¿Cómo Afecta la Pérdida de Aceite al Rendimiento del Relé SF6?

1. Equipos Eléctricos de SF6 y el Problema Común de Fugas de Aceite en Relés de Densidad de SF6

Los equipos eléctricos de SF6 se utilizan ampliamente en empresas de servicios públicos y empresas industriales, avanzando significativamente en el desarrollo de la industria eléctrica. El medio de extinción de arcos e aislamiento en este tipo de equipos es el gas hexafluoruro de azufre (SF6), que no debe filtrarse. Cualquier fuga compromete la operación confiable y segura del equipo, por lo que es esencial monitorear la densidad del gas SF6. Actualmente, se utilizan comúnmente relés de densidad de tipo puntero mecánico para este propósito. Estos relés pueden activar señales de alarma y bloqueo cuando ocurre una fuga de gas y también proporcionan indicación de densidad en el sitio. Para mejorar la resistencia a las vibraciones, estos relés suelen estar llenos de aceite de silicona.

Sin embargo, en la práctica, la fuga de aceite de los relés de densidad de gas SF6 es un problema común. Este problema es generalizado—cada oficina de suministro de energía en el país ha enfrentado este problema. Algunos relés desarrollan fugas de aceite en menos de un año de operación. En resumen, la fuga de aceite en los relés de densidad llenos de aceite es un problema prevalente y persistente.

2. Peligros de las Fugas de Aceite en los Relés de Densidad

Como es bien sabido, los relés de densidad de SF6 generalmente utilizan un contacto eléctrico de resorte, mejorado con un mecanismo de asistencia magnética para garantizar un cierre de contacto confiable. Sin embargo, la fuerza de contacto (para alarma o bloqueo) depende principalmente de la débil fuerza del resorte. Aunque con la asistencia magnética, la fuerza sigue siendo muy pequeña, lo que hace que los contactos sean altamente sensibles a las vibraciones. Para mejorar la resistencia a las vibraciones, generalmente se llena el relé con aceite de silicona. Si ocurre una fuga de aceite, esto puede representar riesgos potenciales de seguridad para el equipo eléctrico de SF6.

Peligro 1: Una vez que el aceite antivibratorio se filtra completamente, se pierde el efecto de amortiguación, reduciendo drásticamente la resistencia a las vibraciones del relé. Después de fuertes choques mecánicos durante las operaciones de conmutación de interruptores, el puntero puede quedar atascado, los contactos pueden fallar permanentemente (ya sea no actuando o permaneciendo actuados) o las desviaciones de medición pueden superar los límites aceptables.

Peligro 2: Dado que los contactos del relé están asistidos magnéticamente con una fuerza de contacto inherente baja, la exposición prolongada puede llevar a la oxidación de las superficies de contacto. Para los relés que han perdido todo el aceite, los contactos asistidos magnéticamente quedan expuestos directamente al aire, lo que los hace propensos a la oxidación o acumulación de polvo, resultando en un mal contacto o fallo completo.

Según informes: Durante un período de tres años en el que una empresa intensificó las pruebas de los relés de densidad de SF6, se inspeccionaron 196 unidades, y 6 (alrededor del 3%) se encontraron con conducción de contacto poco confiable. Todos estos relés defectuosos habían perdido completamente su aceite de amortiguación. Si un relé de densidad sufre de un puntero atascado, contactos fallidos o conducción poco confiable, puede comprometer gravemente la seguridad de la red. Consideremos el escenario en el que un interruptor de SF6 filtra gas y pierde su medio aislante, pero el relé de densidad no activa la alarma debido a un puntero atascado o contacto fallido. Si el interruptor intenta interrumpir una corriente de falla, las consecuencias podrían ser catastróficas.

Además, el aceite filtrado puede contaminar otros componentes del interruptor, atrayendo polvo y poniendo aún más en peligro la operación segura. Algunas unidades recurren a envolver el relé que filtra aceite en bolsas de plástico para evitar que el aceite se disperse y cause acumulación de polvo. Además, las subestaciones modernas están diseñadas para ser libres de aceite; por lo tanto, la fuga de aceite se considera un defecto que debe corregirse.

3. Análisis de Causas Raíz de las Fugas de Aceite

Los puntos principales de fuga en los relés de densidad son los sellos entre el bloque terminal y la carcasa, la ventana de vidrio y la carcasa, y las grietas en el propio vidrio. A través del desmontaje de numerosos relés que filtran aceite, hemos determinado que la causa principal de la fuga de aceite es el fallo del sello en las interfaces del bloque terminal-carcasa y vidrio-carcasa. A continuación, se presentan las razones preliminares identificadas para el fallo del sello.

3.1 Envejecimiento del Sello de Goma

Actualmente, la mayoría de los relés de densidad utilizan caucho nitrilo (NBR) para los anillos de sello de aceite. El NBR es un copolímero de butadieno (CH₂=CH–CH=CH₂) y acrilonitrilo (CH₂=CH–CN), producido mediante polimerización por emulsión. Es un caucho de cadena de carbono insaturada. El contenido de acrilonitrilo afecta significativamente las propiedades del NBR: un mayor contenido mejora la resistencia al aceite, solventes y productos químicos, aumenta la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y al calor, pero reduce la flexibilidad a bajas temperaturas, elasticidad y permeabilidad al aire.

El caucho se degrada durante el procesamiento, almacenamiento y uso debido a diversos factores, mostrando decoloración, pegajosidad, endurecimiento y fisuración—fenómenos colectivamente conocidos como envejecimiento del caucho.

Los factores que contribuyen al envejecimiento del sello de NBR incluyen causas internas y externas.

3.2 Causas Internas

• Estructura Molecular del NBR:
  El NBR contiene enlaces dobles insaturados en su cadena polimérica. Bajo calor y estrés mecánico, el oxígeno reacciona en estos enlaces dobles, formando peróxidos que se descomponen en productos oxidativos, causando la escisión de cadenas y entrecruzamiento. Esto aumenta la densidad de entrecruzamiento, haciendo que el caucho sea más duro y frágil. Un mayor contenido de enlaces dobles acelera el envejecimiento. Además, los sustituyentes donadores de electrones (por ejemplo, –CH₃) en la estructura molecular son fácilmente oxidables.

• Efecto de los Agentes de Compuesto de Caucho:
  La elección del sistema de vulcanización es crítica. Un mayor contenido de azufre aumenta la concentración de enlaces de polisulfuro, pero acelera el envejecimiento.

3.3 Causas Externas

• Oxígeno y Ozono:
  El oxígeno es un factor de envejecimiento primario, promoviendo la escisión de cadenas y el reentrecruzamiento. El ozono es aún más reactivo; forma ozonidos en los enlaces dobles, que se descomponen y rompen las cadenas poliméricas. El sello está expuesto directamente al aire, y cantidades trazas de oxígeno y ozono se disuelven en el aceite, acelerando el envejecimiento del caucho.

• Calor:
  El calor acelera la oxidación—generalmente, un aumento de 10°C duplica la tasa de oxidación. También acelera las reacciones entre el caucho y los aditivos o causa la evaporación de componentes volátiles, degradando el rendimiento y acortando la vida útil.

• Fatiga Mecánica:
  Bajo estrés constante (compresión, torsión), el caucho experimenta oxidación mecánica, acelerada por el calor. Con el tiempo, la elasticidad disminuye—esto es envejecimiento por fatiga mecánica.

El envejecimiento del sello de goma lleva al fallo del sello, pérdida de capacidad de sellado y, en última instancia, a la fuga de aceite.

3.4 Compresión Inicial Insuficiente del Sello

Los sellos de goma dependen de la deformación por compresión durante la instalación para ajustarse firmemente contra las superficies de sellado y bloquear las vías de fuga. Una compresión inicial insuficiente puede llevar a fugas. Esto puede ocurrir debido a:

• Problemas de diseño: sección transversal del sello demasiado pequeña o ranura demasiado grande;

• Problemas de instalación: apretado inadecuado de la tapa (la mayoría de los relés dependen de la sensación manual, lo que dificulta el control preciso).
  Además, el caucho tiene un coeficiente de contracción por frío más de diez veces mayor que el del metal. A bajas temperaturas, el sello se contrae y endurece, reduciendo aún más la compresión.

3. Tasa de Compresión Excesiva

Aunque la compresión es necesaria para el sellado, la compresión excesiva es perjudicial. Puede causar deformación permanente durante la instalación o generar un alto estrés de von Mises, lo que lleva a la falla del material y reduce la vida útil. De nuevo, el apretado manual a menudo resulta en compresión excesiva.

4. Defectos Superficiales en las Superficies de Sellado

Rasguños, rebabas, rugosidad superficial baja o texturas de mecanizado inadecuadas en las superficies de sellado pueden crear vías de fuga.

5. Efectos de la Temperatura

A altas temperaturas, el caucho se ablanda y expande, posiblemente extruyéndose y rompiendo el sello. A bajas temperaturas, la contracción y el endurecimiento también pueden causar fugas.

6. Selección Inadecuada de la Dureza

Si el sello de goma es demasiado blando o demasiado duro, puede no sellar correctamente.

7. Instalación Brusca

Una instalación descuidada puede dañar el sello. Por ejemplo, bordes afilados o rebabas pueden rayar el anillo O, creando defectos invisibles que llevan al fallo del sello y a la fuga de aceite.Además, la rotura del vidrio también puede causar la fuga de aceite.

Las causas incluyen:
A) Estrés desigual durante la instalación, exacerbado por cambios bruscos de temperatura o presión;
B) Choque térmico que causa la rotura del vidrio. Las grietas forman vías de fuga, resultando en la pérdida de aceite.

Conclusión

En los equipos eléctricos de SF6, el gas SF6 actúa como el medio aislante y de extinción de arcos principal. Su resistencia dieléctrica y capacidad de interrupción de arcos dependen directamente de la densidad del gas—una mayor densidad generalmente significa un mejor rendimiento. Sin embargo, debido a problemas de fabricación, operación o mantenimiento, la fuga de gas es inevitable. Una disminución en la densidad conduce a dos riesgos principales: reducción de la resistencia dieléctrica y disminución de la capacidad de interrupción del interruptor. Por lo tanto, el monitoreo de la densidad del gas SF6 es crucial para la operación segura y confiable. Esto se logra típicamente mediante el uso de relés de densidad de SF6, que proporcionan dos niveles de advertencia—señales de alarma y bloqueo—cuando la densidad disminuye, permitiendo una intervención oportuna.

Por lo tanto, los relés de densidad de SF6 en el sitio deben ser confiables. Basándonos en el análisis anterior, concluimos:

• Los relés de densidad que presentan fugas de aceite deben ser monitoreados y reemplazados de inmediato.

• Los relés recién instalados deberían preferiblemente ser de tipo sin aceite con mayor resistencia a las vibraciones o diseños mejorados de sellado de gas.