Hur påverkar oljeförlust SF6-reläets prestanda?

1. SF6-elektrisk utrustning och det vanliga problemet med oljeläckage i SF6-täthetsreläer

SF6-elektrisk utrustning används nu omfattande inom energiföretag och industri, vilket har bidragit betydligt till utvecklingen av energisektorn. Bågutsläcknings- och isoleringsmediet i denna utrustning är svavexahalid (SF6) gas, som inte får läcka. Alla läckor påverkar den tillförlitliga och säkra drift av utrustningen, vilket gör det nödvändigt att övervaka tätheten av SF6-gas. För närvarande används mekaniska pekare av typen täthetsrelä för detta ändamål. Dessa reläer kan utlösa larm- och låssignaler vid gasläckage samt ge täthetsindikation på plats. För att öka motståndskraften mot vibration fylls dessa reläer vanligtvis med silikonolja.

I praktiken är oljeläckage från SF6-gastäthetsreläer ett vanligt problem. Detta problem är utspritt—alla elnätsbyråer i landet har stött på det. Vissa reläer utvecklar oljeläckage inom mindre än ett år efter driftinrättning. Med andra ord är oljeläckage i oljeutfyllda täthetsreläer ett allmänt och bestående problem.

2. Risker med oljeläckage i täthetsreläer

Som är väl känt använder SF6-täthetsreläer vanligtvis en fjäderbaserad elektrisk kontakt, förstärkt med en magnetisk hjälpmekanism för att säkerställa pålitlig kontaktstängning. Dock beror kontaktkraften (för larm eller lås) huvudsakligen på den svaga kraften i fjädern. Även med magnetisk hjälp är kraften mycket liten, vilket gör kontakterna mycket känsliga för vibration. För att förbättra motståndskraften mot vibration fylls silikonolja vanligtvis in i reläet. Om oljeläckage inträffar, innebär det potentiella säkerhetsrisker för SF6-elektrisk utrustning.

Risk 1: När anti-vibrationsoljan helt läcker ut, förloras dempningen, vilket drastiskt minskar reläets motståndskraft mot vibration. Efter starka mekaniska skakningar under brytarväxling kan pekaren bli fast, kontakterna kan permanent sluta fungera (antingen inte aktiveras eller förbli aktiverade), eller mätavvikelsen kan överstiga acceptabla gränser.

Risk 2: Eftersom reläkontakterna är magnetiskt förstärkta med innehållande låg kontaktkraft, kan långvarig exponering leda till oxidation av kontaktytorna. För reläer som har tappat all olja, är de magnetiskt förstärkta kontakterna direkt exponerade för luft, vilket gör dem benägna för oxidation eller dammackumulering, vilket resulterar i dålig kontakt eller fullständigt misslyckande.

Enligt rapporter: Under en treårsperiod där en elnätsbyrå intensifierade sina tester av SF6-täthetsreläer, undersöktes 196 enheter, och 6 (ungefär 3%) visade sig ha otillförlitlig kontaktledning. Alla dessa felaktiga reläer hade helt tappat sin dempningsolja. Om ett täthetsrelä lider av en fast pekare, felaktiga kontakter eller otillförlitlig ledning, kan det allvarligt kompromettera nätets säkerhet. Tänk på scenariot där en SF6-brytare läcker gas och tappar sitt isoleringsmedium, men täthetsreläet misslyckas med att utlösa ett larm pga en fast pekare eller felaktig kontakt. Om brytaren sedan försöker avbryta en felström, kan konsekvenserna vara katastrofala.

Dessutom kan läckt olja kontaminera andra komponenter i spännbrytaren, locka damm och ytterligare hota säker drift. Vissa enheter använder sig av att omsluta det läckande reläet i plastpåsar för att förhindra att oljan sprider sig och orsakar dammackumulering. Dessutom är moderna transformatorstationer designade för att vara oljefria; därför anses oljeläckage vara ett defekt som måste rättas till.

3. Rotorsaksanalys av oljeläckage

De huvudsakliga läckpunkterna i täthetsreläer är tättningarna mellan terminalblocket och kabinettet, glasfönstret och kabinettet, samt sprickor i glaset självt. Genom att demontera flera läckande reläer har vi fastställt att den huvudsakliga orsaken till oljeläckage är tättningens misslyckande vid terminalblock-kabinett- och glas-kabinettgränssnitten. Följande är de preliminärt identifierade orsakerna till tättningens misslyckande.

3.1 Åldrande av gummitättning

För närvarande använder de flesta täthetsreläer nitrilbutadienrubber (NBR) för oljetätande O-ringar. NBR är en kopolymär av butadien (CH₂=CH–CH=CH₂) och akrylnitril (CH₂=CH–CN), producerad via emulsionspolymerisering. Det är en ouppfylld kolkedjerubber. Akrylnitrilinnehållet påverkar signifikant NBR-egenskaper: högre innehåll förbättrar olje-, lösningsmedels- och kemiskt motstånd, ökar styrka, hårdhet, nötningstålighet och värmebeständighet, men minskar kallflexibilitet, elasticitet och luftgenomsläppighet.

Gummi åldras under bearbetning, lagring och användning på grund av olika faktorer, vilket leder till färgförändring, kladdighet, hårdhet och sprickor—fenomen som kallas gummis åldrande.

Faktorer som bidrar till NBR-tättningens åldrande inkluderar interna och externa orsaker.

3.2 Interna orsaker

• Molekylär struktur av NBR:
  NBR innehåller ouppfyllda dubbla bindningar i sin polymerkedja. Under värme och mekanisk stress reagerar syre vid dessa dubbla bindningar, bildar peroxider som dekomponeras till oxidativa produkter, vilket orsakar kedjeskissning och korsbindning. Detta ökar korsbindningsdensiteten, vilket gör gummiet hårdare och mer spröd. Högre innehåll av dubbla bindningar accelererar åldrandet. Dessutom är elektronbidragande substituenter (t.ex., –CH₃) i molekylär struktur lätt oxidiserade.

• Påverkan av gummikompundering:
  Val av vulkaniseringsystem är avgörande. Högre svavelhalt ökar poly-sulfidkorsbindningskoncentrationen men accelererar åldrandet.

3.3 Externa orsaker

• Syre och ozon:
  Syre är en primär åldrandesfaktor, som främjar kedjeskissning och omkorsbindning. Ozon är ännu mer reaktivt; det bildar ozonider vid dubbla bindningar, vilka dekomponeras och bryter polymerkedjor. Tättningen är direkt exponerad för luft, och spår av syre och ozon löser sig i oljan, vilket accelererar gummis åldrande.

• Värme:
  Värme accelererar oxidation—vanligtvis dubblar en temperaturökning på 10°C oxidationshastigheten. Det accelererar också reaktioner mellan gummier och tillsatser eller orsakar att flyktiga komponenter avdunstar, vilket förvärrar prestandan och förkortar livslängden.

• Mekanisk trötthet:
  Under konstant stress (kompression, torsion) genomgår gummier mekanisk oxidation, accelererad av värme. Med tiden minskar elasticiteten—detta kallas mekanisk trötthetsåldrande.

Åldrandet av gummis tättning leder till tättningens misslyckande, förlust av tätningseffektivitet och slutligen oljeläckage.

3.4 Otillräcklig initial kompression av tättningen

Gummis tättningar beror på kompressionsdeformation under installation för att passa tätt mot tättningssurfaces och blockera läckvägar. Otillräcklig initial kompression kan leda till läckage. Detta kan inträffa på grund av:

• Designproblem: för liten tättningssnitt eller för stort grov;

• Installationsproblem: felaktigt åtdragning av locket (de flesta reläerna beror på manuell känsla, vilket gör exakt kontroll svårt).
  Även gummier har en kallförminskningskoefficient över tio gånger så stor som metall. Vid låga temperaturer förminskar tättningen och hårdnar, vilket ytterligare minskar kompressionen.

3. Överdriven kompressionsgrad

Även om kompression är nödvändig för tätning, är överdriven kompression skadlig. Det kan orsaka permanent deformation under installation eller generera hög von Mises-stress, vilket leder till materialmisslyckande och förkortad livslängd. Igen, manuellt åtdragning ofta resulterar i överkompression.

4. Ytdefekter på tättningssurfaces

Skrapningar, splittor, låg ytoroughness eller felaktig maskinbearbetningstexturer på tättningssurfaces kan skapa läckvägar.

5. Temperaturpåverkan

Vid höga temperaturer mjuknar gummiet och expanderar, vilket potentiellt kan extrudera och bryta tättningen. Vid låga temperaturer kan förminskning och hårdning också orsaka läckage.

6. Felaktigt hårdhetsval

Om gummis tättning är för mjuk eller för hård, kan den misslyckas med att tätas korrekt.

7. Omsorgslös installation

Omsorgslös installation kan skada tättningen. Till exempel kan skarpa kanter eller splittor skrapa O-ringen, vilket skapar osynliga defekter som leder till tättningens misslyckande och oljeläckage.Dessutom kan glaskravning också orsaka oljeläckage.

Orsaker inkluderar:
A) Ojämn stress under installation, förvärrad av plötsliga temperatur- eller tryckförändringar;
B) Termisk chock som orsakar att glaset självt spricker. Sprickor skapar läckvägar, vilket resulterar i oljeförlust.

Slutsats

I SF6-elektrisk utrustning tjänar SF6-gas som det primära isolerings- och bågutsläckningsmediet. Dess dielektriska styrka och brytningskapacitet beror direkt på gasdensitet—högre densitet betyder vanligtvis bättre prestanda. Men på grund av tillverknings-, drift- eller underhållsproblem är gasläckage oundvikligt. En minskning i densitet leder till två huvudsakliga risker: minskad dielektrisk styrka och minskad brytningskapacitet. Därför är övervakning av SF6-gastäthet viktig för säker och pålitlig drift. Detta uppnås vanligtvis genom att använda SF6-täthetsreläer, som ger tvåstegsvarningar—larm- och låssignaler—när tätheten minskar, vilket möjliggör tidig ingripande.

Därför måste på-plats SF6-täthetsreläer vara pålitliga. Baserat på ovanstående analys kommer vi fram till följande slutsatser:

• Täthetsreläer som visar oljeläckage måste snabbt övervakas och bytas ut.

• Nyinstallerade reläer bör helst vara oljefria typer med förbättrad motståndskraft mot vibration eller förbättrade gastätade design.