Wie beeinflusst Ölverlust die Leistung des SF6-Relais?

1. SF6-Elektrische Ausrüstung und das häufige Problem der Ölaustritts bei SF6-Dichterelais

SF6-Elektrische Ausrüstungen werden inzwischen weit verbreitet in Energieversorgungsunternehmen und industriellen Betrieben eingesetzt und tragen erheblich zur Entwicklung der Energieindustrie bei. Das Bogenlösch- und Isoliermedium in solchen Geräten ist Schwefelhexafluorid (SF6)-Gas, das nicht auslaufen darf. Jeder Auslauf beeinträchtigt den zuverlässigen und sicheren Betrieb der Ausrüstung, wodurch die Überwachung der SF6-Gasdichte unerlässlich ist. Derzeit werden für diesen Zweck häufig mechanische Zeigerdichterelais verwendet. Diese Relais können Alarmsignale und Sperrsignale auslösen, wenn Gasausläufe auftreten, und bieten auch eine Ortstarifizierung. Um die Vibrationssicherheit zu erhöhen, werden diese Relais in der Regel mit Silikonöl gefüllt.

In der Praxis jedoch ist der Ölaustritt aus SF6-Gas-Dichterelais ein häufiges Problem. Dieses Problem ist weit verbreitet – jedes Energieversorgungsamt im Land hat es erlebt. Einige Relais entwickeln Ölaustritte innerhalb weniger als eines Jahres nach Inbetriebnahme. Kurz gesagt, der Ölaustritt in ölgefüllten Dichterelais ist ein weit verbreitetes und anhaltendes Problem.

2. Gefahren des Ölaustritts in Dichterelais

Wie allgemein bekannt, verwenden SF6-Dichterelais in der Regel einen Federkontakt, der durch ein magnetisches Hilfsmechanismus verbessert wird, um eine zuverlässige Kontaktschließung sicherzustellen. Allerdings beruht die Kontaktkraft (für Alarm oder Sperre) hauptsächlich auf der schwachen Kraft der Feder. Auch mit magnetischer Unterstützung bleibt die Kraft sehr gering, was die Kontakte sehr empfindlich gegenüber Vibrationen macht. Um die Vibrationssicherheit zu verbessern, wird in der Regel Silikonöl in das Relais gefüllt. Wenn Ölaustritte auftreten, stellen sie potenzielle Sicherheitsrisiken für die SF6-Elektrische Ausrüstung dar.

Gefahr 1: Sobald das anti-vibrationäre Öl vollständig ausläuft, geht die Dämpfungswirkung verloren, was die Vibrationssicherheit des Relais drastisch reduziert. Nach starken mechanischen Stößen während Schaltvorgängen kann der Zeiger stecken bleiben, Kontakte dauerhaft versagen (entweder nicht ansprechen oder dauerhaft aktiviert bleiben) oder Messabweichungen über zulässige Grenzen hinausgehen.

Gefahr 2: Da die Relaiskontakte magnetisch unterstützt sind und von Natur aus eine geringe Kontaktkraft haben, kann eine langfristige Belastung zur Oxidation der Kontaktoberflächen führen. Für Relais, die ihr gesamtes Öl verloren haben, sind die magnetisch unterstützten Kontakte direkt der Luft ausgesetzt, was sie anfällig für Oxidation oder Staubsammelung macht, was zu schlechten Kontakten oder einem vollständigen Versagen führt.

Nach Berichten: In einem Zeitraum von drei Jahren, in dem ein Versorgungsunternehmen seine Prüfungen von SF6-Dichterelais intensivierte, wurden 196 Einheiten geprüft, und 6 (ca. 3%) wurden als unzuverlässig in Bezug auf die Kontaktleitung festgestellt. Alle diese defekten Relais hatten ihr Dämpfungsöl vollständig verloren. Wenn ein Dichterelais von einem stecken gebliebenen Zeiger, fehlerhaften Kontakten oder unzuverlässiger Leitung betroffen ist, kann dies die Netzsicherheit schwer beeinträchtigen. Stellen Sie sich vor, ein SF6-Schaltgerät leckt Gas und verliert sein Isoliermedium, aber das Dichterelais löst keinen Alarm aus, weil der Zeiger stecken geblieben ist oder der Kontakt fehlerhaft ist. Wenn der Schalter dann versucht, einen Fehlerstrom zu unterbrechen, könnten die Folgen katastrophal sein.

Darüber hinaus kann ausgelaufenes Öl andere Komponenten des Schaltgeräts kontaminieren, Staub anziehen und den sicheren Betrieb weiter gefährden. Einige Einheiten wickeln das auslaufende Relais in Plastiktüten, um zu verhindern, dass Öl ausgebreitet und Staub angesammelt wird. Darüber hinaus sind moderne Umspannwerke so konzipiert, dass sie ohne Öl betrieben werden; daher gilt ein Ölaustritt als Mangel, der beseitigt werden muss.

3. Wurzelursachenanalyse des Ölaustritts

Die Hauptlecks in Dichterelais liegen an den Abdichtungen zwischen dem Terminalblock und dem Gehäuse, zwischen dem Glasfenster und dem Gehäuse sowie an Rissen im Glas selbst. Durch die Zerlegung vieler auslaufender Relais wurde festgestellt, dass die Hauptursache für den Ölaustritt das Abdichtungsversagen an den Schnittstellen zwischen Terminalblock und Gehäuse sowie Glas und Gehäuse ist. Die folgenden Punkte sind die vorläufig identifizierten Gründe für das Abdichtungsversagen.

3.1 Alterung von Gummiabdichtungen

Derzeit verwenden die meisten Dichterelais Nitrilbutadien-Kautschuk (NBR) für die Ölabdichtungs-Ringdichtungen. NBR ist ein Copolymer aus Butadien (CH₂=CH–CH=CH₂) und Acrylnitril (CH₂=CH–CN), das durch Emulsionspolymerisation hergestellt wird. Es handelt sich um einen ungesättigten Kohlenstoffketten-Kautschuk. Der Acrylnitrilgehalt beeinflusst erheblich die Eigenschaften von NBR: ein höherer Gehalt verbessert die Öl-, Lösungs- und Chemikalienbeständigkeit, erhöht die Festigkeit, Härte, Abriebfestigkeit und Wärmebeständigkeit, mindert jedoch die Kälteflexibilität, Elastizität und Luftdurchlässigkeit.

Kautschuk altert während der Verarbeitung, Lagerung und Nutzung aufgrund verschiedener Faktoren, wobei es zu Farbveränderungen, Klebrigkeit, Verhärtung und Rissbildung kommt – Phänomene, die kollektiv als Kautschukalterung bezeichnet werden.

Faktoren, die zur Alterung von NBR-Abdichtungen beitragen, umfassen interne und externe Ursachen.

3.2 Interne Ursachen

• Molekularstruktur von NBR:
  NBR enthält ungesättigte Doppelbindungen in seiner Polymerkette. Bei Hitze und mechanischem Stress reagiert Sauerstoff an diesen Doppelbindungen, bildet Peroxide, die in oxidativen Produkten zerfallen, was zu Kettenrissen und -vernetzungen führt. Dies erhöht die Vernetzungsdichte, was den Kautschuk härter und spröder macht. Ein höherer Doppelbindungsinhalt beschleunigt das Altern. Darüber hinaus sind elektronenspendende Substituenten (z.B., –CH₃) in der molekularen Struktur leicht oxidiert.

• Wirkung von Kautschuk-Zusatzstoffen:
  Die Wahl des Vulkanisationsystems ist entscheidend. Ein höherer Schwefelgehalt erhöht die Polysulfid-Vernetzungskonzentration, beschleunigt aber das Altern.

3.3 Externe Ursachen

• Sauerstoff und Ozon:
  Sauerstoff ist ein primärer Alterungsfaktor, der Kettenrissen und Re-Verknüpfungen fördert. Ozon ist noch reaktiver; es bildet Ozonide an Doppelbindungen, die zerfallen und Polymerketten brechen. Die Abdichtung ist direkt der Luft ausgesetzt, und Spuren von Sauerstoff und Ozon lösen sich im Öl, was das Kautschukaltern beschleunigt.

• Hitze:
  Hitze beschleunigt die Oxidation – in der Regel verdoppelt sich die Oxidationsrate bei einer Temperaturerhöhung von 10°C. Sie beschleunigt auch Reaktionen zwischen Kautschuk und Zusatzstoffen oder führt dazu, dass flüchtige Bestandteile verdampfen, was die Leistung verschlechtert und die Lebensdauer verkürzt.

• Mechanische Ermüdung:
  Unter ständigem Druck (Kompression, Torsion) unterliegt der Kautschuk mechanischer Oxidation, die durch Hitze beschleunigt wird. Im Laufe der Zeit nimmt die Elastizität ab – dies ist mechanische Ermüdungsalterung.

Die Alterung der Gummabdichtung führt zum Abdichtungsversagen, Verlust der Abdichtungsfähigkeit und schließlich zu Ölaustritten.

3.4 Unzureichende initiale Kompression der Abdichtung

Gummabdichtungen verlassen sich bei der Installation auf Kompressionsdeformation, um sich eng an die Abdichtungsflächen anzupassen und Leckwege zu blockieren. Eine unzureichende initiale Kompression kann zu Lecks führen. Dies kann aufgrund von:

• Konstruktionsproblemen: zu kleinem Querschnitt der Abdichtung oder zu großem Nut;

• Installationsproblemen: unrichtiger Anbringung des Deckels (die meisten Relais verlassen sich auf das manuelle Gefühl, was eine präzise Steuerung erschwert).
  Darüber hinaus hat Gummi eine Kälteschrumpfkoeffizient, der mehr als zehnmal so hoch ist wie der von Metall. Bei niedrigen Temperaturen schrumpft die Abdichtung und verhärtet sich, was die Kompression weiter reduziert.

3. Zu hohe Kompressionsrate

Obwohl Kompression notwendig ist, um die Abdichtung zu gewährleisten, ist eine zu hohe Kompression schädlich. Sie kann während der Installation zu permanenter Deformation führen oder zu hohen von Mises-Spannungen, was zu Materialversagen und verkürzter Lebensdauer führt. Wiederum führt die manuelle Anbringung oft zu übermäßiger Kompression.

4. Oberflächenfehler an Abdichtungsflächen

Kratzer, Grate, niedrige Oberflächenrauheit oder unangemessene Bearbeitungstexturen auf Abdichtungsflächen können Leckwege schaffen.

5. Temperaturwirkungen

Bei hohen Temperaturen weicht der Kautschuk und dehnt sich aus, was zu Extrusion und Abdichtungsbruch führen kann. Bei niedrigen Temperaturen kann Schrumpfung und Verhärtung ebenfalls zu Lecks führen.

6. Falsche Härteauswahl

Wenn die Gummabdichtung zu weich oder zu hart ist, kann sie möglicherweise nicht ordnungsgemäß abdichten.

7. Grobe Montage

Eine fahrlässige Montage kann die Abdichtung beschädigen. Zum Beispiel können scharfe Kanten oder Grate den O-Ring kratzen und unsichtbare Defekte schaffen, die zu Abdichtungsversagen und Ölaustritt führen. Darüber hinaus kann auch das Brüchen des Glases zu Ölaustritt führen.

Ursachen hierfür sind:
A) Ungleichmäßiger Druck während der Montage, verstärkt durch plötzliche Temperatur- oder Druckänderungen;
B) Thermischer Schock, der das Glas selbst zum Brüchen bringt. Risse bilden Leckwege, was zu Ölvolumenverlusten führt.

Schlussfolgerung

In SF6-Elektrischen Ausrüstungen dient SF6-Gas als das primäre Isolier- und Bogenlöschmedium. Seine di-elektrische Stärke und Bogenunterbrechungsfähigkeit hängen direkt von der Gasdichte ab – höhere Dichte bedeutet in der Regel bessere Leistung. Aufgrund von Fertigungs-, Betriebs- oder Wartungsproblemen ist jedoch ein Gasaustritt unvermeidlich. Ein Dichteverlust führt zu zwei Hauptrisiken: reduzierter di-elektrischer Stärke und verringerten Unterbrechungsfähigkeiten des Schalters. Daher ist die Überwachung der SF6-Gasdichte für den sicheren und zuverlässigen Betrieb entscheidend. Dies wird in der Regel durch SF6-Dichterelais erreicht, die zweistufige Warnungen – Alarm- und Sperrsignale – bei Dichteverlusten geben, um rechtzeitige Maßnahmen zu ermöglichen.

Daher müssen SF6-Dichterelais vor Ort zuverlässig sein. Basierend auf der obigen Analyse kommen wir zu dem Schluss:

• Dichterelais, die Ölaustritte zeigen, müssen sofort überwacht und ersetzt werden.

• Neu installierte Relais sollten vorteilhafterweise ölfreie Typen mit überlegener Vibrationssicherheit oder verbesserten gasdichten Konstruktionen sein.