.

2. Riscos de la pèrdua d'oli en els relés de densitat

Com és ben sabut, els relés de densitat SF6 generalment utilitzen un contacte elèctric de molla, reforçat amb un mecanisme d'assistència magnètica per assegurar un tancament de contacte fiable. No obstant això, la força de contacte (per a l'alarma o el bloqueig) depèn principalment de la força feble de la molla. Encara amb l'assistència magnètica, la força continua sent molt petita, fent que els contactes siguin altament sensibles a les vibracions. Per millorar la resistència a les vibracions, sovint es farcit el relé amb oli de silicó. Si ocorre una pèrdua d'oli, això suposa riscos potencials de seguretat per a l'equipament elèctric SF6.

Risc 1: Un cop l'oli anti-vibració s'ha filtrat completament, s'esvaeix l'efecte d'amortiment, reduint dràsticament la resistència a les vibracions del relé. Després de fortes xocs mecànics durant les operacions de commutació del disjuntor, el punter pot quedar aturat, els contactes poden fallar permanentment (o bé no actuant o quedant actuat), o les desviacions de mesura poden superar els límits acceptables.

Risc 2: Com que els contactes del relé són assistits magnèticament amb una força de contacte inherentment baixa, una exposició prolongada pot portar a l'oxidació de les superfícies de contacte. Per als relés que han perdut tot l'oli, els contactes assistits magnèticament estan exposats directament a l'aire, fent-los propensos a l'oxidació o acumulació de pols, resultant en un mal contacte o fallida total.

Segons informes: Durant un període de tres anys en què una utility intensificà les proves dels relés de densitat SF6, es van inspeccionar 196 unitats, i 6 (aproximadament un 3%) es van trobar amb una conducció de contacte no fiable. Tots aquests relés defectuosos havien perdut completament l'oli d'amortiment. Si un relé de densitat patix un punter aturat, contactes fallats o conducció no fiable, això podria comprometre gravement la seguretat de la xarxa. Considerem el escenari on un disjuntor SF6 filtra gas i perd el seu mitjà aïllant, però el relé de densitat no activa l'alarma degut a un punter aturat o contactes fallats. Si el disjuntor intenta interrompre una corrent de falla, les conseqüències podrien ser catastròfiques.

A més, l'oli filtrat pot contaminar altres components de l'armari de commutació, atraient pols i peril·lant encara més la seguretat de la operació. Algunes unitats recorren a envoltar el relé que filtra oli amb bosses de plàstic per evitar que l'oli es propagui i provoqui l'acumulació de pols. A més, les subestacions modernes estan dissenyades per ser sense oli; per tant, la pèrdua d'oli es considera un defecte que ha de ser corregit.

3. Anàlisi de les causes radicals de la pèrdua d'oli

Els punts principals de filtració en els relés de densitat són els joints entre el bloc terminal i la carcassa, la finestra de vidre i la carcassa, i les rajoles en el vidre mateix. Després de desmuntar nombrosos relés que filtran oli, hem determinat que la causa principal de la pèrdua d'oli és el fall de junta en les interfícies del bloc terminal-carcassa i vidre-carcassa. Els raons preliminars identificades per a l'fall de junta són les següents.

3.1 Envelleiment de la junta de goma

Actualment, la majoria dels relés de densitat utilitzen caucho nitrílic (NBR) per als anells O d'estanquiatge d'oli. El NBR és un copolímer de butadiè (CH₂=CH–CH=CH₂) i acrilonitril (CH₂=CH–CN), produït via polimerització en emulsió. És una goma de cadena de carboni insaturada. El contingut d'acrilonitril afecta significativament les propietats del NBR: un contingut més elevat millora la resistència a l'oli, solvents i productes químics, augmenta la resistència, duresa, resistència a l'usura i a la calor, però redueix la flexibilitat a fred, elasticitat i permeabilitat a l'aire.

La goma es degrada durant el processament, emmagatzematge i ús a causa de diversos factors, manifestant-se en discoloració, adhesió, endureixement i rajolament—fenòmens col·lectivament coneguts com envelleiment de la goma.

Els factors que contribueixen a l'envelleiment de la junta de NBR inclouen causes internes i externes.

3.2 Causes internes

• Estructura molecular del NBR:
  El NBR conté enllaços dobles insaturats en la cadena polimèrica. Sota calor i estrès mecànic, l'oxigen reacciona en aquests enllaços dobles, formant peroxides que es descomponen en productes oxidants, causant la ruptura de cadena i entrecruzament. Això augmenta la densitat d'entrecruzament, fent que la goma sigui més dura i fragil. Un contingut més elevat d'enllaços dobles accelera l'envelleiment. A més, els substituents donadors d'electrons (p. ex., –CH₃) en l'estructura molecular s'oxiden fàcilment.

• Efecte dels agents de composició de goma:
  La tria del sistema de vulcanització és crítica. Un contingut més elevat de sulfur augmenta la concentració d'entrecruzaments polisulfuriats però accelera l'envelleiment.

3.3 Causes externes

• Oxigen i ozó:
  L'oxigen és un factor d'envelleiment primari, promovint la ruptura de cadena i re-entrecruzament. L'ozó és encara més reactiu; forma ozonides en els enllaços dobles, que es descomponen i trencen les cadenes polimèriques. La junta està exposada directament a l'aire, i trasses d'oxigen i ozó es dissolen en l'oli, accelerant l'envelleiment de la goma.

• Calor:
  La calor accelera l'oxidació—generalment, un increment de 10°C duplica la velocitat d'oxidació. També accelera les reaccions entre la goma i els additius o provoca l'evaporació de components volàtils, degradant el rendiment i reduint la vida útil.

• Fatiga mecànica:
  Sota stress constant (compressió, torsió), la goma experimenta oxidació mecànica, accelerada per la calor. Amb el temps, la elasticitat es redueix—això és la fatiga mecànica de l'envelleiment.

L'envelleiment de la junta de goma porta a l'fall de la junta, la pèrdua de capacitat d'estanquiatge i, finalment, la pèrdua d'oli.

3.4 Compressió inicial insuficient de la junta

Les juntes de goma depenen de la deformació per compressió durant la instal·lació per ajustar-se estanquement a les superfícies d'estanquiatge i bloquejar les rutes de filtració. Una compressió inicial insuficient pot portar a filtracions. Això pot succeir per:

• Problemes de disseny: secció transversal de la junta massa petita o ranura massa gran;

• Problemes d'instal·lació: apretat incorrecte de la tapa (la majoria dels relés depenen de la sensació manual, fent difícil el control precís).
  A més, la goma té un coeficient de contractilitat a fred més de deu vegades superior al metall. A baixes temperatures, la junta es contrau i s'endureix, reduint encara més la compressió.

3. Excessiva taxa de compressió

Si bé la compressió és necessària per a l'estanquiatge, una compressió excessiva és nociva. Pot causar una deformació permanent durant la instal·lació o generar un alt estrès de von Mises, provocant l'fall del material i una reducció de la vida útil. Novament, l'apretat manual sovint resulta en una compressió excessiva.

4. Defectes superficials en les superfícies d'estanquiatge

Raigs, barbes, rugositat superficial baixa o textures de maquinatge inadequades en les superfícies d'estanquiatge poden crear rutes de filtració.

5. Efectes de temperatura

A temperatures altes, la goma s'ablanda i es dilata, possiblement extrudiant i trencant l'estanquiatge. A temperatures baixes, la contractilitat i l'endureixament també poden causar filtracions.

6. Selecció inadequada de duresa

Si la junta de goma és massa dolça o massa dura, pot fallar a l'hora d'estanquiar correctament.

7. Instal·lació bruta

Una instal·lació descuidada pot enderrocar la junta. Per exemple, arestes afilades o barbes poden raigar l'anell O, creant defectes invisibles que porten a l'fall de la junta i la pèrdua d'oli.A més, la rajola del vidre també pot causar la pèrdua d'oli.

Les causes inclouen:
A) Estrès irregular durant la instal·lació, exacerbat per canvis sencers de temperatura o pressió;
B) Shock tèrmic que provoca la rajola del vidre mateix. Les rajoles formen rutes de filtració, resultant en la pèrdua d'oli.

Conclusió

En l'equipament elèctric SF6, el gas SF6 serveix com a mitjà d'aïllament i extinció d'arc primari. La seva resistència dielèctrica i capacitat d'interrupció d'arc depenen directament de la densitat del gas—una densitat més alta generalment significa un millor rendiment. No obstant això, a causa de problemes de fabricació, operació o manteniment, la filtració de gas és inevitable. Una disminució de la densitat porta a dos riscos principals: una disminució de la resistència dielèctrica i una disminució de la capacitat d'interrupció del disjuntor. Per tant, el monitoratge de la densitat del gas SF6 és crucial per a una operació segura i fiable. Això normalment es aconsegueix utilitzant relés de densitat SF6, que proporcionen avís en dos etapes—senyals d'alarma i bloqueig—quan la densitat disminueix, permetent una intervenció oportuna.

Per tant, els relés de densitat SF6 in situ han de ser fiables. Basant-nos en l'anàlisi anterior, arribem a la conclusió:

• Els relés de densitat que mostren pèrdua d'oli han de ser monitorats i reemplaçats de manera pronta.

• Els relés de nou instal·lació haurien de ser preferiblement tipus sense oli amb millor resistència a les vibracions o dissenys millorats d'estanquiatge de gas.