1. Elektrické zařízení s SF6 a běžný problém s únikem oleje v reléch hustoty SF6
Elektrická zařízení s SF6 jsou nyní široce používána v elektrárnách a průmyslových podnicích, což znamenale přispělo k rozvoji energetického sektoru. Protiúderný a izolační prostředek v těchto zařízeních je síra hexafluorid (SF6), který nesmí unikat. Jakýkoliv únik kompromituje spolehlivou a bezpečnou operaci zařízení, což dělá nezbytným sledování hustoty plynu SF6. V současné době se pro tento účel často používají mechanická ukazatelová relé hustoty. Tyto relé mohou aktivovat alarm a blokovací signály v případě úniku plynu a také poskytují místní indikaci hustoty. Aby byla zvýšena odolnost proti vibracím, jsou tyto relé obvykle naplněny silikonovým olejem.
Nicméně, v praxi je únik oleje z relé hustoty SF6 běžným problémem. Tento problém je rozšířený—každé elektrárna v zemi se s ním setkala. Některá relé začínají unikat olej už méně než rok po uvedení do provozu. Stručně řečeno, únik oleje v olejových reléch hustoty je běžný a trvalý problém.
2. Rizika spojená s únikem oleje v reléch hustoty
Jak je známo, relé hustoty SF6 obecně používají pružinový elektrický kontakt, posílený magnetickým asistenčním mechanismem, aby bylo zajištěno spolehlivé uzavření kontaktu. Nicméně, síla kontaktu (pro alarm nebo blokování) závisí především na slabé síle pružiny. I s magnetickou asistencí zůstává síla velmi malá, což dělá kontakty velmi citlivými na vibrace. Aby byla zvýšena odolnost proti vibracím, je do relé obvykle napuštěn silikonový olej. Pokud dojde k úniku oleje, to představuje potenciální bezpečnostní rizika pro elektrické zařízení s SF6.
Riziko 1: Jakmile úplně unikne protivibrace olej, ztrácí se tlumičový efekt, což dramaticky snižuje odolnost relé proti vibracím. Po silných mechanických otřesech během operací přepínání spínacího přerušovače se ukazatel může zaseknout, kontakty mohou trvale selhat (buď neaktivovat nebo zůstat aktivované) nebo mohou výsledky měření překročit přijatelné limity.
Riziko 2: Protože kontakty relé jsou magneticky asistované s inerčně nízkou sílou kontaktu, dlouhodobé expozice mohou vést k oxidaci povrchů kontaktů. U relé, které kompletně ztratily olej, jsou magneticky asistované kontakty přímo vystaveny vzduchu, což je činí náchylnými k oxidaci nebo akumulaci prachu, což vede k chudému kontaktu nebo úplnému selhání.
Podle zpráv: Během tříletého období, kdy jedna elektrárna intensifikovala testování relé hustoty SF6, bylo inspekrováno 196 jednotek a 6 (asi 3%) bylo nalezeno s nedůvěryhodným průvodem kontaktu. Všechna tato vadná relé kompletně ztratila svůj tlumičový olej. Pokud relé hustoty trpí zaseknutým ukazatelem, selháním kontaktů nebo nedůvěryhodným průvodem, to může závažně ohrozit bezpečnost sítě. Zvažte scénář, kdy SF6 spínací přerušovač uniká plyn a ztrácí svůj izolační prostředek, ale relé hustoty kvůli zaseknutému ukazateli nebo vadnému kontaktu neaktivuje alarm. Pokud se pak pokusí přerušit proud poruchy, následky mohou být katastrofické.
Kromě toho může uniklý olej kontaminovat další komponenty spínacího přerušovače, přitahovat prach a dále ohrozit bezpečnou operaci. Některé jednotky zabalení utékající relé do plastových pytlů, aby zabránily šíření oleje a akumulaci prachu. Kromě toho jsou moderní transformátory navrženy jako bezolejové; proto se považuje únik oleje za vadu, kterou je třeba napravit.
3. Analýza hlavních příčin úniku oleje
Hlavní místa úniku v relé hustoty jsou těsnicí okraj mezi terminálním blokem a tělem, skleněným okénkem a tělem a trhliny ve skle samotném. Rozmontováním mnoha unikajících relé jsme zjistili, že hlavní příčinou úniku oleje je selhání těsnění mezi terminálním blokem a tělem a mezi sklem a tělem. Následující jsou předběžně identifikované příčiny selhání těsnění.
3.1 Stárnutí gumového těsnění
V současné době většina relé hustoty používá nitrilovou gumu (NBR) pro olejové těsnicí kroužky. NBR je kopolymery butadienu (CH₂=CH–CH=CH₂) a acrylonitrilu (CH₂=CH–CN), vyráběné emulzní polymerací. Je to nenasycená uhlovodíková guma. Obsah acrylonitrilu významně ovlivňuje vlastnosti NBR: vyšší obsah zlepšuje odolnost proti oleji, rozpouštědlovi a chemikáliím, zvyšuje pevnost, tvrdost, odolnost proti opotřebení a tepelnou odolnost, ale snižuje flexibilitu při nízkých teplotách, pružnost a průchodnost vzduchu.
Guma se degraduje během zpracování, skladování a používání kvůli různým faktorům, což se projevuje změnou barvy, lepkavostí, tuhostí a trhlinami—tyto jevy jsou známé jako stárnutí gumpy.
Faktory přispívající ke stárnutí těsnění NBR zahrnují interní a externí příčiny.
3.2 Interní příčiny
Molekulární struktura NBR:
NBR obsahuje nenasycené dvojné vazby v polymerové řetězci. Při teple a mechanickém namáhání reaguje kyslík na těchto dvojných vazbách, tvoří peroxidy, které se rozkládají na oxidační produkty, což způsobuje řetězcové štěpení a křížové propojení. To zvyšuje hustotu křížových propojení, což dělá gumu tužší a křehčí. Vyšší obsah dvojných vazeb urychlí stárnutí. Navíc elektron-dávající substituenty (např. –CH₃) v molekulární struktuře jsou snadno oxidovány.
Účinek kompozitních látek pro gumu:
Volba vulkanizačního systému je klíčová. Vyšší obsah síry zvyšuje koncentraci polysulfidových křížových propojení, ale urychlí stárnutí.
3.3 Externí příčiny
Kyslík a ozón:
Kyslík je hlavním faktorem stárnutí, podporuje řetězcové štěpení a rekombinaci. Ozón je ještě reaktivnější; tvoří ozonidy na dvojných vazbách, které se rozkládají a lámou polymerové řetězce. Těsnění je přímo vystaveno vzduchu a stopové množství kyslíku a ozónu se rozpouští v oleji, což urychlí stárnutí gumpy.
Teplota:
Teplota urychlí oxidaci—typicky 10°C nárůst zdvojnásobí rychlost oxidace. Teplota také urychlí reakce mezi gumou a přísadami nebo způsobí, že volatilní složky odpaří, což degraduje výkon a zkracuje životnost.
Mechanická únava:
Při konstantním namáhání (komprese, točení) guma podléhá mechanické oxidaci, urychlené teplotou. S časem klesá pružnost—což je mechanické stárnutí únavou.
Stárnutí gumového těsnění vede ke selhání těsnění, ztrátě těsnicí schopnosti a nakonec k úniku oleje.
3.4 Nedostatečná počáteční komprese těsnění
Gumová těsnění se spoléhají na deformaci komprese při instalaci, aby se těsně přiléhaly k těsnicím povrchům a blokovaly cesty úniku. Nedostatečná počáteční komprese může vést k úniku. To může nastat kvůli:
Konstrukční problémy: příliš malý průřez těsnění nebo příliš velká drážka;
Instalační problémy: nesprávné zatěžování víka (většina relé se spoléhá na manuální cit, což ztěžuje přesnou kontrolu).
Kromě toho má guma koeficient chladného stahu více než desetkrát vyšší než kov. Při nízkých teplotách těsnění křupne a tuhne, což dále snižuje kompresi.
3. Příliš vysoká míra komprese
Ačkoli komprese je nezbytná pro těsnění, příliš vysoká komprese je škodlivá. Může způsobit trvalou deformaci při instalaci nebo vygenerovat vysoký von Misesův stres, což vede k materiálovému selhání a zkrácení životnosti. Opět, manuální zatěžování často vede k příliš vysoké kompresi.
4. Povrchové defekty na těsnicích povrchů
Škrábance, ostří, nízká hrubost povrchu nebo nevhodné obráběcí textury na těsnicích povrchů mohou vytvořit cesty úniku.
5. Účinky teploty
Při vysokých teplotách guma měkne a rozšiřuje se, což může vést k extruzi a porušení těsnění. Při nízkých teplotách křupnutí a tuhost mohou také způsobit únik.
6. Nesprávný výběr tvrdosti
Pokud je gumové těsnění příliš měkké nebo příliš tuhé, může selhat v těsnění.
7. Hrubá instalace
Nedbalá instalace může poškodit těsnění. Například ostré hrany nebo ostří mohou poškrábat O-kroužek, což vytvoří neviditelné defekty vedoucí k selhání těsnění a úniku oleje.Kromě toho může i trhnutí skla způsobit únik oleje.
Příčiny zahrnují:
A) Nerovnoměrné namáhání při instalaci, zhoršené náhlými změnami teploty nebo tlaku;
B) Termický šok, který způsobí, že samo sklo trhne. Trhliny vytvářejí cesty úniku, což vede k ztrátě oleje.
Závěr
V elektrických zařízeních s SF6 slouží SF6 plyn jako hlavní izolační a protiúderný prostředek. Jeho dielektrická síla a schopnost přerušovat oblouk závisí přímo na hustotě plynu—vyšší hustota obecně znamená lepší výkon. Nicméně, kvůli výrobním, operačním nebo údržbám problémům je únik plynu nevyhnutelný. Snížení hustoty vede k dvěma hlavním rizikům: snížení dielektrické síly a snížení kapacity přerušování spínacího přerušovače. Proto je sledování hustoty plynu SF6 klíčové pro bezpečnou a spolehlivou operaci. To se obvykle dosahuje pomocí relé hustoty SF6, která poskytují dvoustupňové varování—alarm a blokovací signál—pokud hustota klesne, což umožňuje včasnou intervenci.
Proto musí relé hustoty SF6 na místě být spolehlivá. Na základě výše uvedené analýzy dospěli k následujícím závěrům:
Relé hustoty, která trpí únikem oleje, musí být okamžitě monitorována a nahrazena.
Nově instalovaná relé by měla být preferovaně typu bez oleje s vylepšenou odolností proti vibracím nebo s vylepšeným plyntěsným designem.
