1. Thiết bị điện SF6 và vấn đề phổ biến về rò rỉ dầu trong rơ le mật độ SF6
Thiết bị điện SF6 hiện được sử dụng rộng rãi trong các công ty điện lực và doanh nghiệp công nghiệp, góp phần đáng kể vào sự phát triển của ngành điện. Chất khí dập hồ quang và cách điện trong các thiết bị này là khí lưu huỳnh hexafluoride (SF6), không được phép rò rỉ. Bất kỳ rò rỉ nào cũng làm giảm khả năng hoạt động an toàn và tin cậy của thiết bị, do đó việc theo dõi mật độ khí SF6 là rất cần thiết. Hiện nay, rơ le mật độ dạng kim cơ khí thường được sử dụng cho mục đích này. Các rơ le này có thể kích hoạt tín hiệu báo động và khóa khi có rò rỉ khí và cũng cung cấp chỉ báo mật độ tại chỗ. Để tăng cường khả năng chống rung, các rơ le này thường được điền đầy bằng dầu silicone.
Tuy nhiên, trên thực tế, rò rỉ dầu từ rơ le mật độ SF6 là một vấn đề phổ biến. Vấn đề này diễn ra rộng rãi—mỗi cục cung cấp điện trên cả nước đều đã gặp phải. Một số rơ le phát sinh rò rỉ dầu sau chưa đầy một năm hoạt động. Nói cách khác, rò rỉ dầu trong rơ le mật độ điền dầu là một vấn đề phổ biến và dai dẳng.
2. Nguy hiểm của rò rỉ dầu trong rơ le mật độ
Như mọi người đều biết, rơ le mật độ SF6 thường sử dụng tiếp điểm điện kiểu lò xo, được tăng cường bởi cơ chế hỗ trợ từ để đảm bảo tiếp xúc đóng cửa tin cậy. Tuy nhiên, lực tiếp xúc (cho báo động hoặc khóa) chủ yếu dựa vào lực yếu của lò xo. Ngay cả với sự hỗ trợ từ, lực vẫn rất nhỏ, khiến các tiếp điểm rất nhạy cảm với rung động. Để cải thiện khả năng chống rung, dầu silicone thường được điền vào rơ le. Nếu có rò rỉ dầu, điều này tạo ra nguy cơ an toàn tiềm tàng cho thiết bị điện SF6.
Nguy hiểm 1: Khi dầu chống rung hoàn toàn rò rỉ, hiệu ứng giảm chấn mất đi, làm giảm đáng kể khả năng chống rung của rơ le. Sau những cú sốc cơ học mạnh trong quá trình chuyển mạch cầu dao, con trỏ có thể bị kẹt, tiếp điểm có thể hỏng vĩnh viễn (hoặc không hoạt động hoặc vẫn ở trạng thái hoạt động), hoặc sai lệch đo lường vượt quá giới hạn chấp nhận được.
Nguy hiểm 2: Do tiếp điểm rơ le được hỗ trợ từ với lực tiếp xúc tự nhiên thấp, thời gian tiếp xúc kéo dài có thể dẫn đến oxy hóa bề mặt tiếp điểm. Đối với các rơ le đã mất hết dầu, các tiếp điểm được hỗ trợ từ trực tiếp tiếp xúc với không khí, dễ bị oxy hóa hoặc tích tụ bụi, dẫn đến tiếp xúc kém hoặc hỏng hoàn toàn.
Theo báo cáo: Trong ba năm mà một công ty điện lực tăng cường kiểm tra rơ le mật độ SF6, 196 đơn vị đã được kiểm tra, và 6 (khoảng 3%) được phát hiện có tiếp xúc dẫn điện không tin cậy. Tất cả các rơ le lỗi này đã mất hoàn toàn dầu giảm chấn. Nếu rơ le mật độ gặp phải con trỏ bị kẹt, tiếp điểm hỏng, hoặc dẫn điện không tin cậy, nó có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng cho an toàn lưới điện. Hãy xem xét trường hợp một cầu dao SF6 rò rỉ khí và mất chất cách điện, nhưng rơ le mật độ không kích hoạt báo động do con trỏ bị kẹt hoặc tiếp điểm hỏng. Nếu cầu dao sau đó cố gắng cắt dòng điện ngắn mạch, hậu quả có thể là thảm họa.
Ngoài ra, dầu rò rỉ có thể làm ô nhiễm các thành phần khác của thiết bị đóng cắt, thu hút bụi và làm nguy hiểm hơn nữa cho hoạt động an toàn. Một số đơn vị dùng túi nhựa bọc rơ le rò rỉ để ngăn dầu lan rộng và gây tích tụ bụi. Hơn nữa, các trạm biến áp hiện đại được thiết kế không chứa dầu; do đó, rò rỉ dầu được coi là khuyết tật cần được khắc phục.
3. Phân tích nguyên nhân gốc rễ của rò rỉ dầu
Các điểm rò rỉ chính trong rơ le mật độ là các gioăng giữa khối đầu cuối và vỏ, giữa cửa sổ kính và vỏ, và các vết nứt trên kính. Qua việc tháo rời nhiều rơ le rò rỉ, chúng tôi xác định rằng nguyên nhân chính của rò rỉ dầu là sự hỏng hóc của gioăng ở các mối nối giữa khối đầu cuối và vỏ, và giữa kính và vỏ. Dưới đây là các nguyên nhân sơ bộ được xác định cho sự hỏng hóc của gioăng.
3.1 Lão hóa Gioăng Cao Su
Hiện nay, hầu hết các rơ le mật độ sử dụng cao su butadien acrylonitrile (NBR) cho các vòng đệm O-ring. NBR là copolyme của butadien (CH₂=CH–CH=CH₂) và acrylonitrile (CH₂=CH–CN), được sản xuất thông qua quá trình polymer hóa emulsion. Đây là loại cao su chuỗi cacbon không bão hòa. Nội dung acrylonitrile ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của NBR: nội dung cao hơn cải thiện khả năng chịu dầu, dung môi và hóa chất, tăng cường độ cứng, độ bền mòn, và khả năng chịu nhiệt, nhưng giảm khả năng đàn hồi lạnh, độ đàn hồi, và khả năng thấm khí.
Cao su bị lão hóa trong quá trình xử lý, bảo quản và sử dụng do nhiều yếu tố, biểu hiện qua hiện tượng đổi màu, dính, cứng, và nứt—các hiện tượng được gọi chung là lão hóa cao su.
Các yếu tố góp phần vào lão hóa gioăng NBR bao gồm nguyên nhân nội bộ và ngoại vi.
3.2 Nguyên Nhân Nội Bộ
Cấu trúc Molecul của NBR:
NBR chứa các liên kết đôi không bão hòa trong chuỗi polyme. Dưới tác động của nhiệt và lực cơ học, oxi phản ứng tại các liên kết đôi, hình thành peroxide phân hủy thành các sản phẩm oxy hóa, gây ra sự đứt đoạn và liên kết chéo. Điều này làm tăng mật độ liên kết chéo, khiến cao su cứng và giòn hơn. Nội dung liên kết đôi cao hơn làm tăng tốc độ lão hóa. Ngoài ra, các nhóm thay thế cho electron (ví dụ: –CH₃) trong cấu trúc molecul dễ bị oxy hóa.
Ảnh Hưởng của Các Phụ Gia Cao Su:
Lựa chọn hệ thống lưu hóa là rất quan trọng. Nội dung lưu huỳnh cao làm tăng nồng độ liên kết đa lưu huỳnh nhưng cũng làm tăng tốc độ lão hóa.
3.3 Nguyên Nhân Ngoại Vi
Oxy và Ozon:
Oxy là yếu tố lão hóa chính, thúc đẩy sự đứt đoạn và liên kết chéo lại. Ozon còn phản ứng mạnh hơn; nó hình thành ozonide tại các liên kết đôi, phân hủy và đứt đoạn chuỗi polyme. Gioăng được tiếp xúc trực tiếp với không khí, và lượng nhỏ oxy và ozon tan trong dầu, làm tăng tốc độ lão hóa cao su.
Nhiệt:
Nhiệt làm tăng tốc độ oxy hóa—thông thường, mỗi tăng 10°C sẽ làm tăng gấp đôi tốc độ oxy hóa. Nó cũng làm tăng tốc độ phản ứng giữa cao su và phụ gia hoặc làm bay hơi các thành phần dễ bay hơi, làm giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ sử dụng.
Mệt mỏi Cơ Học:
Dưới áp lực liên tục (nén, xoắn), cao su trải qua quá trình oxy hóa cơ học, được tăng tốc bởi nhiệt. Theo thời gian, độ đàn hồi giảm—đây là hiện tượng mệt mỏi lão hóa cơ học.
Lão hóa của gioăng cao su dẫn đến hỏng hóc gioăng, mất khả năng niêm phong, và cuối cùng là rò rỉ dầu.
3.4 Áp Suất Nén Ban Đầu Không Đủ
Gioăng cao su dựa vào sự biến dạng nén khi lắp đặt để chặt chẽ phù hợp với các bề mặt niêm phong và chặn các đường rò rỉ. Áp suất nén ban đầu không đủ có thể dẫn đến rò rỉ. Điều này có thể xảy ra do:
Vấn đề thiết kế: tiết diện gioăng nhỏ hoặc rãnh lớn;
Vấn đề lắp đặt: siết nắp không đúng (hầu hết các rơ le phụ thuộc vào cảm giác tay, khiến việc kiểm soát chính xác khó khăn).
Ngoài ra, cao su có hệ số co lạnh hơn mười lần so với kim loại. Ở nhiệt độ thấp, gioăng co lại và cứng, làm giảm áp suất nén.
3. Tỷ Lệ Nén Quá Cao
Trong khi nén là cần thiết để niêm phong, nén quá mức là có hại. Nó có thể gây biến dạng vĩnh viễn trong quá trình lắp đặt hoặc tạo ra ứng suất von Mises cao, dẫn đến hỏng hóc vật liệu và giảm tuổi thọ. Lại nữa, siết nắp bằng tay thường dẫn đến nén quá mức.
4. Các Khuyết Điểm Trên Bề Mặt Niêm Phong
Các vết xước, gờ, độ nhám bề mặt thấp, hoặc kết cấu gia công không đúng trên bề mặt niêm phong có thể tạo ra các đường rò rỉ.
5. Tác Động của Nhiệt Độ
Ở nhiệt độ cao, cao su mềm và nở, có thể bị đẩy ra và phá vỡ gioăng. Ở nhiệt độ thấp, sự co lại và cứng cũng có thể gây rò rỉ.
6. Lựa Chọn Độ Cứng Không Đúng
Nếu gioăng cao su quá mềm hoặc quá cứng, nó có thể không niêm phong đúng cách.
7. Lắp Đặt Thô Sơ
Lắp đặt cẩu thả có thể làm hỏng gioăng. Ví dụ, các cạnh sắc hoặc gờ có thể làm xước O-ring, tạo ra các khuyết tật không nhìn thấy dẫn đến hỏng hóc gioăng và rò rỉ dầu.Ngoài ra, sự nứt vỡ của kính cũng có thể gây rò rỉ dầu.
Nguyên nhân bao gồm:
A) Áp lực không đồng đều trong quá trình lắp đặt, được làm trầm trọng hơn bởi sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ hoặc áp suất;
B) Sốc nhiệt gây nứt kính. Các vết nứt tạo ra các đường rò rỉ, dẫn đến mất dầu.
Kết Luận
Trong thiết bị điện SF6, khí SF6 đóng vai trò là chất cách điện và dập hồ quang chính. Độ bền điện và khả năng ngắt mạch của nó phụ thuộc trực tiếp vào mật độ khí—mật độ cao hơn thường có nghĩa là hiệu suất tốt hơn. Tuy nhiên, do các vấn đề sản xuất, vận hành, hoặc bảo trì, rò rỉ khí là không tránh khỏi. Sự giảm mật độ dẫn đến hai rủi ro chính: giảm độ bền điện và giảm khả năng ngắt mạch. Do đó, theo dõi mật độ khí SF6 là rất quan trọng cho hoạt động an toàn và tin cậy. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng rơ le mật độ SF6, cung cấp hai cấp cảnh báo—báo động và khóa—khi mật độ giảm, cho phép can thiệp kịp thời.
Do đó, rơ le mật độ SF6 tại hiện trường phải tin cậy. Dựa trên phân tích trên, chúng tôi kết luận:
Các rơ le mật độ có rò rỉ dầu phải được theo dõi và thay thế kịp thời.
Các rơ le mới lắp đặt nên ưu tiên loại không dầu với khả năng chống rung tốt hơn hoặc thiết kế niêm phong khí cải tiến.
