Come l'Perdita d'Olio Influisce sulle Prestazioni del Relè SF6?

1. Apparecchiature elettriche SF6 e il problema comune di perdita d'olio nei relè di densità SF6

Le apparecchiature elettriche SF6 sono ora ampiamente utilizzate nelle imprese energetiche e industriali, contribuendo significativamente allo sviluppo dell'industria elettrica. Il mezzo di spegnimento e isolamento in tali apparecchiature è il gas esesafluoruro di zolfo (SF6), che non deve fuoriuscire. Qualsiasi perdita compromette l'affidabilità e la sicurezza del funzionamento dell'apparecchiatura, rendendo essenziale il monitoraggio della densità del gas SF6. Attualmente, per questo scopo vengono comunemente utilizzati relè di densità a puntatore meccanico. Questi relè possono attivare segnali di allarme e blocco quando si verifica una perdita di gas e forniscono anche un indicatore di densità sul posto. Per migliorare la resistenza alle vibrazioni, questi relè sono solitamente riempiti con olio di silicone.

Tuttavia, nella pratica, la perdita di olio dai relè di densità SF6 è un problema comune. Questo problema è diffuso—ogni ufficio di distribuzione elettrica del paese lo ha riscontrato. Alcuni relè sviluppano perdite di olio entro meno di un anno di operatività. In breve, la perdita di olio nei relè a olio è un problema prevalente e persistente.

2. Pericoli delle perdite di olio nei relè di densità

Come è noto, i relè di densità SF6 utilizzano generalmente un contatto elettrico a molla, rafforzato da un meccanismo di assistenza magnetica per garantire la chiusura affidabile dei contatti. Tuttavia, la forza del contatto (per allarme o blocco) dipende principalmente dalla debole forza della molla. Anche con l'assistenza magnetica, la forza rimane molto piccola, rendendo i contatti altamente sensibili alle vibrazioni. Per migliorare la resistenza alle vibrazioni, l'olio di silicone viene solitamente riempito nel relè. Se si verifica una perdita di olio, ciò comporta potenziali rischi per la sicurezza delle apparecchiature elettriche SF6.

Pericolo 1: Una volta che l'olio antivibratorio fuoriesce completamente, l'effetto di smorzamento viene perso, riducendo drasticamente la resistenza alle vibrazioni del relè. Dopo forti scosse meccaniche durante le operazioni di commutazione degli interruttori, il puntatore può bloccarsi, i contatti possono fallire permanentemente (non attivandosi o rimanendo attivi) o le deviazioni di misurazione possono superare i limiti accettabili.

Pericolo 2: Poiché i contatti del relè sono assistiti magneticamente con una forza di contatto intrinsecamente bassa, una esposizione prolungata può portare all'ossidazione delle superfici dei contatti. Per i relè che hanno perso tutto l'olio, i contatti assistiti magneticamente sono direttamente esposti all'aria, rendendoli soggetti all'ossidazione o all'accumulo di polvere, causando cattiva conduzione o completa mancanza di contatto.

Secondo i rapporti: in un periodo di tre anni durante il quale una società di utilità ha intensificato i test sui relè di densità SF6, 196 unità sono state ispezionate e 6 (circa il 3%) sono risultate avere una conduzione dei contatti non affidabile. Tutti questi relè difettosi avevano completamente perso il loro olio di smorzamento. Se un relè di densità soffre di un puntatore bloccato, contatti guasti o conduzione non affidabile, può gravemente compromettere la sicurezza della rete. Consideriamo lo scenario in cui un interruttore SF6 perde gas e perde il suo mezzo isolante, ma il relè di densità non attiva l'allarme a causa di un puntatore bloccato o di un contatto difettoso. Se l'interruttore tenta quindi di interrompere una corrente di cortocircuito, le conseguenze potrebbero essere catastrofiche.

Inoltre, l'olio fuoriuscito può contaminare altre componenti dell'impianto di commutazione, attrarre polvere e ulteriormente mettere a rischio l'operatività sicura. Alcune unità ricorrono all'avvolgimento del relè che perde olio in sacchetti di plastica per prevenire la diffusione dell'olio e l'accumulo di polvere. Inoltre, le moderne sottostazioni sono progettate per essere prive di olio; pertanto, la perdita di olio è considerata un difetto che deve essere corretto.

3. Analisi delle cause radicate delle perdite di olio

I principali punti di perdita nei relè di densità sono le giunzioni tra il blocco terminale e il contenitore, la finestra di vetro e il contenitore, e le crepe nel vetro stesso. Smontando numerose valvole che perdono olio, abbiamo determinato che la causa principale delle perdite di olio è il fallimento delle tenute tra il blocco terminale e il contenitore e tra il vetro e il contenitore. Di seguito sono indicate le ragioni preliminarmente identificate per il fallimento delle tenute.

3.1 Invecchiamento della tenuta in gomma

Attualmente, la maggior parte dei relè di densità utilizza nitrile butadiene rubber (NBR) per gli anelli O a tenuta d'olio. L'NBR è un copolimero di butadiene (CH₂=CH–CH=CH₂) e acrilonitrile (CH₂=CH–CN), prodotto attraverso polimerizzazione per emulsione. È un caucciù a catena carboniosa insatura. Il contenuto di acrilonitrile influenza significativamente le proprietà dell'NBR: un contenuto più elevato migliora la resistenza all'olio, ai solventi e ai composti chimici, aumenta la resistenza, la durezza, la resistenza all'usura e al calore, ma riduce la flessibilità a freddo, l'elasticità e la permeabilità all'aria.

La gomma si degrada durante la lavorazione, lo stoccaggio e l'uso a causa di vari fattori, manifestando decolorazione, appiccicosità, indurimento e crepe—fenomeni collettivamente noti come invecchiamento della gomma.

I fattori che contribuiscono all'invecchiamento della tenuta in NBR includono cause interne ed esterne.

3.2 Cause interne

• Struttura molecolare dell'NBR:
  L'NBR contiene legami doppi insaturi nella sua catena polimerica. A caldo e sotto stress meccanico, l'ossigeno reagisce in questi legami doppi, formando perossidi che si decompongono in prodotti ossidativi, causando la scissione delle catene e il reticolamento. Ciò aumenta la densità di reticolamento, rendendo la gomma più dura e fragile. Un contenuto più elevato di legami doppi accelera l'invecchiamento. Inoltre, i sostituenti donatori di elettroni (ad esempio, –CH₃) nella struttura molecolare sono facilmente ossidabili.

• Effetto degli agenti di compattazione della gomma:
  La scelta del sistema di vulcanizzazione è critica. Un contenuto più elevato di zolfo aumenta la concentrazione di legami polisolfuri ma accelera l'invecchiamento.

3.3 Cause esterne

• Ossigeno e ozono:
  L'ossigeno è un fattore primario di invecchiamento, promuovendo la scissione delle catene e il reticolamento. L'ozono è ancora più reattivo; forma ozonidi nei legami doppi, che si decompongono e rompono le catene polimeriche. La tenuta è direttamente esposta all'aria, e tracce di ossigeno e ozono si dissolvono nell'olio, accelerando l'invecchiamento della gomma.

• Calore:
  Il calore accelera l'ossidazione—di solito, un aumento di 10°C raddoppia il tasso di ossidazione. Accelerando anche le reazioni tra la gomma e gli additivi o causando l'evaporazione di componenti volatili, degrada le prestazioni e riduce la durata.

• Fatica meccanica:
  Sotto stress costante (compressione, torsione), la gomma subisce ossidazione meccanica, accelerata dal calore. Nel tempo, l'elasticità diminuisce—questo è l'invecchiamento da fatica meccanica.

L'invecchiamento della tenuta in gomma porta al fallimento della tenuta, alla perdita della capacità di sigillare e, infine, alla perdita di olio.

3.4 Compressione iniziale insufficiente della tenuta

Le tenute in gomma si basano sulla deformazione compressiva durante l'installazione per adattarsi strettamente alle superfici da sigillare e bloccare i percorsi di perdita. Una compressione iniziale insufficiente può portare a perdite. Questo può verificarsi a causa di:

• Problemi di progettazione: sezione trasversale della tenuta troppo piccola o scanalatura troppo grande;

• Problemi di installazione: serraggio inadeguato del coperchio (la maggior parte dei relè si basa sulla sensazione manuale, rendendo difficile il controllo preciso).
  Inoltre, la gomma ha un coefficiente di contrazione al freddo oltre dieci volte superiore a quello del metallo. A basse temperature, la tenuta si contrae e indurisce, riducendo ulteriormente la compressione.

3. Tasso di compressione eccessivo

Sebbene la compressione sia necessaria per il sigillaggio, una compressione eccessiva è dannosa. Può causare una deformazione permanente durante l'installazione o generare un alto stress di von Mises, portando al fallimento del materiale e riducendo la durata. Ancora una volta, il serraggio manuale spesso porta a una compressione eccessiva.

4. Difetti superficiali sulle superfici da sigillare

Graffi, barbule, bassa ruvidità superficiale o texture di lavorazione inappropriate sulle superfici da sigillare possono creare percorsi di perdita.

5. Effetti della temperatura

A temperature elevate, la gomma si ammorbidisce ed espande, potenzialmente estrudendo e rompendo il sigillo. A basse temperature, la contrazione e l'indurimento possono anche causare perdite.

6. Selezione inappropriata della durezza

Se la tenuta in gomma è troppo morbida o troppo dura, potrebbe non sigillare correttamente.

7. Installazione rude

Un'installazione negligente può danneggiare la tenuta. Ad esempio, bordi affilati o barbule possono graffiare l'anello O, creando difetti invisibili che portano al fallimento della tenuta e alla perdita di olio.Inoltre, la rottura del vetro può anche causare la perdita di olio.

Le cause includono:
A) Stress non uniforme durante l'installazione, aggravato da cambiamenti repentini di temperatura o pressione;
B) Shock termico che causa la rottura del vetro stesso. Le crepe formano percorsi di perdita, causando la perdita di olio.

Conclusione

Nelle apparecchiature elettriche SF6, il gas SF6 serve come mezzo principale di isolamento e spegnimento. La sua resistenza dielettrica e la capacità di interruzione dell'arco dipendono direttamente dalla densità del gas—una maggiore densità significa generalmente migliori prestazioni. Tuttavia, a causa di problemi di fabbricazione, operatività o manutenzione, la perdita di gas è inevitabile. Un calo della densità porta a due rischi principali: riduzione della resistenza dielettrica e diminuzione della capacità di interruzione dell'interruttore. Pertanto, il monitoraggio della densità del gas SF6 è cruciale per un funzionamento sicuro e affidabile. Questo è tipicamente ottenuto utilizzando relè di densità SF6, che forniscono avvisi a due livelli—segnali di allarme e blocco—quando la densità diminuisce, consentendo un intervento tempestivo.

Pertanto, i relè di densità SF6 sul campo devono essere affidabili. In base all'analisi sopra, concludiamo:

• I relè di densità che presentano perdite di olio devono essere monitorati e sostituiti tempestivamente.

• I relè nuovi dovrebbero preferibilmente essere di tipo privo di olio con superiori resistenza alle vibrazioni o disegni migliorati a tenuta di gas.