Como afecta a perda de óleo ao rendemento do relé SF6

1. Equipamento eléctrico SF6 e o problema común de fuga de aceite nos relés de densidade SF6

O equipamento eléctrico SF6 está agora amplamente utilizado nas empresas de electricidade e nas empresas industriais, avançando significativamente o desenvolvemento da industria eléctrica. O medio de extinción de arco e isolamento neste equipamento é o gas sulfúrico hexafluoruro (SF6), que non debe fugir. Calquera fuga compromete a operación fiable e segura do equipamento, facendo esencial o control da densidade do gas SF6. Actualmente, son comumente utilizados os relés de densidade de tipo punteiro mecánico para este propósito. Estes relés poden activar sinais de alarma e bloqueo cando ocorre unha fuga de gas e tamén proporcionan unha indicación de densidade no local. Para mellorar a resistencia á vibración, estes relés están xeralmente cheos de aceite de silicón.

No entanto, na práctica, a fuga de aceite dos relés de densidade SF6 é un problema común. Este problema é xeneralizado—todas as delegacións de fornecemento de enerxía do país o han experimentado. Algúns relés desenvolvén fugas de aceite en menos dun ano de operación. En resumo, a fuga de aceite nos relés de densidade cheos de aceite é un problema prevalente e persistente.

2. Perigos das fugas de aceite nos relés de densidade

Como se sabe, os relés de densidade SF6 xeralmente utilizan un contacto eléctrico de muelle, reforzado con un mecanismo de axuda magnética para asegurar un cierre de contacto fiable. No entanto, a forza de contacto (para alarma ou bloqueo) depende principalmente da débil forza do muelle. Aínda coa axuda magnética, a forza permanece moi pequena, facendo que os contactos sexan altamente sensibles á vibración. Para mellorar a resistencia á vibración, o aceite de silicón xeralmente se introduce no relé. Se ocorre unha fuga de aceite, isto supón potenciais riscos de seguridade para o equipamento eléctrico SF6.

Perigo 1: Unha vez que o aceite antivibratorio escapa completamente, perdeuse o efecto de amortiguación, reducindo drasticamente a resistencia á vibración do relé. Despois de fortes choques mecánicos durante as operacións de conmutación do interruptor, o punteiro pode quedar atascado, os contactos poden fallar permanentemente (ou non actuando ou permanecendo actuados) ou as desviacións de medida poden superar os límites aceptables.

Perigo 2: Como os contactos do relé están axudados magneticamente con unha forza de contacto inherentemente baixa, a exposición prolongada pode levar á oxidación das superficies de contacto. Para os relés que perderon todo o aceite, os contactos axudados magneticamente están directamente expostos ao aire, facéndolos propensos á oxidación ou acumulación de polvo, resultando en mal contacto ou fallo completo.

Segundo informes: Durante un período de tres anos durante o cal unha empresa intensificou a proba de relés de densidade SF6, foron inspeccionadas 196 unidades, e 6 (aproximadamente 3%) foron encontradas con conducción de contacto non fiable. Todos estes relés defectuosos perderon completamente o seu aceite de amortiguación. Se un relé de densidade sufre un punteiro atascado, contactos fallidos ou conducción non fiable, pode comprometer seriamente a seguridade da rede. Consideremos o escenario onde un interruptor SF6 perde gas e perde o seu medio de aislamento, pero o relé de densidade non activa a alarma debido a un punteiro atascado ou un contacto defectuoso. Se o interruptor tenta interromper unha corrente de falla, as consecuencias poden ser catastróficas.

Ademais, o aceite derramado pode contaminar outras compoñentes do conmutador, atraindo polvo e pondo en maior perigo a operación segura. Algúns equipos recurren a envolver o relé que vaza en sacos de plástico para evitar que o aceite se espalle e cause acumulación de polvo. Ademais, as subestacións modernas están deseñadas para ser libres de aceite; polo tanto, a fuga de aceite considerase un defecto que debe corrixirse.

3. Análise da causa raíz da fuga de aceite

Os puntos principais de fuga nos relés de densidade son os sellos entre o bloco de terminais e a carcasa, a ventá de vidro e a carcasa, e as fisuras no propio vidro. A través da desmontaxe de numerosos relés que vazan, determinamos que a causa principal da fuga de aceite é o fallo do sello entre o bloco de terminais e a carcasa e entre o vidro e a carcasa. As seguintes son as razóns preliminares identificadas para o fallo do sello.

3.1 Envellecemento do sello de borracha

Actualmente, a maioría dos relés de densidade utilizan borracha nitrílica (NBR) para os aneis de sello de aceite. A NBR é un copolímero de butadieno (CH₂=CH–CH=CH₂) e acrilonitrilo (CH₂=CH–CN), producido por polimerización emulsión. É unha borracha de cadea de carbono insaturada. O contido de acrilonitrilo afecta significativamente as propiedades da NBR: un contido máis alto melhora a resistencia ao aceite, solventes e produtos químicos, aumenta a resistencia, dureza, resistencia ao desgaste e temperatura, pero reduce a flexibilidade a frío, elasticidade e permeabilidade ao aire.

A borracha degrada durante o procesado, almacenamento e uso debido a varios factores, mostrando decoloración, pegajosidade, endurecemento e fisuración—fenómenos colectivamente coñecidos como envellecemento da borracha.

Os factores que contribúen ao envellecemento do sello NBR inclúen causas internas e externas.

3.2 Causas internas

• Estructura molecular da NBR:
  A NBR contén ligazóns duplas insaturadas na súa cadea polimérica. Baixo calor e estrés mecánico, o oxíxeno reacciona nestas ligazóns duplas, formando peróxidos que se descomponen en produtos oxidativos, causando a ruptura da cadea e lazos cruzados. Isto aumenta a densidade de lazos cruzados, facendo que a borracha sexa máis dura e frágil. Un contido máis alto de ligazóns duplas acelera o envellecemento. Ademais, os substituíntes donadores de electróns (por exemplo, –CH₃) na estructura molecular son facilmente oxidados.

• Efecto dos agentes de composición da borracha:
  A elección do sistema de vulcanización é crítica. Un contido máis alto de azufre aumenta a concentración de lazos cruzados polisulfídicos, pero acelera o envellecemento.

3.3 Causas externas

• Oxíxeno e ozono:
  O oxíxeno é un factor de envellecemento primario, promovendo a ruptura da cadea e re-lazo cruzado. O ozono é incluso máis reactivo; forma ozonidas nas ligazóns duplas, que se descomponen e rompen as cadeas poliméricas. O sello está directamente exposto ao aire, e cantidades traxes de oxíxeno e ozono disólvense no aceite, acelerando o envellecemento da borracha.

• Calor:
  El calor acelera a oxidación—xeralmente, un aumento de 10°C duplica a taxa de oxidación. Tamén acelera as reaccións entre a borracha e os aditivos ou causa que os componentes volátiles evaporen, degradando o rendemento e acortando a vida útil.

• Fatiga mecánica:
  Baixo estrés constante (compresión, torsión), a borracha sufre oxidación mecánica, acelerada polo calor. Con o tempo, a elasticidade diminúe—isto é a fatiga mecánica de envellecemento.

O envellecemento do sello de borracha leva ao fallo do sello, perdida da capacidade de sellado e, finalmente, fuga de aceite.

3.4 Compresión inicial insuficiente do sello

Os sellos de borracha dependen da deformación por compresión durante a instalación para encaixar estreitamente contra as superficies de sellado e bloquear as rutas de fuga. A compresión inicial insuficiente pode levar a fugas. Isto pode ocorrer debido a:

• Problemas de deseño: sección transversal do sello demasiado pequena ou ranura demasiado grande;

• Problemas de instalación: apertura incorrecta da cuberta (a maioría dos relés dependen da sensación manual, facendo difícil o control preciso).
  Ademais, a borracha ten un coeficiente de contracción a frio dez veces superior ao do metal. A temperaturas bajas, o sello se contrai e endurece, reducindo aínda máis a compresión.

3. Tasa de compresión excesiva

Mentres que a compresión é necesaria para o sellado, a compresión excesiva é perjudicial. Pode causar deformación permanente durante a instalación ou xerar un estrés de von Mises alto, levando ao fracaso do material e a unha vida útil reducida. Novamente, o apertado manual adoita resultar en sobrecompresión.

4. Defectos de superficie nas superficies de sellado

Ralladuras, rebabas, rugosidade superficial baixa ou texturas de maquinado incorrectas nas superficies de sellado poden crear rutas de fuga.

5. Efectos da temperatura

A temperaturas altas, a borracha abrandase e expandese, posiblemente extrudíndose e rompendo o sello. A temperaturas bajas, a contracción e el endurecemento tamén poden causar fugas.

6. Selección inadecuada de dureza

Se o sello de borracha é demasiado blando ou demasiado duro, pode non sellar correctamente.

7. Instalación brusca

A instalación descuidada pode danar o sello. Por exemplo, bordos afiados ou rebabas poden rascar o anel O, creando defectos invisibles que levam ao fallo do sello e a fuga de aceite.Ademais, a rotura do vidrio tamén pode causar fuga de aceite.

As causas inclúen:
A) Estrés desigual durante a instalación, exacerbado por cambios repentinos de temperatura ou presión;
B) Choque térmico que causa a propia rotura do vidrio. As fisuras forman rutas de fuga, resultando en perda de aceite.

Conclusión

No equipamento eléctrico SF6, o gas SF6 serve como medio principal de aislamento e extinción de arco. Sua resistencia dieléctrica e capacidade de interrupción de arco dependen directamente da densidade do gas—maior densidade xeralmente significa mellor rendemento. No entanto, debido a problemas de fabricación, operación ou manutención, a fuga de gas é inevitable. Unha diminución da densidade leva a dous riscos principais: reducción da resistencia dieléctrica e diminución da capacidade de interrupción do interruptor. Polo tanto, o control da densidade do gas SF6 é crucial para a operación segura e fiable. Isto xeralmente se logra utilizando relés de densidade SF6, que proporcionan dúas etapas de advertencia—sinal de alarma e bloqueo—cando a densidade diminúe, permitindo a intervención oportuna.

Polo tanto, os relés de densidade SF6 no local deben ser fiables. Basándonos no análise anterior, concluímos:

• Os relés de densidade que exhiben fuga de aceite deben ser monitorizados e substituídos prontamente.

• Os relés novos instalados deben ser preferentemente de tipo libre de aceite con resistencia superior á vibración ou diseños mellorados de sellado de gas.