Як втрата олії впливає на роботу реле SF6?

1. Обладнання з електропостачанням SF6 та поширена проблема витоку масла у реле густини SF6

Обладнання з електропостачанням SF6 зараз широко використовується в енергетичних компаніях та промислових підприємствах, значно сприяючи розвитку енергетичної галузі. Аркушне ізоляційне середовище в такому обладнанні — гексафторид сірки (SF6), який не повинен витікати. Будь-який витік компрометує надійну та безпечну роботу обладнання, тому важливо контролювати густину газу SF6. Зараз для цього найчастіше використовуються механічні реле густини з вказівником. Ці реле можуть активувати сигнал тривоги та блокування при витоці газу, а також надавати на місці показання густини. Для покращення стійкості до вібрацій ці реле зазвичай заповнюються кремнієвим маслом.

Однак на практиці витік масла з реле густини SF6 є поширеною проблемою. Ця проблема широко поширена — кожне енергетичне управління в країні зіткнулося з нею. Деякі реле починають витікати масло менше ніж через рік після введення в експлуатацію. Коротко кажучи, витік масла у заповнених маслом реле густини є поширеною та довгою проблемою.

2. Небезпеки витоку масла у реле густини

Як відомо, реле густини SF6 зазвичай використовують пружинний тип електричного контакту, підсиленого магнітним допоміжним механізмом для забезпечення надійного замикання контакту. Однак сила контакту (для сигналу тривоги або блокування) залежить в основному від слабкої сили пружини. Навіть з магнітною допомогою, сила залишається дуже малою, що робить контакти вельми чутливими до вібрації. Для покращення стійкості до вібрацій зазвичай заповнюються кремнієвим маслом. Якщо відбувається витік масла, це створює потенційні ризики для безпеки обладнання з електропостачанням SF6.

Небезпека 1: Коли антивібраційне масло повністю витікає, загублюється демпфуючий ефект, що значно зменшує стійкість реле до вібрації. Після сильних механічних ударів під час переключення автоматичних вимикачів, вказівник може застрять, контакти можуть постійно вийти з ладу (або не спрацювати, або залишитися в стані активації), а відхилення вимірювань можуть перевищити допустимі межі.

Небезпека 2: Оскільки контакти реле підсилені магнітно з власне малою силою контакту, довге використання може призвести до окислення поверхонь контактів. Для реле, які повністю втратили масло, магнітно підсилені контакти прямо відкриті для повітря, що робить їх вразливими до окислення або накопичення пилу, що призводить до поганого контакту або повної відмови.

Згідно з звітами: протягом трьох років, коли одна енергетична компанія збільшила тестування реле густини SF6, було перевірено 196 одиниць, і 6 (близько 3%) були знайдені з ненадійною провідністю контактів. Всі ці дефективні реле повністю втратили своє демпфуюче масло. Якщо реле густини має застрялий вказівник, невдалі контакти або ненадійну провідність, це може серйозно пошкодити безпеці мережі. Розгляньте ситуацію, коли автоматичний вимикач SF6 витікає газом і втрачає своє ізоляційне середовище, але реле густини не спрацьовує через застрялий вказівник або невдалі контакти. Якщо вимикач спробує перервати струм короткого замикання, наслідки можуть бути катастрофічними.

Додатково, втекле масло може забруднювати інші компоненти комутаційного пристрою, притягуючи пил і подальше загрожуючи безпечній роботі. Деякі установки використовують пластикові пакети, щоб завернути втекле реле, щоб запобігти розповсюдженню масла та накопиченню пилу. Крім того, сучасні підстанці проектуються без масла, тому витік масла вважається дефектом, який треба виправити.

3. Аналіз первинних причин витоку масла

Основні точки витоку в реле густини — ущільнення між термінальною панеллю та корпусом, скляним віконцем та корпусом, а також тріщини в склі. Розбирання численних втеклих реле дозволило встановити, що основною причиною витоку масла є недолугість ущільнень між термінальною панеллю та корпусом, а також між скляним віконцем та корпусом. Нижче наведені передбачувані причини недолугості ущільнень.

3.1 Старіння гумового ущільнення

На даний момент більшість реле густини використовують нітрільний каучук (NBR) для ущільнювальних O-образних кілець. NBR — це сополімер бутадієну (CH₂=CH–CH=CH₂) і акрилонітрилу (CH₂=CH–CN), отриманий методом емульсійної полімеризації. Це ненасичений карбоновий каучук. Вміст акрилонітрилу значно впливає на властивості NBR: більший вміст покращує стійкість до масла, растворителів і хімічних речовин, збільшує міцність, жорсткість, стійкість до носіння та теплотвердість, але зменшує холодну гнучкість, пружність та проникність повітря.

Каучук старіє під час обробки, зберігання та використання через різні фактори, проявляючи зміну кольору, липкість, жорсткість та тріщини — феномени, що разом називаються старінням каучуку.

Фактори, що сприяють старінню ущільнень NBR, включають внутрішні та зовнішні причини.

3.2 Внутрішні причини

• Молекулярна структура NBR:
  NBR містить ненасичені подвійні зв'язки в своїй полімерній ланцюгу. При нагріванні та механічному напруження кисень реагує на ці подвійні зв'язки, утворюючи пероксиди, які розпадаються на окисні продукти, що призводить до розриву ланцюгу та перехресного зв'язування. Це збільшує густоту перехресного зв'язування, роблячи каучук жорсткішим і більш хрупким. Більший вміст подвійних зв'язків пришвидшує старіння. Додатково, електрондонорні замінники (наприклад, –CH₃) в молекулярній структурі легко окислюються.

• Вплив компонентів для вулканізації каучуку:
  Вибір системи вулканізації є критичним. Більший вміст сірки збільшує концентрацію полисульфідних перехресних зв'язків, але пришвидшує старіння.

3.3 Зовнішні причини

• Кисень та озон:
  Кисень є основним фактором старіння, що сприяє розриву ланцюгу та повторному перехресному зв'язуванню. Озон є ще більш реактивним; він утворює озоніди на подвійних зв'язках, які розпадаються і розривають полімерні ланцюги. Ущільнення безпосередньо відкрите для повітря, і слідкові кількості кисню та озону розчиняються в маслі, пришвидшуючи старіння каучуку.

• Тепло:
  Тепло пришвидшує окислення — зазвичай, підвищення температури на 10°C подвоює швидкість окислення. Воно також пришвидшує реакції між каучуком та додатками або викликає випаровування летких компонентів, що погіршує властивості та скорочує термін служби.

• Механічна втома:
  Під постійним напруженням (компресія, згинання) каучук піддається механічному окисленню, що пришвидшується теплом. З часом пружність зменшується — це механічне втомне старіння.

Старіння гумового ущільнення призводить до його недолугості, втрати здатності до ущільнення та, в кінцевому підсумку, витоку масла.

3.4 Недостатня початкова компресія ущільнення

Гумові ущільнення залежать від деформації при компресії під час встановлення, щоб туго прилягати до поверхонь ущільнення та заблокувати шляхи витоку. Недостатня початкова компресія може призвести до витоку. Це може трапитися через:

• Проблеми дизайну: недостатній переріз ущільнення або надвеликий паз;

• Проблеми встановлення: неправильне затягування кришки (більшість реле залежать від відчуття рук, що робить точний контроль складним).
  Додатково, каучук має коефіцієнт холодного стягування, який понад десять разів більший, ніж метал. При низьких температурах ущільнення стягується та твердіє, що ще більше зменшує компресію.

3. Надмірна ступінь компресії

Хоча компресія необхідна для ущільнення, надмірна компресія є шкідливою. Це може призвести до постійної деформації під час встановлення або створення великої вон Мізеса, що призводить до відмови матеріалу та скорочення строку служби. Знову ж таки, ручне затягування часто призводить до надмірної компресії.

4. Поверхневі дефекти на поверхнях ущільнення

Подряпини, заусенці, низька шорсткість поверхні або неправильна текстура обробки поверхонь ущільнення можуть створювати шляхи витоку.

5. Вплив температури

При високих температурах каучук м'якшає та розширюється, що може призвести до витікання через розрив ущільнення. При низьких температурах стягування та твердіння також можуть призводити до витоку.

6. Неправильний вибір твердості

Якщо гумове ущільнення занадто м'яке або занадто тверде, воно може не здати правильно ущільнити.

7. Неакуратне встановлення

Неакуратне встановлення може пошкодити ущільнення. Наприклад, гострі краї або заусенці можуть подряпати O-образне кільце, створюючи невидимі дефекти, що призводять до недолугості ущільнення та витоку масла.Додатково, тріщини в склі також можуть призводити до витоку масла.

Причини включають:
A) Нерівномірний напруження під час встановлення, що посилюється різкими змінами температури або тиску;
B) Термічний шок, що призводить до тріщин у склі. Тріщини створюють шляхи витоку, що призводить до втрати масла.

Висновок

У обладнанні з електропостачанням SF6 гексафторид сірки (SF6) є основним ізоляційним та аркушним середовищем. Його диелектрична міцність та здатність переривати струм прямо залежать від густини газу — більша густина зазвичай означає кращу продуктивність. Однак, через виробництво, експлуатацію або обслуговування, витік газу неминучий. Спад густини призводить до двох основних ризиків: зменшення диелектричної міцності та зниження здатності автоматичного вимикача переривати струм. Тому контроль густини газу SF6 є ключовим для безпечного та надійного функціонування. Це зазвичай досягається за допомогою реле густини SF6, які надають двоступінчаті попередження — сигнал тривоги та блокування, коли густина зменшується, що дозволяє вчасну інтервенцію.

Отже, реле густини SF6 на місці мають бути надійними. На основі вищевказаного аналізу, ми висновуємо:

• Реле густини, які демонструють витік масла, повинні бути оперативно моніторовані та замінені.

• Нові встановлені реле повинні бути, по можливості, безмасляними типами з відмінною стійкістю до вібрації або покращеними газонімкими конструкціями.