Prova in situ dels relés de densitat de gas SF6: qüestions rellevants

Introducció

El gas SF6 es utilitza ampliament com a mitjà aïllant i apagafocs en equipaments elèctrics d'alta i ultra-alta tensió degut a les seves excel·lents propietats d'aïllament, extinció d'arc i estabilitat química. La força d'aïllament i la capacitat d'extinció d'arc dels equipaments elèctrics depenen de la densitat del gas SF6. Una disminució de la densitat del gas SF6 pot conduir a dos perills principals:

• Reducció de la resistència dielèctrica dels equipaments;

• Disminució de la capacitat d'interrupció dels interruptors.

A més, la fuga de gas sovint porta a l'ingrés d'humitat, augmentant el contingut d'aigua del gas SF6 i degradant encara més el rendiment d'aïllament. Per tant, monitorar la densitat del gas SF6 és essencial per assegurar una operació segura dels equipaments.

Un relé de densitat de gas SF6 (també conegut com a monitor de densitat, controlador o indicador de densitat) s'instal·la en els equipaments elèctrics de SF6 per reflectir els canvis en la densitat interna del gas. Detecta les variacions de pressió per indicar els canvis de densitat, emetent un senyal d'alarma quan la densitat baixa a un nivell d'alarma preestablert, i bloqueja les operacions de commutació si disminueix fins a un nivell de bloqueig. Atès que el seu rendiment afecta directament la seguretat dels equipaments, és crucial realitzar proves regulars de la seva fiabilitat i precisió.

1. Tipus i principis de funcionament dels relés de densitat de gas SF6

1.1 Relés de densitat mecànics

Els relés mecànics es poden classificar per estructura en tipus campana i tub Bourdon, i per funció en aquells amb visualització de pressió i sense. Ambdós tipus utilitzen compensació de temperatura per monitorar la densitat del gas.

Com a exemple, prenem el tipus campana típic (vegeu Figura 1):

• Una cambra pre-càrrega s'ompli amb gas SF6 a la mateixa pressió que la cambra monitoritzada;

• Una campana metàl·lica s'uneix a la cambra monitoritzada;

• Quan hi ha una fuga, la pressió interna a la campana disminueix, creant una diferència de pressió que comprimeix la campana. Aquest moviment actua sobre un microinterruptor a través d'un mecanisme mecànic, activant un senyal d'alarma o de bloqueig.

Atès que la cambra pre-càrrega està en el mateix entorn, els canvis de temperatura afecten igualment ambdós costats, permetent una compensació automàtica de la temperatura.

Figura 1. Principi del relé de densitat de gas mecànic
(Nota: 4—microinterruptor; 3—lamina bimetàl·lica; 2—campana metàl·lica; 1—cambra pre-càrrega)

1.2 Relés de densitat digitals

Aquests relés exploten la forta electronegativitat de les molècules de SF6. Una font d'àtoms alfa en una cambra d'ionització ionitza el gas, i sota un camp elèctric DC aplicat, es forma una corrent d'ions. Aquesta corrent és proporcional a la densitat del gas. Quan la densitat disminueix, la corrent de sortida disminueix, permetent la monitorització en temps real.

Avantatges dels relés de densitat digital inclouen:

• Visualització digital directa de la pressió, pressió equivalent a 20°C i temperatura del dispositiu;

• Compatibilitat amb sistemes informàtics per a la monitorització en línia;

• Capacitat per traçar corbes de tendència de fuges, suportant la manteniment basat en condicions;

• Mesura completa sense canvi de rang, amb paràmetres ajustables en el camp;

• Sortida de senyals d'alarma de recàrrega de gas i contacte de bloqueig per baixa pressió.

Figura 2. Principi del relé de densitat de gas digital
(Nota: Àtoms alfa a la cambra d'ionització ionitzen el gas SF6; els electrons migren cap a l'anòda, els ions positius tornen a l'emissor, generant una corrent que s'amplifica i es surtida)

2. Necessitat de les proves in situ dels relés de densitat

Els relés de densitat es poden provar in situ o en un laboratori. Si bé les proves en laboratori ofereixen una major precisió, presenten diversos inconvenients:

• El desmuntatge treu la sel·latura original, fent difícil garantir la reassemblatge i la nova sel·latura;

• Els instruments de precisió poden perdre la calibració a causa de les vibracions durant el transport;

• Els estrets calendaris de manteniment fan que el desmuntatge i la reassemblatge siguin processos llargs i tediosos.

Per tant, es recomana la prova in situ quan sigui possible, ja que és més eficient i segur.

3. Instruments utilitzats per a les proves in situ

Com que els equipaments elèctrics de SF6 no han de ser contaminats amb oli o altres gasos, només es pot utilitzar gas SF6 com a mitjà de prova. Un dispositiu de calibratge ideal hauria de tenir:

• Un cilindre integrat de gas SF6;

• Pressió ajustable;

• Compensació automàtica de la temperatura i conversió.

Aquest article presenta la Unitat de Calibratge JMD-1A de Relés de Densitat de Gas SF6, que té les característiques següents:

• Cilindre de SF6 integrat i sistema de regulació de pressió;

• Isola el circuit de gas del dispositiu durant la prova, utilitzant el seu propi subministrament de gas;

• Converteix automàticament els valors mesurats a pressió estàndard a 20°C;

• Requereix una recalibratge anual a fàbrica per assegurar la precisió;

• Classe de precisió 0,5, complint el requisit que "l'error de l'instrument estàndard no ha de superar un terç de l'error de l'instrument provat" (els relés provats són normalment inferiors a la classe 1,5), satisfent plenament els requisits in situ.

4. Contingut de les proves per als relés de densitat de gas

4.1 Normes i freqüència de les proves

Segons GB50150-1991 i DL/T596-1996:

• Els nous dispositius han de passar les proves de relés de densitat abans de la posada en servei;

• Els dispositius en servei han de ser provats cada 1–3 anys, o després de manteniments majors o quan sigui necessari;

• Els valors d'acció han de complir les especificacions tècniques del fabricant;

• L'error de la indicació del manòmetre i la histèresi han de estar dins dels límits permessos per la classe de precisió especificada.

4.2 Elements de prova

Els elements de prova principals inclouen:

• Pressió d'activació de l'alarma (recàrrega de gas);

• Pressió d'activació de bloqueig;

• Pressió de retorn de bloqueig;

• Pressió de retorn de l'alarma;

• Si està equipat amb un manòmetre, també s'ha de provar la seva indicació.

Requisits de prova del manòmetre:

• Almenys 5 punts de prova distribuïts uniformement a tot l'interval;

• Dos cicles completes de pressurització i depressurització;

• S'aplica pressió lentament i de manera estable, amb lectures en cada punt;

• L'error d'indicació màxima dels dos cicles es pren com a resultat final.

Requisits de valors d'acció:

• Han de complir les especificacions del fabricant;

• La diferència entre la pressió d'activació i la de retorn ha de ser inferior a 0,02 MPa;

• Tots els valors de pressió han de convertir-se a valors estàndard a 20°C;

• Registrar la temperatura ambient, la pressió mesurada i la pressió convertida a 20°C.

5. Mètodes de connexió entre el relé de densitat i el dispositiu

Hi ha quatre tipus de connexió comuns:

• Amb vàlvula d'isolament
       Es col·loca una vàlvula (FA) entre el relé i el dispositiu. Durant la prova, tanqueu FA, connecteu la capçalera de prova, aleshores obriu FB per iniciar la prova.

• Amb vàlvula de retenció
       Després de treure el relé, la vàlvula de retenció sela automaticament el costat del dispositiu, permetent la connexió directa del dispositiu de prova al port extern.

• Amb vàlvula de retenció + bolt de plungió (vegeu Figura 3)
       No es requereix desmuntatge. Desavolleu el bolt de plungió a W2; la vàlvula de retenció F1 aïlla automàticament el camí de gas, permetent la connexió directa de la capçalera de prova.

Figura 3. Esquema del relé de densitat amb vàlvula de retenció i bolt de plungió
(Etiquetes: B1—relé de densitat; W1—port de càrrega de gas; W2—port de prova; MA—manòmetre; F1—vàlvula de retenció)

• Connexió directa sense isolament
       Aquest és un disseny irracional. Si el relé falla, no es pot substituir ni provar en línia i cal esperar a la gran revisió. Es recomana instal·lar vàlvules d'isolament durant la revisió per a futurs manteniments.

Conclusió: Els tres primers tipus de connexió permeten proves in situ; el quart no ho fa.

6. Precaucions per a la calibratge in situ

• Operació amb alimentació tancada: Les proves han de realitzar-se amb el dispositiu desconnectat. Tancar la alimentació de control i aïllar els contactes d'alarma/bloqueig a la terminal per evitar l'operació no intencionada del circuit secundari.

• Confirmar el tipus de connexió: Les estructures de connexió varien entre els dispositius. Confirmar el tipus abans de desmuntar per evitar malfuncionaments i fuges de gas.

• Restablir les vàlvules d'isolament: Després de la prova, assegurar-se que totes les vàlvules d'isolament estiguin restablides a les seves posicions correctes i verificades.

• Netejar les connexions: Netejar totes les connexions de tubs abans i després de la prova. En cas de necessitat, purgar amb una petita quantitat de gas SF6 per evitar la contaminació o l'ingrés d'humitat.

• Protecció de la sel·latura: Protegir les superfícies de sel·latura, substituir amb juntes noves i realitzar detecció de fuges després de la reassemblatge.

• Conversió d'unitats de pressió: El dispositiu de prova JMD-1A mostra pressió relativa. Si el relé utilitza pressió absoluta (per exemple, l'interruptor ABB LTB145D), convertir les unitats abans de la comparació.

7. Conclusió

El relé de densitat de gas SF6 és un component crític que assegura la segura operació dels equipaments elèctrics de SF6. El seu rendiment operatiu afecta directament la fiabilitat del sistema. Per tant, s'han de realitzar proves in situ regulars d'acord amb les normatives rellevants per assegurar la precisió i la fiabilitat. Durant les proves, és essencial adherir-se estrictament als cicles de prova prescrits, procediments i precaucions per eliminar els perills de seguretat i prevenir conclusions errònies.