SF6-Dichterelais Ölleckage: Ursachen Risiken & ölfreie Lösungen

1. Einführung
SF6-Elektrische Geräte, die für ihre ausgezeichneten Bögenlösch- und Isolierungseigenschaften bekannt sind, finden eine weite Verwendung in Stromversorgungssystemen. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, ist eine Echtzeitüberwachung der SF6-Gasdichte unerlässlich. Derzeit werden häufig mechanische Zeigerdichterelais eingesetzt, die Funktionen wie Alarm, Sperrung und Ortseinspeisung bieten. Um den Schwingungsbeständigkeit zu erhöhen, werden die meisten dieser Relais intern mit Silikonöl gefüllt.

Allerdings ist das Austritt von Öl aus Dichterelais ein weit verbreitetes Problem in der Praxis, das sowohl bei inländischen als auch importierten Produkten auftritt - obwohl importierte Einheiten im Allgemeinen längere Ölkonservierungszeiträume und geringere Austrittsraten aufweisen. Dieses Problem ist eine weit verbreitete Herausforderung, der Stromversorgungsunternehmen landesweit gegenüberstehen, und beeinflusst erheblich die langfristige stabile Betriebsfähigkeit der Geräte.

2. Gefahren des Ölaustritts in Dichterelais

• Reduzierte Schwingungsbeständigkeit:
       Silikonöl bietet Dämpfung. Sobald es vollständig austritt, wird das Relais anfällig für Zeigerblockaden, Kontaktversagen (Nichtfunktionieren oder Fehltriggering) und übermäßige Messabweichungen unter dem Einfluss von Schaltvorgängen.

• Kontaktveroxidung und schlechter Kontakt:
       Die meisten SF6-Dichterelais verwenden magnetisch unterstützte Spiralfederkontakte mit niedrigem Kontaktdruck, die auf Silikonöl angewiesen sind, um Luft abzudichten. Nach dem Ölaustritt sind die Kontakte der Luft ausgesetzt, was sie anfällig für Veroxidung oder Staubsammlung macht, was zu schlechtem Kontakt oder offenen Schaltkreisen führt.

• Feldtestdaten:
       Von 196 innerhalb von drei Jahren getesteten Dichterelais zeigten sechs unzuverlässige Kontaktleitung (ca. 3 %), alle waren Einheiten, die ihr Öl verloren hatten.

• Schwere Sicherheitsrisiken:
       Wenn ein SF6-Schaltgerät Gas verliert und das Dichterelais aufgrund des Ölaustritts versagt und keine Alarmsignale oder Sperrsignale auslösen kann, können während des Bogenunterbrechens schwere Unfälle auftreten.

• Verunreinigung von Gerätekomponenten:
       Ausgetretenes Silikonöl zieht Staub an und verunreinigt andere Komponenten des Schaltgeräts, wodurch die Gesamtisolierleistung und Betriebssicherheit verringert wird.

3. Analyse der Ursachen des Ölaustritts
Der Ölaustritt tritt hauptsächlich an folgenden Stellen auf:

• Dichtschnittstelle zwischen Anschlussbasis und Gehäuse

• Dichtschnittstelle zwischen Glasfenster und Gehäuse

• Rissbildung im Glas selbst

3.1 Alterung von Gummidichtungen
Die meisten aktuellen Dichtungen verwenden Nitrilbutadien-Kautschuk (NBR), ein ungesättigter Kohlenstoffkettengummi, der aufgrund interner und externer Faktoren stark anfällig für Alterung ist.

Interne Faktoren:

• Molekularstruktur: Die Anwesenheit von Doppelbindungen macht das Material anfällig für Oxidation, wobei Peroxide gebildet werden, die zu Kettenabspaltung oder Vernetzung führen, was zu Verhärtung und Sprödheit führt.

• Zusammensetzung der Mischung: Ein zu hoher Schwefelgehalt im Vulkanisationsystem beschleunigt die Alterung.

Externe Faktoren:

• Sauerstoff und Ozon: Direkte Exposition an Luft oder Sauerstoff/Ozon, gelöst in Öl, initiieren oxidative Reaktionen.

• Thermische Einflüsse: Bei jeder Erhöhung der Temperatur um 10°C verdoppelt sich die Oxidationsrate etwa.

• Mechanische Ermüdung: Langanhaltende Druckbelastung induziert mechanische Oxidation, was den Alterungsprozess beschleunigt.

3.2 Ungünstige initiale Kompression von Dichtungen

• Unzureichende Kompression:

• Konstruktionsfehler: zu kleiner Querschnitt der Dichtung oder zu großes Nut.

• Installationsprobleme: Verlassen auf manuelles Anziehen ohne präzise Steuerung.

• Tiefstemperatureffekte: Gummi dehnt sich mehr als Metall bei Kälte und verhärtet sich bei niedrigen Temperaturen, was die effektive Kompression reduziert.

• Übermäßige Kompression:

• Kann zu dauerhaften Deformationen oder hoher Von-Mises-Spannung führen, was zu vorzeitigen Materialversagen führt.

3.3 Mangelhafte Dichtflächen und Installationsprobleme

• Oberflächenkratzer, Grate, unangemessene Oberflächenrauhigkeit oder ungünstige Bearbeitungstexturen können Leckpfade schaffen.

• Während der Installation durch scharfe Kanten beschädigte Dichtungen, die versteckte Mängel verursachen.

• Ursachen für Risse im Glas:

• Ungleichmäßige Kraftanwendung während der Installation;

• Risse aufgrund schneller Temperatur- oder Druckänderungen.

4. Verbesserungsvorschläge

Grundsätzliche Lösung: Verwendung ölfreier, schwingungsdämpfender SF6-Dichterelais
Diese Art eliminiert das Risiko des Ölaustritts durch strukturelle Innovation.

Technische Merkmale:

• Schwingungsdämpfer: Zwischen Anschluss und Gehäuse installiert, um Stoßenergie von Schaltvorgängen aufzufangen und bis zu 20 m/s² Schwingungsbeständigkeit zu erreichen.

• Funktionsprinzip: Nutzt ein Bourdonrohr elastisches Element in Kombination mit einer temperaturkompensierenden bimetallischen Streifen, um Veränderungen der SF6-Gasdichte genau widerzuspiegeln.

• Signalausgabe: Verwendet Mikroschalter, die durch den temperaturkompensierenden Streifen und das Bourdonrohr betätigt werden, verstärkt durch den Schwingungsdämpfer, was starke Störfestigkeit und reduziertes Fehlfunktionsrisiko bietet.

Vorteile:

• Eliminiert komplett die Notwendigkeit des Ölfüllens, was den Ölaustritt an der Quelle verhindert;

• Hervorragende Schwingungsbeständigkeit, geeignet für Umgebungen mit hohen Schwingungen;

• Hohe Strukturreliabilität und geringe Wartungskosten;

• Direkter Ersatz für bestehende ölgefüllte Modelle, ermöglicht „ölfreie“ Upgrades.

Implementierungsempfehlungen:

• Sofortige Ersetzung aller Dichterelais, die Ölaustritt zeigen;

• Priorität für ölfreie, schwingungsdämpfende Modelle bei der Ersetzung;

• Durchführung von Lecksprüfung nach der Ersetzung, um korrektes Abdichten sicherzustellen.

5. Schlussfolgerung

• Die SF6-Gasdichte ist ein kritischer Parameter zur Gewährleistung eines sicheren Gerätebetriebs und muss über zuverlässige Dichterelais überwacht werden.

• Ölgefüllte Dichterelais leiden derzeit unter weit verbreitetem Ölaustritt, hauptsächlich aufgrund der Alterung von Gummidichtungen, fehlendem Kompressionskontroll und minderwertigen Installationspraktiken.

• Der Ölaustritt führt zu verringerten Schwingungsbeständigkeit und Kontaktversagen, was ernsthafte Bedrohungen für die Netzwerksicherheit darstellt.

• Die Verwendung ölfreier, schwingungsdämpfender SF6-Dichterelais wird als Ersatzlösung empfohlen, die den Ölaustritt effektiv beseitigt und die Systemzuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit verbessert.