Como a Perda de Óleo Afeta o Desempenho do Relé SF6?

1. Equipamentos Elétricos SF6 e o Problema Comum de Vazamento de Óleo nos Relés de Densidade SF6

Os equipamentos elétricos SF6 são agora amplamente utilizados em empresas de energia e indústrias, avançando significativamente o desenvolvimento do setor de energia. O meio de extinção de arco e isolamento nesses equipamentos é o gás hexafluoreto de enxofre (SF6), que não deve vazar. Qualquer vazamento compromete a operação confiável e segura do equipamento, tornando essencial monitorar a densidade do gás SF6. Atualmente, relés de densidade com ponteiro mecânico são comumente usados para esse fim. Esses relés podem acionar sinais de alarme e bloqueio quando ocorre um vazamento de gás e também fornecem indicação de densidade no local. Para melhorar a resistência à vibração, esses relés são geralmente preenchidos com óleo de silicone.

No entanto, na prática, o vazamento de óleo dos relés de densidade SF6 é um problema comum. Este problema é generalizado—todas as autoridades de fornecimento de energia do país já o enfrentaram. Alguns relés desenvolvem vazamentos de óleo em menos de um ano de operação. Em resumo, o vazamento de óleo em relés de densidade preenchidos com óleo é um problema prevalente e persistente.

2. Riscos do Vazamento de Óleo nos Relés de Densidade

Como é bem sabido, os relés de densidade SF6 geralmente usam contatos elétricos de mola, reforçados com um mecanismo de assistência magnética para garantir o fechamento confiável dos contatos. No entanto, a força de contato (para alarme ou bloqueio) depende principalmente da fraca força da mola. Mesmo com a assistência magnética, a força permanece muito pequena, tornando os contatos altamente sensíveis à vibração. Para melhorar a resistência à vibração, o óleo de silicone é geralmente preenchido no relé. Se ocorrer um vazamento de óleo, isso pode representar riscos potenciais de segurança para o equipamento elétrico SF6.

Risco 1: Uma vez que o óleo antivibração vaza completamente, o efeito de amortecimento é perdido, reduzindo drasticamente a resistência à vibração do relé. Após choques mecânicos fortes durante as operações de comutação do disjuntor, o ponteiro pode ficar preso, os contatos podem falhar permanentemente (não atuando ou permanecendo atuados) ou as variações de medição podem exceder limites aceitáveis.

Risco 2: Como os contatos do relé são assistidos magneticamente com uma força de contato inerentemente baixa, a exposição prolongada pode levar à oxidação das superfícies de contato. Para relés que perderam todo o óleo, os contatos assistidos magneticamente estão expostos diretamente ao ar, tornando-os propensos à oxidação ou acumulação de poeira, resultando em contato ruim ou falha total.

De acordo com relatórios: Durante um período de três anos em que uma empresa intensificou os testes de relés de densidade SF6, 196 unidades foram inspecionadas, e 6 (cerca de 3%) foram encontradas com condutividade de contato não confiável. Todos esses relés defeituosos haviam perdido completamente seu óleo de amortecimento. Se um relé de densidade sofrer de ponteiro travado, contatos falhados ou condutividade não confiável, isso pode comprometer seriamente a segurança da rede. Considere o cenário em que um disjuntor SF6 vaza gás e perde seu meio de isolamento, mas o relé de densidade falha em acionar o alarme devido a um ponteiro travado ou contato falho. Se o disjuntor então tentar interromper uma corrente de falha, as consequências poderiam ser catastróficas.

Além disso, o óleo vazado pode contaminar outros componentes do quadro de distribuição, atraindo poeira e ainda mais prejudicando a operação segura. Algumas unidades recorrem a embrulhar o relé vazante em sacos plásticos para evitar que o óleo se espalhe e cause acúmulo de poeira. Além disso, as subestações modernas são projetadas para serem livres de óleo; portanto, o vazamento de óleo é considerado um defeito que deve ser corrigido.

3. Análise da Causa Raiz do Vazamento de Óleo

Os principais pontos de vazamento nos relés de densidade são os selos entre o bloco terminal e a caixa, a janela de vidro e a caixa, e rachaduras no próprio vidro. Através da desmontagem de numerosos relés vazantes, determinamos que a principal causa do vazamento de óleo é a falha do selo nas interfaces entre o bloco terminal e a caixa e entre o vidro e a caixa. As seguintes são as razões preliminarmente identificadas para a falha do selo.

3.1 Envelhecimento do Selo de Borracha

Atualmente, a maioria dos relés de densidade usa borracha nitrílica (NBR) para os anéis O de vedação de óleo. NBR é um copolímero de butadieno (CH₂=CH–CH=CH₂) e acrilonitrila (CH₂=CH–CN), produzido por polimerização em emulsão. É uma borracha de cadeia carbonada insaturada. O teor de acrilonitrila afeta significativamente as propriedades da NBR: maior teor melhora a resistência a óleos, solventes e produtos químicos, aumenta a resistência, dureza, resistência ao desgaste e à temperatura, mas reduz a flexibilidade a frio, elasticidade e permeabilidade ao ar.

A borracha degrada-se durante o processamento, armazenamento e uso devido a diversos fatores, exibindo descoloração, aderência, endurecimento e rachaduras—fenômenos coletivamente conhecidos como envelhecimento da borracha.

Os fatores que contribuem para o envelhecimento do selo NBR incluem causas internas e externas.

3.2 Causas Internas

• Estrutura Molecular da NBR:
  A NBR contém ligações duplas insaturadas em sua cadeia polimérica. Sob calor e estresse mecânico, o oxigênio reage nessas ligações duplas, formando peróxidos que se decompõem em produtos oxidativos, causando cisalhamento e ligação cruzada. Isso aumenta a densidade de ligação cruzada, tornando a borracha mais dura e frágil. Maior conteúdo de ligações duplas acelera o envelhecimento. Além disso, substituintes doadores de elétrons (por exemplo, –CH₃) na estrutura molecular são facilmente oxidados.

• Efeito dos Agentes de Composição da Borracha:
  A escolha do sistema de vulcanização é crucial. Maior teor de enxofre aumenta a concentração de ligações cruzadas de polissulfetos, mas acelera o envelhecimento.

3.3 Causas Externas

• Oxigênio e Ozônio:
  O oxigênio é um fator de envelhecimento primário, promovendo o cisalhamento da cadeia e re-ligação cruzada. O ozônio é ainda mais reativo; forma ozonídeos nas ligações duplas, que se decompõem e quebram as cadeias poliméricas. O selo está exposto diretamente ao ar, e traços de oxigênio e ozônio dissolvem-se no óleo, acelerando o envelhecimento da borracha.

• Calor:
  O calor acelera a oxidação—geralmente, um aumento de 10°C duplica a taxa de oxidação. Também acelera as reações entre a borracha e os aditivos ou causa a evaporação de componentes voláteis, degradando o desempenho e encurtando a vida útil.

• Fadiga Mecânica:
  Sob estresse constante (compressão, torção), a borracha sofre oxidação mecânica, acelerada pelo calor. Com o tempo, a elasticidade diminui—isto é, fadiga mecânica do envelhecimento.

O envelhecimento do selo de borracha leva à falha do selo, perda da capacidade de vedação e, finalmente, ao vazamento de óleo.

3.4 Compressão Inicial Insuficiente do Selo

Os selos de borracha dependem da deformação por compressão durante a instalação para ajustar-se firmemente às superfícies de vedação e bloquear caminhos de vazamento. Compressão inicial insuficiente pode levar a vazamentos. Isso pode ocorrer devido a:

• Problemas de design: seção transversal do selo subdimensionada ou ranhura sobredimensionada;

• Problemas de instalação: aperto inadequado da tampa (a maioria dos relés depende da sensação manual, tornando o controle preciso difícil).
  Além disso, a borracha tem um coeficiente de contração a frio mais de dez vezes maior que o do metal. Em temperaturas baixas, o selo encolhe e endurece, reduzindo ainda mais a compressão.

3. Taxa de Compressão Excessiva

Embora a compressão seja necessária para a vedação, a compressão excessiva é prejudicial. Pode causar deformação permanente durante a instalação ou gerar tensão de von Mises elevada, levando à falha do material e redução da vida útil. Novamente, o aperto manual frequentemente resulta em supercompressão.

4. Defeitos de Superfície nas Superfícies de Vedação

Riscos, aranhões, baixa rugosidade superficial ou texturas de usinagem inadequadas nas superfícies de vedação podem criar caminhos de vazamento.

5. Efeitos da Temperatura

Em temperaturas elevadas, a borracha amolece e expande, podendo extrudir e quebrar o selo. Em temperaturas baixas, a contração e o endurecimento também podem causar vazamentos.

6. Seleção Inadequada de Dureza

Se o selo de borracha for muito macio ou muito duro, pode não vedar adequadamente.

7. Instalação Brusca

A instalação descuidada pode danificar o selo. Por exemplo, bordas afiadas ou aranhões podem riscar o anel O, criando defeitos invisíveis que levam à falha do selo e ao vazamento de óleo.Além disso, a fissura do vidro também pode causar vazamento de óleo.

As causas incluem:
A) Estresse desigual durante a instalação, exacerbado por mudanças súbitas de temperatura ou pressão;
B) Choque térmico causando a fissura do próprio vidro. As fissuras formam caminhos de vazamento, resultando na perda de óleo.

Conclusão

Nos equipamentos elétricos SF6, o gás SF6 serve como o principal meio de isolamento e extinção de arco. Sua resistência dielétrica e capacidade de interrupção de arco dependem diretamente da densidade do gás—maior densidade geralmente significa melhor desempenho. No entanto, devido a problemas de fabricação, operação ou manutenção, o vazamento de gás é inevitável. Uma queda na densidade leva a dois riscos principais: redução da resistência dielétrica e diminuição da capacidade de interrupção do disjuntor. Portanto, o monitoramento da densidade do gás SF6 é crucial para a operação segura e confiável. Isso é geralmente alcançado usando relés de densidade SF6, que fornecem duas etapas de alerta—sinais de alarme e bloqueio—quando a densidade cai, permitindo intervenção oportuna.

Portanto, os relés de densidade SF6 no local devem ser confiáveis. Com base na análise acima, concluímos:

• Relés de densidade que apresentam vazamento de óleo devem ser monitorados e substituídos prontamente.

• Relés recém-instalados devem preferencialmente ser do tipo sem óleo, com resistência superior à vibração ou designs aprimorados de vedação de gás.