1. Peralatan Listrik SF6 dan Masalah Umum Kebocoran Minyak pada Relai Kepadatan SF6
Peralatan listrik SF6 sekarang digunakan secara luas di perusahaan utilitas listrik dan perusahaan industri, sangat mendorong perkembangan industri listrik. Media pemadam busur dan isolasi dalam peralatan tersebut adalah gas sulfur heksafluorida (SF6), yang tidak boleh bocor. Setiap kebocoran merusak operasi yang dapat diandalkan dan aman dari peralatan, sehingga penting untuk memantau kepadatan gas SF6. Saat ini, relai kepadatan tipe penunjuk mekanis umumnya digunakan untuk tujuan ini. Relai ini dapat memicu sinyal alarm dan penguncian ketika terjadi kebocoran gas, serta memberikan indikasi kepadatan di tempat. Untuk meningkatkan ketahanan getaran, relai ini biasanya diisi dengan minyak silikon.
Namun, dalam praktiknya, kebocoran minyak dari relai kepadatan gas SF6 adalah masalah umum. Masalah ini tersebar luas—setiap kantor penyedia listrik di seluruh negeri telah mengalaminya. Beberapa relai mengalami kebocoran minyak dalam kurun waktu kurang dari setahun operasi. Singkatnya, kebocoran minyak pada relai kepadatan yang diisi minyak adalah masalah yang umum dan persisten.
2. Bahaya Kebocoran Minyak pada Relai Kepadatan
Seperti diketahui, relai kepadatan SF6 umumnya menggunakan kontak listrik tipe pegas, ditingkatkan dengan mekanisme bantu magnetik untuk memastikan penutupan kontak yang andal. Namun, gaya kontak (untuk alarm atau penguncian) tergantung pada gaya lemah pegas. Meskipun dengan bantuan magnet, gaya tetap sangat kecil, membuat kontak sangat sensitif terhadap getaran. Untuk meningkatkan ketahanan getaran, minyak silikon biasanya diisi ke dalam relai. Jika terjadi kebocoran minyak, hal ini menimbulkan risiko keselamatan potensial bagi peralatan listrik SF6.
Bahaya 1: Setelah minyak anti-getaran sepenuhnya bocor, efek redaman hilang, drastis mengurangi ketahanan getaran relai. Setelah guncangan mekanis kuat selama operasi beralih pemutus sirkuit, penunjuk mungkin macet, kontak mungkin gagal permanen (baik tidak berfungsi atau tetap aktif), atau penyimpangan pengukuran melebihi batas yang dapat diterima.
Bahaya 2: Karena kontak relai dibantu magnetik dengan gaya kontak yang rendah, paparan jangka panjang dapat menyebabkan oksidasi permukaan kontak. Untuk relai yang telah kehilangan semua minyak, kontak yang dibantu magnetik langsung terpapar udara, membuatnya rentan terhadap oksidasi atau akumulasi debu, mengakibatkan kontak buruk atau gagal total.
Menurut laporan: Dalam periode tiga tahun di mana satu utilitas meningkatkan pengujian relai kepadatan SF6, 196 unit diperiksa, dan 6 (sekitar 3%) ditemukan memiliki konduksi kontak yang tidak andal. Semua relai yang rusak ini telah kehilangan minyak redamannya. Jika relai kepadatan mengalami penunjuk yang macet, kontak gagal, atau konduksi tidak andal, hal ini dapat sangat merugikan keamanan jaringan. Pertimbangkan skenario di mana pemutus sirkuit SF6 bocor gas dan kehilangan medium isolasinya, tetapi relai kepadatan gagal memicu alarm karena penunjuk yang macet atau kontak yang rusak. Jika pemutus kemudian mencoba memutus arus gangguan, konsekuensinya bisa menjadi bencana.
Selain itu, minyak yang bocor dapat mencemari komponen lain dari switchgear, menarik debu, dan lebih lanjut mengancam operasi yang aman. Beberapa unit beralih ke membungkus relai yang bocor dengan kantong plastik untuk mencegah minyak menyebar dan menyebabkan akumulasi debu. Selain itu, substation modern dirancang bebas minyak; oleh karena itu, kebocoran minyak dianggap sebagai cacat yang harus diperbaiki.
3. Analisis Penyebab Akar Kebocoran Minyak
Titik kebocoran utama pada relai kepadatan adalah segel antara blok terminal dan casing, jendela kaca dan casing, dan retakan pada kaca itu sendiri. Melalui pembongkaran banyak relai yang bocor, kami telah menentukan bahwa penyebab utama kebocoran minyak adalah kegagalan segel pada antarmuka blok terminal-ke-casing dan kaca-ke-casing. Berikut adalah alasan awal yang diidentifikasi untuk kegagalan segel.
3.1 Penuaan Segel Karet
Saat ini, sebagian besar relai kepadatan menggunakan karet nitril (NBR) untuk O-ring penyegelan minyak. NBR adalah kopolimer butadiena (CH₂=CH–CH=CH₂) dan asetonitril (CH₂=CH–CN), diproduksi melalui polimerisasi emulsi. Ini adalah karet rantai karbon yang tidak jenuh. Kandungan asetonitril secara signifikan mempengaruhi sifat NBR: kandungan yang lebih tinggi meningkatkan ketahanan terhadap minyak, pelarut, dan kimia, meningkatkan kekuatan, kekerasan, ketahanan aus, dan ketahanan panas, tetapi mengurangi fleksibilitas dingin, elastisitas, dan permeabilitas udara.
Karet mengalami degradasi selama proses, penyimpanan, dan penggunaan karena berbagai faktor, menunjukkan perubahan warna, lengket, keras, dan retak—fenomena yang dikenal sebagai penuaan karet.
Faktor yang berkontribusi pada penuaan segel NBR termasuk penyebab internal dan eksternal.
3.2 Penyebab Internal
Struktur Molekul NBR:
NBR mengandung ikatan rangkap tidak jenuh dalam rantai polimernya. Di bawah panas dan stres mekanis, oksigen bereaksi pada ikatan rangkap ini, membentuk peroksida yang terurai menjadi produk oksidatif, menyebabkan putus rantai dan silang. Ini meningkatkan kerapatan silang, membuat karet lebih keras dan rapuh. Kandungan ikatan rangkap yang lebih tinggi mempercepat penuaan. Selain itu, substituen donor elektron (mis., –CH₃) dalam struktur molekul mudah teroksidasi.
Efek Agen Campuran Karet:
Pilihan sistem vulkanisasi sangat penting. Kandungan belerang yang lebih tinggi meningkatkan konsentrasi silang polisulfida tetapi mempercepat penuaan.
3.3 Penyebab Eksternal
Oksigen dan Ozon:
Oksigen adalah faktor penuaan utama, mempromosikan putus dan re-silang rantai. Ozon bahkan lebih reaktif; ia membentuk ozonida pada ikatan rangkap, yang terurai dan memutus rantai polimer. Segel langsung terpapar udara, dan jejak oksigen dan ozon larut dalam minyak, mempercepat penuaan karet.
Panas:
Panas mempercepat oksidasi—biasanya, kenaikan suhu 10°C menggandakan laju oksidasi. Hal ini juga mempercepat reaksi antara karet dan aditif atau menyebabkan komponen volatil menguap, menurunkan kinerja dan mempersingkat umur layanan.
Kelelahan Mekanis:
Di bawah tekanan konstan (kompresi, torsion), karet mengalami oksidasi mekanis, dipercepat oleh panas. Seiring waktu, elastisitas berkurang—ini adalah penuaan kelelahan mekanis.
Penuaan segel karet menyebabkan kegagalan segel, hilangnya kemampuan penyegelan, dan akhirnya kebocoran minyak.
3.4 Kompresi Awal Segel Tidak Cukup
Segel karet bergantung pada deformasi kompresi selama instalasi untuk pas ketat terhadap permukaan penyegelan dan memblokir jalur kebocoran. Kompresi awal yang tidak cukup dapat menyebabkan kebocoran. Ini dapat terjadi karena:
Masalah desain: penampang segel yang terlalu kecil atau celah yang terlalu besar;
Masalah instalasi: pengencangan tutup yang tidak tepat (sebagian besar relai bergantung pada rasa manual, membuat kontrol presisi sulit).
Selain itu, karet memiliki koefisien penyusutan dingin lebih dari sepuluh kali lipat logam. Pada suhu rendah, segel menyusut dan mengeras, lebih lanjut mengurangi kompresi.
3. Laju Kompresi Berlebihan
Meskipun kompresi diperlukan untuk penyegelan, kompresi berlebihan berbahaya. Hal ini dapat menyebabkan deformasi permanen selama instalasi atau menghasilkan stres von Mises yang tinggi, menyebabkan kegagalan material dan mengurangi umur layanan. Lagi-lagi, pengencangan manual sering menghasilkan over-kompresi.
4. Defek Permukaan pada Permukaan Penyegelan
Goresan, sisik, kekasaran permukaan yang rendah, atau tekstur mesin yang tidak tepat pada permukaan penyegelan dapat menciptakan jalur kebocoran.
5. Efek Suhu
Pada suhu tinggi, karet memuai dan membesar, potensial mengekstrusi dan memecahkan segel. Pada suhu rendah, penyusutan dan pengerasan juga dapat menyebabkan kebocoran.
6. Pemilihan Kekerasan yang Tidak Tepat
Jika segel karet terlalu lunak atau terlalu keras, mungkin gagal menyegel dengan benar.
7. Instalasi Kasar
Instalasi yang ceroboh dapat merusak segel. Misalnya, tepi tajam atau sisik dapat menggores O-ring, menciptakan cacat tak terlihat yang menyebabkan kegagalan segel dan kebocoran minyak.Selain itu, pecahnya kaca juga dapat menyebabkan kebocoran minyak.
Penyebabnya termasuk:
A) Stres tidak merata selama instalasi, diperburuk oleh perubahan mendadak suhu atau tekanan;
B) Shock termal menyebabkan kaca itu sendiri retak. Retakan membentuk jalur kebocoran, mengakibatkan kehilangan minyak.
Kesimpulan
Dalam peralatan listrik SF6, gas SF6 berfungsi sebagai media insulasi dan pemadam busur utama. Kekuatan dielektrik dan kapasitas pemutusan busurnya tergantung langsung pada kepadatan gas—kepadatan yang lebih tinggi biasanya berarti kinerja yang lebih baik. Namun, karena masalah manufaktur, operasi, atau pemeliharaan, kebocoran gas tidak dapat dihindari. Penurunan kepadatan menyebabkan dua risiko utama: penurunan kekuatan dielektrik dan penurunan kapasitas pemutusan pemutus sirkuit. Oleh karena itu, pemantauan kepadatan gas SF6 penting untuk operasi yang aman dan andal. Ini biasanya dicapai dengan menggunakan relai kepadatan SF6, yang memberikan peringatan dua tahap—sinyal alarm dan penguncian—ketika kepadatan turun, memungkinkan intervensi tepat waktu.
Oleh karena itu, relai kepadatan SF6 di tempat harus andal. Berdasarkan analisis di atas, kami menyimpulkan:
Relai kepadatan yang mengalami kebocoran minyak harus segera dimonitor dan diganti.
Relai yang baru dipasang sebaiknya jenis bebas minyak dengan ketahanan getaran yang lebih baik atau desain penyegelan gas yang ditingkatkan.