Hvordan påvirker oljetab SF6 relæets ydeevne

1. SF6-electroapparater og den almindelige problemstilling med olieudløb i SF6-tæthedslarm

SF6-electroapparater anvendes nu bredt i elvirksomheder og industrielle virksomheder, hvilket betydeligt fremmer udviklingen af elsektoren. Buekvævende og isolerende medium i disse apparater er svovlhexafluorid (SF6)-gas, som ikke må udløbe. Enhver udstrømning underminerer den pålidelige og sikre drift af apparaterne, hvilket gør det nødvendigt at overvåge tætheden af SF6-gas. I øjeblikket anvendes mekaniske pegepinde-baserede tæthedslarm ofte til dette formål. Disse larm kan udløse alarm- og låsesignaler, når gasudstrømning forekommer, og de giver også lokal tæthedsindikation. For at forbedre modstandsdygtigheden over for vibration fyldes disse larm typisk med silikonolie.

Imidlertid er olieudløb fra SF6-tæthedslarm en almindelig problemstilling i praksis. Dette problem er udbredt – alle elvirksomheder i landet har stødt på det. Nogle larm udvikler olieudløb inden for mindre end et år efter driftsstart. Kort sagt er olieudløb i oliefyldte tæthedslarm en udbredt og vedvarende problemstilling.

2. Farer forbundet med olieudløb i tæthedslarm

Som bekendt bruger SF6-tæthedslarm generelt en fjederbaseret elektrisk kontakt, forbedret med en magnetisk hjælpemekanisme for at sikre en pålidelig kontaktlukning. Imidlertid afhænger kontaktkraften (for alarm eller låse) primært af den svage kraft fra fjederen. Selv med magnetisk hjælp forbliver kraften meget lille, hvilket gør kontakterne meget følsomme over for vibration. For at forbedre modstandsdygtigheden over for vibration fyldes silikonolie typisk ind i larmen. Hvis olieudløb forekommer, indebærer det potentielle sikkerhedsrisici for SF6-electroapparaterne.

Farer 1: Når anti-vibrationsolien helt udløber, går demperens effekt tabt, hvilket drastisk reducerer larmens modstandsdygtighed over for vibration. Efter stærke mekaniske skok under bryderhandlinger kan pegepinden blive fast, kontakter kan permanent mislykkes (enten uden aktivering eller ved at forblive aktiverede), eller målingsafvigelser kan overskride acceptable grænser.

Farer 2: Da larmkontakterne er magnetisk hjulpet med en inbygget lav kontaktkraft, kan langvarig eksponering føre til oksidation af kontaktfladerne. For larm, der har mistet al deres olie, er magnetisk hjulpete kontakter direkte udsat for luften, hvilket gør dem anfaldsvorne over for oksidation eller støvakkumulation, hvilket resulterer i dårlig kontakt eller fuldstændig fejl.

Ifølge rapporter: Over en treårig periode, hvor en virksomhed intensiverede sin test af SF6-tæthedslarm, blev 196 enheder undersøgt, og 6 (omkring 3%) blev fundet at have upålidelig kontaktledning. Alle disse defekte larm havde helt mistet deres demperolie. Hvis en tæthedslarm lider af en fast pegepind, mislykkede kontakter eller upålidelig ledning, kan det alvorligt underminere nettets sikkerhed. Betragt scenariet, hvor en SF6-bryder udløber gas og mister sit isolerende medium, men tæthedslarmen udløser ikke alarm pga. en fast pegepind eller defekt kontakt. Hvis bryderen derefter forsøger at afbryde en fejlstrøm, kan konsekvenserne være katastrofale.

Yderligere kan udløbet olie forurene andre komponenter i spændingsafskærmningsanlægget, trække støv og yderligere sætte sikker drift på spil. Nogle enheder vender tilbage til at pakke den udløbende larm i plastposer for at forhindre, at olie spreder sig og skaber støvakkumulation. Desuden er moderne undervirksomheder designet til at være oliefrie; derfor anses olieudløb for en fejl, der skal rettes.

3. Årsagsanalyse af olieudløb

De primære udløbspunkter i tæthedslarm er tætninger mellem terminalblokken og kassen, glasvinduet og kassen, samt sprækker i selve glasvinduet. Gennem demontering af mange udløbende larm har vi konkluderet, at hovedårsagen til olieudløb er tætningsfejl mellem terminalblokken og kassen samt glasvinduet og kassen. Følgende er de foreløbig identificerede årsager til tætningsfejl.

3.1 Aldring af gummitætninger

I øjeblikket anvender de fleste tæthedslarm nitril-butadien-rubber (NBR) til olietæt O-ring. NBR er et copolymer af butadien (CH₂=CH–CH=CH₂) og acrylonitril (CH₂=CH–CN), produceret via emulsionspolymerisation. Det er et usaturated karbonkæde-rubber. Acrylonitril-indholdet påvirker betydeligt NBR-egenskaber: højere indhold forbedrer olie-, løsemiddel- og kemisk resistens, øger styrke, hårdhed, slidstyrke og varmestabilitet, men reducerer kuldeflexibilitet, elasticitet og luftgennemladelighed.

Gummi degraderer under behandling, lagring og brug på grund af forskellige faktorer, hvilket resulterer i farveændringer, klæbende, hardning og sprækning – fænomener, der kollektivt kaldes gummialdring.

Faktorer, der bidrager til NBR-tætningsaldring, inkluderer interne og eksterne årsager.

3.2 Interne årsager

• Molekylstruktur af NBR:
  NBR indeholder unsaturated dobblet bindinger i dens polymerkæde. Under varme og mekanisk stress reagerer ilt ved disse dobbeltbindinger, danner peroksid, der nedbrydes til oxidationsprodukter, hvilket fører til kedjesprang og krydssammenkobling. Dette øger krydssammenkoblingstætheden, hvilket gør gummiet hårdest og mere brost. Højere dobbeltbindingsindhold accelererer aldring. Yderligere er elektron-donorerende substituenter (f.eks., –CH₃) i molekylstrukturen let oksideret.

• Effekt af gummiforbindelsesmidler:
  Valg af vulkaniseringsystem er kritisk. Højere svovlindhold øger polysulfid-krydssammenkoblingstætheden, men accelererer aldring.

3.3 Eksterne årsager

• Ilt og ozon:
  Ilt er en primær aldringsfaktor, der fremmer kedjesprang og genkrydssammenkobling. Ozon er endnu mere reaktiv; det danner ozonider ved dobbeltbindinger, som nedbrydes og bryder polymerkæder. Tætningen er direkte udsat for luft, og spor af ilt og ozon løser sig i olien, hvilket accelererer gummialdring.

• Varme:
  Varme accelererer oksidation – typisk fordobles oksidationshastigheden ved en temperaturstigning på 10°C. Det accelererer også reaktioner mellem gummiet og tilsætningsstoffer eller får flygtige komponenter til at evaporere, hvilket forringere ydeevne og forkorter levetid.

• Mekanisk træthed:
  Under konstant stress (kompression, torsion) udsættes gummiet for mekanisk oksidation, som accelereres af varme. Over tid falder elasticiteten – dette er mekanisk træthedaldring.

Aldring af gummisealingen fører til tætningsfejl, tab af tætningskapacitet og til sidst olieudløb.

3.4 Utilstrækkelig initial kompression af tætningen

Gummisealinger er afhængige af kompressionsdeformation under installation for at stramme op mod tætningsflader og blokere udløbspunkter. Utilstrækkelig initial kompression kan føre til udløb. Dette kan forekomme på grund af:

• Designproblemer: for lille sektion på sealing eller for stor grove;

• Installationsproblemer: ukorrekt stramning af låget (de fleste larm afhænger af manuelt fornemmelse, hvilket gør præcis kontrol svær).
  Yderligere har gummier en kold-skrinkningskoefficient, der er over ti gange så stor som metal. Ved lave temperaturer skrinker og hårdner sealingen, hvilket yderligere reducerer kompressionen.

3. For høj komprimeringsrate

Selvom kompression er nødvendig for tætning, er for høj kompression skadelig. Det kan forårsage permanent deformation under installation eller generere høj von Mises-stress, hvilket fører til materialefejl og kortere levetid. Igen resulterer manuel stramning ofte i overkompression.

4. Overfladedefekter på tætningsflader

Skramler, riller, lav overfladestruktur eller ukorrekt maskinbearbejdningstekstur på tætningsflader kan skabe udløbspunkter.

5. Temperaturvirkninger

Ved høje temperaturer bliver gummiet blødt og uddyret, hvilket potentielt kan føre til uddrivning og tætningsbrud. Ved lave temperaturer kan skrinkning og hårdning også forårsage udløb.

6. Ukorrekt hårdhedsvalg

Hvis gummisealingen er for blød eller for hård, kan den mislykkes med at tætte korrekt.

7. Grov installation

Uagtfuld installation kan skade sealingen. For eksempel kan skarpe kanter eller riller skrabe O-ring, hvilket skaber usynlige defekter, der fører til tætningsfejl og olieudløb.Yderligere kan glasbrud også forårsage olieudløb.

Årsager inkluderer:
A) Ujævn stress under installation, forværret af pludselige ændringer i temperatur eller tryk;
B) Termisk chok, der forårsager, at selve glasdet knækker. Sprækker dannes som udløbspunkter, hvilket resulterer i olieudløb.

Konklusion

I SF6-electroapparater fungerer SF6-gas som det primære isolerende og buekvævende medium. Dets dielektriske styrke og bueafbrydende kapacitet afhænger direkte af gastypethed – højere typethed betyder generelt bedre ydeevne. Imidlertid er gasudløb uundgåeligt på grund af produktion, drift eller vedligeholdelsesproblemer. En reduktion i typehed fører til to hovedrisici: reduceret dielektrisk styrke og nedsat bryderafbrydende kapacitet. Derfor er overvågning af SF6-gastypehed afgørende for sikker og pålidelig drift. Dette opnås typisk ved hjælp af SF6-tæthedslarm, som giver to-trins-advarsler – alarm- og låsesignaler – når typehed falder, hvilket muliggør tilbøjelig intervention.

Derfor skal SF6-tæthedslarm på stedet være pålidelige. På baggrund af ovenstående analyse konkluderer vi:

• Tæthedslarm, der viser tegn på olieudløb, skal hurtigt overvåges og erstattes.

• Nyinstallerede larm bør helst være oliefrie typer med forbedret modstandsdygtighed over for vibration eller forbedrede gas-sealed designs.