Jak utrata oleju wpływa na wydajność przekaźnika SF6

1. Urządzenia elektryczne SF6 i powszechne problemy z wyciekiem oleju w releach gęstości SF6

Urządzenia elektryczne SF6 są obecnie szeroko stosowane w przemyśle energetycznym i przedsiębiorstwach przemysłowych, znacząco wspomagając rozwój sektora energetycznego. Środkiem gaszącym łuki i izolującym w takich urządzeniach jest gaz szesnastokrotny fluorowęglan (SF6), który nie może przeciekać. Jakiekolwiek przecieki kompromitują niezawodne i bezpieczne działanie urządzeń, co czyni monitorowanie gęstości gazu SF6 kluczowym. Obecnie do tego celu powszechnie stosowane są mechaniczne wskaźnikowe relaje gęstości. Te relaje mogą wywoływać sygnały alarmowe i blokady w przypadku przecieku gazu oraz zapewniają lokalną wskazówkę gęstości. Aby zwiększyć odporność na wibracje, te relaje są zwykle wypełniane olejem silikonowym.

Jednak w praktyce, przecieki oleju z relajów gęstości SF6 to powszechny problem. Ten problem jest szeroko rozpowszechniony – każda jednostka zaopatrzenia energią w kraju natknęła się na niego. Niektóre relaje zaczynają przeciekać już po mniej niż roku użytkowania. Krótko mówiąc, przecieki oleju w wypełnionych olejem relajach gęstości to powszechny i utrzymujący się problem.

2. Zagrożenia związane z przeciekami oleju w relajach gęstości

Jak wiadomo, relaje gęstości SF6 zwykle używają sprężynowego kontaktu elektrycznego, wzmacnianego mechanizmem magnetycznym, aby zapewnić niezawodne zamknięcie kontaktu. Jednak siła nacisku (dla alarmu lub blokady) opiera się głównie na słabej sile sprężyny. Nawet przy pomocy magnetycznej, siła pozostaje bardzo mała, co sprawia, że kontakty są bardzo wrażliwe na wibracje. Aby poprawić odporność na wibracje, relaje są zwykle wypełniane olejem silikonowym. Jeśli wystąpi przeciek oleju, stanowi to potencjalne zagrożenia dla bezpieczeństwa urządzeń elektrycznych SF6.

Zagrożenie 1: Gdy olej antywibracyjny całkowicie wycieka, efekt tłumienia jest utracony, co drastycznie zmniejsza odporność relaju na wibracje. Po silnych uderzeniach mechanicznych podczas operacji przełączania przekaźników, wskazówka może ulec zablokowaniu, kontakty mogą stać się trwale uszkodzone (albo nie działają, albo pozostają aktywne), a odchylenia pomiarowe mogą przekroczyć dopuszczalne granice.

Zagrożenie 2: Ponieważ kontakty relaju są wzmacniane magnetycznie z naturalnie niską siłą nacisku, długotrwałe narażenie może prowadzić do oksydacji powierzchni kontaktów. W przypadku relajów, które straciły cały olej, magnetycznie wspomagane kontakty są bezpośrednio narażone na powietrze, co sprawia, że są podatne na oksydację lub nagromadzenie pyłu, prowadząc do słabego kontaktu lub kompletnego uszkodzenia.

Według raportów: W ciągu trzech lat, podczas których jedna jednostka intensyfikowała testowanie relajów gęstości SF6, zostało sprawdzone 196 jednostek, a 6 (około 3%) miało niezawodne przewodzenie kontaktów. Wszystkie te uszkodzone relaje straciły cały olej tłumiący. Jeśli relaj gęstości ma zablokowaną wskazówkę, uszkodzone kontakty lub niezawodne przewodzenie, może to poważnie naruszyć bezpieczeństwo sieci. Rozważmy scenariusz, w którym przekaźnik SF6 przecieka gazu i traci medium izolujące, ale relaj gęstości nie wywołuje alarmu z powodu zablokowanej wskazówki lub uszkodzonych kontaktów. Jeśli przekaźnik próbuje przerwać bieżący prąd awaryjny, konsekwencje mogą być katastrofalne.

Dodatkowo, wyciekający olej może zanieczyszczać inne elementy przełącznika, przyciągając kurz i dalsze zagrożenie bezpiecznym działaniem. Niektóre jednostki zwracają się do owijania przeciekającego relaju w plastikowe worki, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się oleju i nagromadzeniu kurzu. Ponadto, nowoczesne stacje transformatorowe są zaprojektowane jako wolne od oleju; dlatego przeciek oleju jest uważany za defekt, który musi zostać naprawiony.

3. Analiza przyczyn przecieków oleju

Główne punkty przecieków w relajach gęstości to uszczelki między blokiem terminalnym a korpusem, między oknem szybowym a korpusem, oraz pęknięcia w samym szkle. Przez rozmontowanie wielu przeciekających relajów ustaliliśmy, że główną przyczyną przecieków oleju jest uszkodzenie uszczelki między blokiem terminalnym a korpusem oraz między szybą a korpusem. Poniżej przedstawiamy wstępnie zidentyfikowane przyczyny uszkodzenia uszczelki.

3.1 Starzenie się uszczelki gumowej

Obecnie większość relajów gęstości używa kauczuku nitrilowego (NBR) do uszczelki O-ring. NBR to kopolimer butadienu (CH₂=CH–CH=CH₂) i acrylonitrylu (CH₂=CH–CN), produkowany przez polimeryzację emulsyjną. Jest to kauczuk z nienasyconymi łańcuchami węglowymi. Zawartość acrylonitrylu znacząco wpływa na właściwości NBR: wyższa zawartość poprawia odporność na oleje, rozpuszczalniki i chemiczne środki, zwiększa wytrzymałość, twardość, odporność na zużycie i ciepło, ale zmniejsza elastyczność, elastyczność i przepuszczalność powietrza.

Kauczuk degraduje się podczas obróbki, przechowywania i użytkowania z powodu różnych czynników, wykazując zmiany koloru, lepkość, twardość i pękanie – zjawiska zbiorczo znane jako starzenie się kauczuku.

Czynniki wpływające na starzenie się uszczelki NBR obejmują przyczyny wewnętrzne i zewnętrzne.

3.2 Przyczyny wewnętrzne

• Struktura molekularna NBR:
  NBR zawiera nienasycone wiązania podwójne w swojej łańcuchowej strukturze polimerowej. W warunkach wysokiej temperatury i naprężeń mechanicznych, tlen reaguje z tymi wiązaniami podwójnymi, tworząc peroksydy, które rozkładają się na produkty utleniania, powodując rozpad łańcucha i przekształcenie. To zwiększa gęstość przekształceń, czyniąc kauczuk twardszym i bardziej kruchym. Wyższa zawartość wiązań podwójnych przyspiesza starzenie. Dodatkowo, substytuenty oddające elektrony (np. –CH₃) w strukturze molekularnej są łatwo utleniane.

• Wpływ dodatków do kauczuku:
  Wybór systemu wulkanizacji jest kluczowy. Wyższa zawartość siarki zwiększa koncentrację przekształceń polisulfidowych, ale przyspiesza starzenie.

3.3 Przyczyny zewnętrzne

• Tlen i ozon:
  Tlen jest głównym czynnikiem starzenia, promując rozpad łańcucha i ponowne przekształcanie. Ozon jest jeszcze bardziej reaktywny; tworzy ozonidy w wiązaniach podwójnych, które rozkładają się i rozrywają łańcuchy polimerowe. Uszczelka jest bezpośrednio narażona na powietrze, a śladowe ilości tlenu i ozonu rozpuszczają się w oleju, przyspieszając starzenie kauczuku.

• Ciepło:
  Ciepło przyspiesza utlenianie – zazwyczaj, 10°C wzrost temperatury podwaja tempo utleniania. Przyspiesza również reakcje między kauczukiem a dodatkami lub powoduje ewaporację składników lotnych, degradując wydajność i skracając czas użytkowania.

• Zmęczenie mechaniczne:
  Pod stałym naprężeniem (skrócenie, skręcanie), kauczuk ulega mechanicznemu utlenianiu, przyspieszanemu przez ciepło. Z czasem elastyczność maleje – to jest zmęczenie mechaniczne.

Starzenie się uszczelki kauczukowej prowadzi do jej uszkodzenia, utraty zdolności szczelnienia i ostatecznie do przecieku oleju.

3.4 Niewystarczająca początkowa kompresja uszczelki

Uszczelki kauczukowe polegają na deformacji kompresji podczas montażu, aby ściśle przylegać do powierzchni szczelnych i blokować ścieżki przecieku. Niewystarczająca początkowa kompresja może prowadzić do przecieków. Może to nastąpić z powodu:

• Problemów projektowych: zbyt mały przekrój uszczelki lub zbyt duża rylcza;

• Problemów montażowych: nieprawidłowego zacieśnienia pokrywy (większość relajów polega na manualnym uczuciu, co utrudnia dokładną kontrolę).
  Dodatkowo, kauczuk ma współczynnik skurczu na zimno ponad dziesięć razy większy niż metal. W niskich temperaturach uszczelka skurcza się i twardnieje, co dalsze redukuje kompresję.

3. Nadmierna kompresja

Chociaż kompresja jest niezbędna do szczelienia, nadmierna kompresja jest szkodliwa. Może spowodować stałe deformacje podczas montażu lub generować wysokie naprężenia von Misesa, prowadząc do uszkodzenia materiału i skrócenia czasu użytkowania. Ponownie, ręczne zacieśnianie często prowadzi do nadmiernego ucisku.

4. Defekty powierzchniowe na powierzchniach szczelnych

Rysy, ostre krawędzie, niska chropowatość powierzchni lub nieprawidłowe tekstury obróbki na powierzchniach szczelnych mogą tworzyć ścieżki przecieku.

5. Efekty temperatury

W wysokich temperaturach kauczuk mięknie i rozszerza się, co może prowadzić do ekstrudowania i zerwania uszczelki. W niskich temperaturach skurcz i twardnienie mogą również prowadzić do przecieków.

6. Nieprawidłowy wybór twardości

Jeśli uszczelka kauczukowa jest zbyt miękka lub zbyt twarda, może nie szczelnic prawidłowo.

7. Niezdarny montaż

Nieostrożny montaż może uszkodzić uszczelkę. Na przykład, ostre krawędzie lub ostre końcówki mogą drapać O-ring, tworząc niewidoczne defekty, które prowadzą do uszkodzenia uszczelki i przecieku oleju.Dodatkowo, pękanie szkła może również prowadzić do przecieku oleju.

Przyczyny obejmują:
A) Nierównomierny naprężenie podczas montażu, nasilone nagłymi zmianami temperatury lub ciśnienia;
B) Szok termiczny powodujący pękanie samego szkła. Pęknięcia tworzą ścieżki przecieku, prowadząc do utraty oleju.

Podsumowanie

W urządzeniach elektrycznych SF6, gaz SF6 pełni funkcję głównego środka izolacyjnego i gaszącego łuki. Jego dielektryczna wytrzymałość i zdolność do przerwania łuku zależą bezpośrednio od gęstości gazu – wyższa gęstość ogólnie oznacza lepsze wydajności. Jednak ze względu na problemy związane z produkcją, eksploatacją lub konserwacją, przecieki gazu są nieuniknione. Spadek gęstości prowadzi do dwóch głównych ryzyk: obniżenie dielektrycznej wytrzymałości i zmniejszenie zdolności przerwania przekaźnika. Dlatego monitorowanie gęstości gazu SF6 jest kluczowe dla bezpiecznej i niezawodnej eksploatacji. Jest to zwykle osiągane za pomocą relajów gęstości SF6, które dostarczają dwuetapowe ostrzeżenia – sygnały alarmowe i blokady – gdy gęstość spada, umożliwiając interwencję w odpowiednim czasie.

Dlatego relaje gęstości SF6 na miejscu muszą być niezawodne. Na podstawie powyższej analizy wnioskujemy:

• Relaje gęstości, które przeciekają olejem, muszą być szybko monitorowane i wymienione.

• Nowo instalowane relaje powinny być preferowane bez oleju, z lepszą odpornością na wibracje lub poprawionymi projektami szczelnych gazów.