Comment la perte d'huile affecte-t-elle les performances du relais SF6?

1.Équipements électriques SF6 et le problème courant de fuite d'huile dans les relais de densité SF6

Les équipements électriques SF6 sont aujourd'hui largement utilisés dans les services publics d'électricité et les entreprises industrielles, contribuant significativement au développement de l'industrie électrique. Le moyen d'extinction d'arc et d'isolation dans ces équipements est le gaz sulfur hexafluoride (SF6), qui ne doit pas fuir. Toute fuite compromet le fonctionnement fiable et sûr de l'équipement, rendant essentiel le contrôle de la densité du gaz SF6. Actuellement, des relais de densité à aiguille mécanique sont couramment utilisés à cette fin. Ces relais peuvent déclencher des signaux d'alarme et de verrouillage en cas de fuite de gaz et fournissent également une indication de densité sur place. Pour améliorer la résistance aux vibrations, ces relais sont généralement remplis d'huile de silicone.

Cependant, en pratique, la fuite d'huile des relais de densité SF6 est un problème courant. Ce problème est répandu—tous les bureaux d'alimentation du pays y ont été confrontés. Certains relais développent des fuites d'huile en moins d'un an de fonctionnement. En résumé, la fuite d'huile dans les relais de densité remplis d'huile est un problème prévalent et persistant.

2. Dangers de la fuite d'huile dans les relais de densité

Comme on le sait, les relais de densité SF6 utilisent généralement un contact électrique à ressort, renforcé par un mécanisme d'assistance magnétique pour assurer une fermeture de contact fiable. Cependant, la force de contact (pour l'alarme ou le verrouillage) repose principalement sur la faible force du ressort. Même avec l'assistance magnétique, la force reste très faible, rendant les contacts extrêmement sensibles aux vibrations. Pour améliorer la résistance aux vibrations, l'huile de silicone est généralement introduite dans le relais. Si une fuite d'huile se produit, elle pose des risques potentiels de sécurité pour les équipements électriques SF6.

Danger 1 : Une fois que l'huile anti-vibration s'est complètement échappée, l'effet d'amortissement est perdu, réduisant considérablement la résistance aux vibrations du relais. Après des chocs mécaniques forts lors des opérations de commutation des disjoncteurs, l'aiguille peut se bloquer, les contacts peuvent tomber en panne de manière permanente (soit ne pas s'activer, soit rester activés), ou les écarts de mesure peuvent dépasser les limites acceptables.

Danger 2 : Étant donné que les contacts du relais sont assistés magnétiquement avec une force de contact intrinsèquement faible, une exposition prolongée peut entraîner l'oxydation des surfaces de contact. Pour les relais qui ont perdu toute leur huile, les contacts assistés magnétiquement sont directement exposés à l'air, ce qui les rend vulnérables à l'oxydation ou à l'accumulation de poussière, entraînant un mauvais contact ou une panne complète.

Selon les rapports : Au cours d'une période de trois ans pendant laquelle une entreprise a intensifié ses tests sur les relais de densité SF6, 196 unités ont été inspectées, et 6 (environ 3 %) ont été trouvées avec une conduction de contact non fiable. Tous ces relais défectueux avaient complètement perdu leur huile d'amortissement. Si un relais de densité souffre d'une aiguille bloquée, de contacts défaillants ou d'une conduction non fiable, cela peut sérieusement compromettre la sécurité du réseau. Considérez le scénario où un disjoncteur SF6 fuit du gaz et perd son milieu isolant, mais le relais de densité ne déclenche pas d'alarme en raison d'une aiguille bloquée ou de contacts défaillants. Si le disjoncteur tente alors d'interrompre un courant de défaut, les conséquences pourraient être catastrophiques.

De plus, l'huile fuyante peut contaminer d'autres composants de l'appareillage, attirant la poussière et mettant davantage en danger le fonctionnement sûr. Certaines unités recourent à l'enveloppement du relais fuyant dans des sacs plastiques pour empêcher l'huile de se répandre et de provoquer l'accumulation de poussière. De plus, les postes modernes sont conçus pour être sans huile ; ainsi, la fuite d'huile est considérée comme un défaut qui doit être corrigé.

3. Analyse des causes racines de la fuite d'huile

Les points de fuite principaux dans les relais de densité sont les joints entre le bloc de bornes et le boîtier, la fenêtre en verre et le boîtier, et les fissures dans le verre lui-même. En démontant de nombreux relais fuyants, nous avons déterminé que la cause principale de la fuite d'huile est l'échec des joints entre le bloc de bornes et le boîtier, et entre le verre et le boîtier. Les raisons préliminaires identifiées pour l'échec des joints sont les suivantes.

3.1 Vieillissement du joint en caoutchouc

Actuellement, la plupart des relais de densité utilisent du nitrile (NBR) pour les joints toriques d'étanchéité à l'huile. Le NBR est un copolymère de butadiène (CH₂=CH–CH=CH₂) et d'acrylonitrile (CH₂=CH–CN), produit par polymérisation en émulsion. C'est un caoutchouc à chaîne carbone insaturée. La teneur en acrylonitrile affecte considérablement les propriétés du NBR : une teneur plus élevée améliore la résistance à l'huile, aux solvants et aux produits chimiques, augmente la résistance, la dureté, la résistance à l'usure et à la chaleur, mais réduit la flexibilité à froid, l'élasticité et la perméabilité à l'air.

Le caoutchouc se dégrade au cours de la fabrication, du stockage et de l'utilisation en raison de divers facteurs, présentant des phénomènes de changement de couleur, de collant, de durcissement et de fissuration—collectivement connus sous le nom de vieillissement du caoutchouc.

Les facteurs contribuant au vieillissement du joint en NBR comprennent des causes internes et externes.

3.2 Causes internes

• Structure moléculaire du NBR:
  Le NBR contient des liaisons doubles insaturées dans sa chaîne polymère. Sous l'effet de la chaleur et du stress mécanique, l'oxygène réagit à ces liaisons doubles, formant des peroxydes qui se décomposent en produits oxydatifs, causant la scission de chaîne et la réticulation. Cela augmente la densité de réticulation, rendant le caoutchouc plus dur et plus cassant. Une teneur plus élevée en liaisons doubles accélère le vieillissement. De plus, les substituants donneurs d'électrons (par exemple, –CH₃) dans la structure moléculaire sont facilement oxydés.

• Effet des agents de mélange du caoutchouc:
  Le choix du système de vulcanisation est crucial. Une teneur plus élevée en soufre augmente la concentration de liens polysulfure, mais accélère le vieillissement.

3.3 Causes externes

• Oxygène et ozone:
  L'oxygène est un facteur de vieillissement principal, favorisant la scission de chaîne et la re-réticulation. L'ozone est encore plus réactif ; il forme des ozonides aux liaisons doubles, qui se décomposent et brisent les chaînes polymères. Le joint est directement exposé à l'air, et de faibles quantités d'oxygène et d'ozone se dissolvent dans l'huile, accélérant le vieillissement du caoutchouc.

• Chaleur:
  La chaleur accélère l'oxydation—généralement, une augmentation de 10°C double le taux d'oxydation. Elle accélère également les réactions entre le caoutchouc et les additifs ou provoque l'évaporation des composants volatils, dégradant les performances et raccourcissant la durée de vie.

• Fatigue mécanique:
  Sous un stress constant (compression, torsion), le caoutchouc subit une oxydation mécanique, accélérée par la chaleur. Au fil du temps, l'élasticité diminue—c'est le vieillissement par fatigue mécanique.

Le vieillissement du joint en caoutchouc conduit à l'échec du joint, à la perte de capacité d'étanchéité et, finalement, à la fuite d'huile.

3.4 Compression initiale insuffisante du joint

Les joints en caoutchouc comptent sur la déformation par compression lors de l'installation pour s'adapter étroitement aux surfaces de joint et bloquer les chemins de fuite. Une compression initiale insuffisante peut entraîner des fuites. Cela peut se produire en raison de :

• Problèmes de conception : section transversale du joint trop petite ou rainure trop grande ;

• Problèmes d'installation : serrage incorrect du couvercle (la plupart des relais dépendent du ressenti manuel, rendant difficile le contrôle précis).
  De plus, le caoutchouc a un coefficient de retrait au froid plus de dix fois supérieur à celui du métal. À basse température, le joint se rétracte et durcit, réduisant encore la compression.

3. Taux de compression excessif

Bien que la compression soit nécessaire pour l'étanchéité, une compression excessive est nuisible. Elle peut causer une déformation permanente lors de l'installation ou générer un stress de von Mises élevé, conduisant à la rupture du matériau et à une réduction de la durée de vie. Encore une fois, le serrage manuel entraîne souvent une sur-compression.

4. Défauts de surface sur les surfaces de joint

Des rayures, des bavures, une rugosité de surface faible ou des textures de fraisage inappropriées sur les surfaces de joint peuvent créer des chemins de fuite.

5. Effets de la température

À haute température, le caoutchouc s'adoucit et se dilate, pouvant s'extruder et rompre le joint. À basse température, la contraction et le durcissement peuvent également causer des fuites.

6. Choix de dureté inapproprié

Si le joint en caoutchouc est trop mou ou trop dur, il peut ne pas assurer une étanchéité correcte.

7. Installation brutale

Une installation négligente peut endommager le joint. Par exemple, des arêtes vives ou des bavures peuvent griffer le joint torique, créant des défauts invisibles qui entraînent l'échec du joint et la fuite d'huile.De plus, la fissuration du verre peut également causer la fuite d'huile.

Les causes incluent :
A) Un stress inégal pendant l'installation, exacerbé par des changements soudains de température ou de pression ;
B) Un choc thermique causant la fissuration du verre lui-même. Les fissures forment des chemins de fuite, entraînant une perte d'huile.

Conclusion

Dans les équipements électriques SF6, le gaz SF6 sert de principal isolant et de moyen d'extinction d'arc. Sa force diélectrique et sa capacité d'interruption d'arc dépendent directement de la densité du gaz—plus la densité est élevée, meilleures sont généralement les performances. Cependant, en raison de problèmes de fabrication, d'exploitation ou de maintenance, la fuite de gaz est inévitable. Une diminution de la densité entraîne deux risques principaux : une réduction de la force diélectrique et une diminution de la capacité d'interruption des disjoncteurs. Par conséquent, le contrôle de la densité du gaz SF6 est crucial pour un fonctionnement sûr et fiable. Cela est généralement réalisé à l'aide de relais de densité SF6, qui fournissent deux niveaux d'avertissement—signaux d'alarme et de verrouillage—lorsque la densité diminue, permettant une intervention en temps opportun.

Ainsi, les relais de densité SF6 sur site doivent être fiables. Sur la base de l'analyse ci-dessus, nous concluons :

• Les relais de densité présentant des fuites d'huile doivent être surveillés et remplacés rapidement.

• Les nouveaux relais installés devraient idéalement être de type sans huile avec une meilleure résistance aux vibrations ou des conceptions améliorées à gaz scellé.