オイル損失がSF6リレーの性能にどのように影響するか

1.SF6電気機器とSF6密度リレーの一般的な油漏れ問題

SF6電気機器は現在、電力会社や工業企業で広く使用されており、電力産業の発展に大きく貢献しています。このような機器の消弧および絶縁媒体は六フッ化硫黄（SF6）ガスであり、このガスが漏れることはありません。ガスが漏れると、機器の信頼性と安全性の確保が損なわれます。そのため、SF6ガスの密度を監視することが不可欠です。現在、この目的には機械式の指針型密度リレーが一般的に使用されています。これらのリレーは、ガス漏れが発生したときに警報およびロックアウト信号をトリガーし、現場での密度表示も提供します。振動耐性を高めるために、これらのリレーには通常シリコーンオイルが充填されています。

しかし、実際にはSF6ガス密度リレーからの油漏れは一般的な問題です。この問題は広範囲にわたって見られ、全国の各電力供給局で遭遇しています。一部のリレーは運用開始後1年未満で油漏れを起こすこともあります。つまり、油充填密度リレーにおける油漏れは一般的で持続的な問題です。

2. 密度リレーの油漏れの危险

周知のように、SF6密度リレーは通常、スプリング式の電気接点を使用し、磁気補助機構によって信頼性のある接触閉鎖を確保しています。しかし、警報またはロックアウトのための接触力は主にスプリングの弱い力に依存しています。磁気補助があるとしても、力は非常に小さいため、振動に対して敏感です。振動耐性を向上させるために、リレーには通常シリコーンオイルが充填されます。油漏れが発生すると、SF6電気機器に潜在的な安全リスクが生じます。

危险1：防振油が完全に漏れ出してしまうと、ダンピング効果が失われ、リレーの振動耐性が大幅に低下します。遮断器の切替操作中に強い機械的な衝撃が加わると、指針が固定されたり、接点が永久的に故障したり（動作しないか、動作し続ける）、測定偏差が許容限度を超える可能性があります。

危险2：リレーの接点は磁気補助により本来低い接触力を持っているため、長期間にわたって露出すると接点表面が酸化する可能性があります。すべての油が失われたリレーでは、磁気補助接点が直接空気にさらされ、酸化または塵埃の付着により接触不良または完全な故障が生じる可能性があります。

報告によれば：ある電力会社がSF6密度リレーの検査を強化した3年間で、196台が検査され、そのうち6台（約3%）が接触導通が信頼できないことが確認されました。これらの故障したリレーはすべてダンピング油を完全に失っていました。密度リレーが指針が固定されたり、接点が故障したり、信頼性のない導通になった場合、グリッドの安全性が深刻に損なわれる可能性があります。例えば、SF6遮断器がガスを漏らして絶縁媒体を失った場合でも、指針が固定されたり接点が故障したりしているため、密度リレーが警報を発せず、遮断器が故障電流を切断しようとすると、結果は壊滅的になる可能性があります。

また、漏れた油はスイッチギアの他の部品を汚染し、塵埃を引き寄せ、安全な運転をさらに危険にします。一部のユニットでは、漏れ出たリレーをビニール袋で包んで油の拡散と塵埃の堆積を防いでいます。さらに、現代の変電所は無油設計であるため、油漏れは修正が必要な欠陥とみなされます。

3. 油漏れの根本原因分析

密度リレーの主要な漏れポイントは、端子ブロックとケースの間のシール、ガラス窓とケースの間のシール、およびガラス自体のひび割れです。多くの漏れ出たリレーを分解することで、油漏れの主な原因は端子ブロックとケースの間、およびガラスとケースの間のシールの故障であることが判明しました。以下は、シールの故障の初期の原因です。

3.1 ラバーシールの劣化

現在、ほとんどの密度リレーはオイルシーリングOリングとしてニトリルゴム（NBR）を使用しています。NBRはブタジエン（CH₂=CH–CH=CH₂）とアクリロニトリル（CH₂=CH–CN）の共重合体であり、エマルジョン重合によって生成されます。これは不飽和炭素鎖ゴムです。アクリロニトリルの含有量はNBRの特性に大きく影響します：高い含有量は油、溶剤、化学薬品に対する耐性を向上させ、強度、硬度、摩耗耐性、熱耐性を増加させますが、低温時の柔軟性、弾性、透気性を減少させます。

ゴムは加工、保管、使用中に様々な要因により劣化し、色褪せ、粘り、硬化、ひび割れなどの現象（ゴムの老化と呼ばれる）を示します。

NBRシールの老化に寄与する要因には内部要因と外部要因があります。

3.2 内部要因

• NBRの分子構造：
  NBRはポリマー鎖に不飽和二重結合を持っています。熱や機械的ストレス下で酸素がこれらの二重結合と反応し、過酸化物を形成し、分解して酸化生成物となり、鎖切断と架橋を引き起こします。これにより架橋密度が増加し、ゴムは硬く脆くなります。二重結合の含有量が高いほど老化が加速します。また、分子構造内の電子供与置換基（例えば、–CH₃）は容易に酸化されます。

• ゴム配合剤の影響：
  加硫系の選択は重要です。硫黄含有量が高いほど多硫化物架橋濃度が増加し、老化が加速します。

3.3 外部要因

• 酸素とオゾン：
  酸素は主な老化因子であり、鎖切断と再架橋を促進します。オゾンはさらに反応性が高く、二重結合でオゾン化物を形成し、分解してポリマー鎖を切断します。シールは直接空気に曝露しており、微量の酸素とオゾンが油に溶解してゴムの老化を加速します。

• 熱：
  熱は酸化を加速します—通常、温度が10°C上昇すると酸化率が倍になります。また、ゴムと添加剤との反応を加速させたり、揮発成分を蒸発させたりして性能を低下させ、寿命を短縮します。

• 機械的疲労：
  一定のストレス（圧縮、ねじれ）下でゴムは機械的酸化を起こし、熱によって加速されます。時間とともに弾性が低下し、これが機械的疲労による老化です。

ゴムシールの老化はシールの故障、密封能力の喪失、最終的には油漏れにつながります。

3.4 シールの初期圧縮不足

ゴムシールは、インストール時に圧縮変形することによって密封面に密着し、漏れパスをブロックします。初期圧縮が不足すると漏れが発生します。これは以下の理由で起こります：

• 設計上の問題：シールの断面積が小さすぎるか、溝が大きすぎる；

• インストール上の問題：カバーの締め付けが適切でない（ほとんどのリレーは手触りに依存しており、正確な制御が困難）。さらに、ゴムは金属よりも冷縮係数が10倍以上大きい。低温ではシールが収縮し硬化し、圧縮がさらに減少します。

3. 過度な圧縮率

圧縮は密封に必要ですが、過度な圧縮は有害です。インストール時に永久的な変形を引き起こしたり、高いフォンミーゼス応力を生じさせて材料の故障と寿命の短縮を招く可能性があります。また、手動での締め付けはしばしば過度な圧縮を引き起こします。

4. 密封面の表面欠陥

密封面上の傷、バリ、表面粗さが低すぎたり、適切でない加工テクスチャが漏れパスを作り出す可能性があります。

5. 温度の影響

高温ではゴムは軟化して膨張し、押し出されてシールが破れる可能性があります。低温では収縮と硬化により漏れが発生する可能性があります。

6. 不適切な硬度の選択

ゴムシールが柔らかすぎたり硬すぎたりすると、適切に密封できないことがあります。

7. 粗雑なインストール

乱暴なインストールはシールを損傷させる可能性があります。例えば、鋭利なエッジやバリがOリングを傷つけて目に見えない欠陥を作り出し、シールの故障と油漏れを引き起こす可能性があります。また、ガラスのひび割れも油漏れの一因となります。

原因には：
A) インストール時の不均一なストレス、急激な温度または圧力の変化による悪化；
B) 熱ショックによるガラス自体のひび割れ。ひび割れは漏れパスを作り出し、油が失われます。

結論

SF6電気機器において、SF6ガスは主な絶縁および消弧媒体です。その絶縁強度と遮断能力はガス密度に直接依存し、密度が高いほど通常パフォーマンスが良いです。しかし、製造、運転、メンテナンスの問題により、ガス漏れは避けられません。密度の低下は2つの主要なリスクをもたらします：絶縁強度の低下と遮断器の遮断能力の低下。そのため、SF6ガス密度の監視は安全かつ信頼性の高い運転にとって重要です。これは通常、SF6密度リレーを使用して達成され、密度が低下すると2段階の警告（警報とロックアウト信号）を提供し、適切な介入を可能にします。

したがって、現場のSF6密度リレーは信頼性が求められます。上記の分析に基づき、次の結論に至ります：

• 油漏れを示す密度リレーは迅速に監視し、交換する必要があります。

• 新しく設置するリレーは、優れた振動耐性を持つ非油タイプまたは改良されたガス密封設計が望ましいです。