Hoe beïnvloedt olieverlies de prestaties van de SF6-relais?

1. SF6-elektrische apparatuur en het veelvoorkomende probleem van olielekking in SF6-dichtheidsrelais

SF6-elektrische apparatuur wordt nu wijdverspreid gebruikt in elektriciteitsbedrijven en industriële ondernemingen, wat de ontwikkeling van de energie-industrie aanzienlijk heeft bevorderd. Het boogdoof- en isolatiemiddel in dergelijke apparatuur is hexafluoride (SF6)-gas, dat niet mag lekken. Elke lekkage beïnvloedt de betrouwbare en veilige werking van de apparatuur, waardoor het essentieel is om de dichtheid van het SF6-gas te monitoren. Momenteel worden hiervoor vaak mechanische wijzer-type dichtheidsrelais gebruikt. Deze relais kunnen alarm- en vergrendelingsignalen activeren bij gaslekken en bieden ook een ter plaatse dichtheidsaanduiding. Om trillingbestendigheid te verhogen, worden deze relais meestal gevuld met siliconenolie.

Echter, in de praktijk is olielekking uit SF6-gasdichtheidsrelais een veelvoorkomend probleem. Dit probleem komt overal voor—elk elektriciteitsbureau in het land heeft hiermee te maken gehad. Sommige relais ontwikkelen olielekkingen binnen minder dan een jaar na installatie. Kortom, olielekking in oliegevulde dichtheidsrelais is een algemeen en aanhoudend probleem.

2. Gevaren van olielekking in dichtheidsrelais

Zoals bekend, gebruiken SF6-dichtheidsrelais meestal een veerversterkte elektrische contacten, versterkt met een magnetisch assistentie-mechanisme om een betrouwbare sluiting van de contacten te waarborgen. Echter, de contactkracht (voor alarm of vergrendeling) is hoofdzakelijk afhankelijk van de zwakke kracht van de veer. Zelfs met magnetische assistentie blijft de kracht zeer klein, waardoor de contacten zeer gevoelig zijn voor trillingen. Om trillingbestendigheid te verbeteren, wordt siliconenolie meestal in het relais gevuld. Als er olielekking optreedt, kan dit potentiële veiligheidsrisico's opleveren voor de SF6-elektrische apparatuur.

Gevaar 1: Zodra de trillingsbestendige olie volledig is gelekt, verdwijnt de dempende werking, waardoor de trillingbestendigheid van het relais drastisch afneemt. Na sterke mechanische schokken tijdens schakeloperaties van circuitbrekers kan de wijzer vastlopen, de contacten permanent kunnen mislukken (niet activeren of blijven activeren), of de meetafwijkingen kunnen de toelaatbare grenzen overschrijden.

Gevaar 2: Aangezien de contacten van het relais magnetisch worden gesteund met intrinsiek lage contactkracht, kan langdurige blootstelling leiden tot oxidatie van de contactoppervlakken. Voor relais die al hun olie hebben verloren, staan de magnetisch gesteunde contacten direct in de lucht, waardoor ze vatbaar zijn voor oxidatie of stofopbouw, wat kan leiden tot slechte contacten of volledige mislukking.

Volgens rapporten: Tijdens een periode van drie jaar waarin een nutsbedrijf de testen van SF6-dichtheidsrelais intensifieerde, werden 196 eenheden geïnspecteerd, en 6 (ongeveer 3%) bleken onbetrouwbare contactgeleiding te hebben. Al deze defecte relais hadden volledig hun dempende olie verloren. Als een dichtheidsrelais vaste wijzers, defecte contacten of onbetrouwbare geleiding heeft, kan dit ernstig de veiligheid van het netwerk in gevaar brengen. Stel je voor dat een SF6-circuitbreker gas lekt en zijn isolatiemiddel verliest, maar het dichtheidsrelais faalt om een alarm te activeren vanwege een vaste wijzer of defect contact. Als de breker dan probeert een foutstroom te onderbreken, kunnen de gevolgen catastrofaal zijn.

Bovendien kan gelekte olie andere componenten van het schakelapparaat besmetten, stof aantrekken en de veilige werking nog meer in gevaar brengen. Sommige eenheden wikkelen het lekkende relais in plastic zakken om te voorkomen dat de olie verspreidt en stof opbouwt. Bovendien zijn moderne transformatorstations ontworpen om olievrij te zijn; dus wordt olielekking beschouwd als een gebrek dat moet worden hersteld.

3. Oorzakenanalyse van olielekking

De belangrijkste lekpunten in dichtheidsrelais zijn de afdichtingen tussen het terminalblok en de behuizing, het glazen venster en de behuizing, en scheuren in het glas zelf. Door het demonteren van talrijke lekkende relais hebben we vastgesteld dat de belangrijkste oorzaak van olielekking is de afdichtingsfout tussen het terminalblok en de behuizing, en het glas en de behuizing. Hieronder volgen de voorlopig geïdentificeerde redenen voor afdichtingsfouten.

3.1 Vergaring van rubberen afdichting

Momenteel gebruiken de meeste dichtheidsrelais nitrilrubber (NBR) voor de olieafsluitende O-ringen. NBR is een copolymer van butadien (CH₂=CH–CH=CH₂) en acrylonitril (CH₂=CH–CN), geproduceerd via emulsiepolymerisatie. Het is een onverzadigd koolstofketenrubber. De inhoud van acrylonitril heeft een aanzienlijke invloed op de eigenschappen van NBR: hogere inhoud verbetert de weerstand tegen olie, oplosmiddelen en chemische stoffen, verhoogt de sterkte, hardheid, slijtagebestendigheid en warmtebestendigheid, maar vermindert de koude flexibiliteit, elasticiteit en luchtdoorlatendheid.

Rubber degradeert tijdens verwerking, opslag en gebruik door verschillende factoren, wat zich uiterlijk vertoont als verkleuring, kleverigheid, verharding en barstvorming—fenomenen die samen bekend staan als rubbervergaring.

Factoren die bijdragen aan de vergaring van NBR-afdichtingen omvatten interne en externe oorzaken.

3.2 Interne oorzaken

• Moleculaire structuur van NBR:
  NBR bevat onverzadigde dubbele bindingen in de polymeerketen. Bij warmte en mechanische spanning reageren zuurstofmoleculen met deze dubbele bindingen, wat peroxiden vormt die vervolgens in oxidatieve producten decomponeren, wat ketenscheuren en kruisbindingen veroorzaakt. Dit verhoogt de dichtheid van de kruisbindingen, waardoor het rubber harder en brozer wordt. Een hogere inhoud aan dubbele bindingen versnelt de vergaring. Bovendien zijn elektron-donorerende substituenten (bijv., –CH₃) in de moleculaire structuur gemakkelijk te oxideren.

• Effect van rubbercompounding-agenten:
  De keuze van het vulkanisatiesysteem is cruciaal. Een hogere zwavelinhoud verhoogt de concentratie van polysulfide-kruisbindingen, maar versnelt de vergaring.

3.3 Externe oorzaken

• Zuurstof en ozon:
  Zuurstof is een primaire vergaarfactor, die ketenscheuren en herkruisbinding promoot. Ozon is nog reactiever; het vormt ozoniden bij dubbele bindingen, die vervolgens decomponeren en de polymeerketen breken. De afdichting is direct blootgesteld aan de lucht, en sporen van zuurstof en ozon lossen op in de olie, wat de rubbervergaring versnelt.

• Hitte:
  Hitte versnelt oxidatie—meestal verdubbelt een temperatuurstijging van 10°C de oxidatiesnelheid. Het versnelt ook reacties tussen rubber en additieven of zorgt ervoor dat vluchtige componenten verdampen, wat de prestaties degradeert en de levensduur verkort.

• Mechanische vermoeiing:
  Onder constante spanning (compressie, torsie) ondergaat rubber mechanische oxidatie, die door hitte wordt versneld. Met de tijd neemt de elasticiteit af—dit is mechanische vermoeiingsvergaring.

Vergaring van de rubberen afdichting leidt tot afdichtingsfouten, verlies van afdichtingscapaciteit en uiteindelijk olielekking.

3.4 Onvoldoende initiële compressie van de afdichting

Rubberen afdichtingen vertrouwen op compressiedeformatie tijdens de installatie om strak te passen tegen afdichtingsoppervlakken en lekkagepaden te blokkeren. Onvoldoende initiële compressie kan leiden tot lekkages. Dit kan optreden door:

• Ontwerpproblemen: te kleine afdichtingsdoorsnede of te grote groef;

• Installatieproblemen: onjuiste aandraaiing van de deksel (veel relais vertrouwen op handgevoel, waardoor precieze controle moeilijk is).
  Bovendien heeft rubber een koudschrinkcoëfficiënt die tien keer zo groot is als die van metaal. Bij lage temperaturen samentrekt en verhardt de afdichting, waardoor de compressie verder afneemt.

3. Te hoge compressieratio

Hoewel compressie nodig is voor afdichting, is te veel compressie schadelijk. Het kan permanente deformatie tijdens de installatie veroorzaken of hoge von Mises-spanningen genereren, wat materiaalfouten en een kortere levensduur veroorzaakt. Opnieuw resulteert handmatige aandraaiing vaak in overcompressie.

4. Oppervlaktefouten op afdichtingsoppervlakken

Krassen, baardjes, lage oppervlakroughheid of onjuiste bewerkingsstructuren op afdichtingsoppervlakken kunnen lekkagepaden creëren.

5. Temperatuureffecten

Bij hoge temperaturen verzacht en expandeert rubber, wat mogelijk extrusie en breuk van de afdichting kan veroorzaken. Bij lage temperaturen kan samentrekking en verharding ook lekkages veroorzaken.

6. Onjuiste keuze van hardheid

Als de rubberen afdichting te zacht of te hard is, kan deze niet goed afdichten.

7. Ruwe installatie

Onzorgvuldige installatie kan de afdichting beschadigen. Bijvoorbeeld, scherpe randen of baardjes kunnen de O-ring krassen, wat onzichtbare defecten creëert die leiden tot afdichtingsfouten en olielekking.Daarnaast kan het breken van glas ook olielekking veroorzaken.

Oorzaken zijn:
A) Ongelijke spanning tijdens de installatie, verergerd door plotselinge temperatuur- of drukveranderingen;
B) Thermische schok die het glas zelf doet breken. Scheuren vormen lekkagepaden, wat resulteert in olieverlies.

Conclusie

In SF6-elektrische apparatuur dient SF6-gas als het primaire isolatie- en boogdoofmiddel. De dielectrica sterkte en de boogonderbrekingscapaciteit hangen direct af van de gashoogte—een hogere dichtheid betekent meestal betere prestaties. Echter, vanwege productie-, bedrijfs- of onderhoudsproblemen is gaslekken onvermijdelijk. Een daling in de dichtheid leidt tot twee belangrijke risico's: verminderde dielectrica sterkte en verminderde circuitbrekeronderbrekingscapaciteit. Daarom is het monitoren van de SF6-gasdichtheid cruciaal voor veilige en betrouwbare werking. Dit wordt meestal bereikt door middel van SF6-dichtheidsrelais, die twee-fase waarschuwingen—alarm- en vergrendelingsignalen—geven bij een daling in de dichtheid, waardoor tijdige ingrijping mogelijk is.

Dus moeten SF6-dichtheidsrelais ter plaatse betrouwbaar zijn. Op basis van de bovenstaande analyse concluderen we:

• Dichtheidsrelais die olielekking vertonen, moeten onmiddellijk worden gemonitord en vervangen.

• Nieuw geïnstalleerde relais moeten voorkeurlijk olievrije types zijn met superieure trillingbestendigheid of verbeterde gasafgesloten ontwerpen.