Анализ на въздействието на операциите с GIS разединители върху вторичното оборудване

Влияние операциите с GIS изолатори върху вторичното оборудване и мерки за намаляване на въздействието

1. Влияние на операциите с GIS изолатори върху вторичното оборудване
1.1 Ефекти от преходни превишавания на напрежението
По време на операции за отваряне/затваряне на изолаторите на газово-изолираното комутационно устройство (GIS), повторното запалване и угасване на дъга между контактите причинява обмен на енергия между системната индуктивност и капацитет, пораждащ преходни переключвания на напрежението с големина 2–4 пъти по-голяма от номиналното фазно напрежение и продължителност от десетки микросекунди до няколко милисекунди. При работа с кратки шинови участъци — където скоростта на контактиране на изолаторите е бавна и няма способност за угасяване на дъгата — явленията предварително удари и повторни удари произвеждат много бързи преходни превишавания на напрежението (VFTO).

VFTO-то се разпространява през вътрешните проводници и обвивките на GIS. На места на несъответствие на импеданса (например, при изходни възли, измервателни трансформатори, завършващи части на кабели) ходещите вълни се отразяват, пречупват и суперпозирам, деформирайки формата на вълните и увеличавайки върховете на VFTO. С остри фронти на вълните и времената на нарастване от наносекунди, VFTO-то предизвиква преходни скачания на напрежението в входовете на вторичното оборудване, което представлява риск за повреди на чувствителната електроника. Това може да доведе до неправилна работа на защитните реле — активиращи неоправдани прекъсвания, и да нарушава високоточната обработка на сигнали и предаване на данни. Освен това, високочестотната електромагнитна интерференция (EMI), породена от VFTO, влошава модулите за комуникация, увеличавайки вероятността за грешки или загуба на данни, което подкопава функционалността на наблюдение и управление на подстанцията.

1.2 Напълзяване на потенциала на обвивката
Докато Китай разширява своята ултра-високо напрежение (UHV) и екстра-високо напрежение (EHV) мрежа, електромагнитната интерференция, породена от операциите с GIS изолатори, става все по-сериозна. Коаксиалната структура на GIS — състояща се от вътрешни алюминиеви/медни проводници и външни алюминиеви/сталини обвивки — проявява отлична високочестотна предавателна способност. В резултат на кожния ефект, високочестотните преходни токове се движат по външната повърхност на проводника и вътрешната повърхност на обвивката, обикновено предотвратявайки изтичането на полето и поддържайки обвивката на земен потенциал в нормални условия.

Още така, когато преходните токове, породени от VFTO, срещат несъответствие на импеданса (например, при изходни възли или завършващи части на кабели), се наблюдава частично отразяване и пречупване. Някои компоненти на напрежението се съчетават между обвивката и земята, причинявайки моментно напълзяване на потенциала на обвивката, която в друг случай е заземена. Това представлява рискове за безопасността на персонала и може да влоши изолацията между обвивката и вътрешните проводници, ускорявайки стареенето на материала и намалявайки продължителността на живота на оборудването. Освен това, това възходящо напълзяване се разпространява чрез кабели и свързани устройства във вторичните системи, предизвиквайки EMI, което води до лъжливи прекъсвания, грешки в данните или дори вътрешни повреди — пряко заплашващи надеждността на електроенергийната система.

1.3 Електромагнитна интерференция (EMI)
В GIS подстанции, операциите с изолатори/прекъсвачи и удари от мълнии генерират преходни електромагнитни полета, които влияят върху вторичните системи чрез провеждане и радиационно съчетаване.

• Интерференция чрез провеждане се появява чрез измервателни трансформатори и различия в земен потенциал. VFTO-то се съчетава от первичните към вторичните вериги чрез страйна капацитивност и индуктивност в трансформаторите. То също така се вкарва в земната мрежа чрез заземящи електроди, повишавайки целия земен потенциал и създавайки земни контури, които дестабилизират вторичното оборудване.

• Радиационна интерференция се случва, когато преходните EM полета се разпространяват през пространството, директно съчетавайки се във вторичните кабели и устройства. Електрическото поле се съчетава с високопротивни възли, причинявайки искажения на сигнала или лъжливо активиране — особено чувствително към разстоянието, ориентацията на полето и геометрията на устройството. Магнитното поле създава електромоторни сили в контурите на веригите според законите на Фарадей; неговата тежест зависи от силата на полето, скоростта на промяна и площта на контура.

1.4 Ефекти от механичните вибрации
Операциите с изолатори предизвикват механични вибрации поради ударите, триенето и електромагнитните сили по време на действията за включване/изключване. Бързото разделение по време на отваряне или насилственото захлопване по време на затваряне генерира ударни вълни, които вибрират GIS структурата. Разпространението чрез свързващи връзки и предавателни механизми допълнително разпространява вибрациите до съседното вторично оборудване.

Такива вибрации могат да ослабят механичните крепежи, да влошат електрическите връзки, да увеличи грешките в измерванията, или — при крайно условия — да причинят късо замыкание. Дългосрочното излагане ускорява стареенето както на механичните, така и на електронните компоненти, намалявайки продължителността на живота на оборудването и подкопавайки надеждността му.

2. Мерки за намаляване на въздействието и защита на вторичното оборудване
2.1 Оптимизиран дизайн на GIS структурата

• Избор на материал: Използване на смеси от SF₆ с по-висока диелектрична прочност; избор на материали с ниски загуби и висока проводимост (например Cu/Al) за екраниране; оптимизация на дължината на шините и капацитета, за да се подави амплитудата на VFTO.

• Структурни подобрения: Изглаждане на формата на проводниците и екрани, за да се намали концентрацията на електрическото поле; подобряване на дизайна на опора на изолаторите, за да се осигури равномерно разпределение на полето; прилагане на контролирана скорост на операциите с изолаторите и добавяне на демпфери, за да се абсорбира преходната енергия.

• Контрол на вибрациите: Инсталиране на хидравлични амортизатори или пружини в операционните механизми; използване на каучукови демпфери между GIS и основите; подобряване на точността на контактните повърхности, за да се минимизират ударните сили.

2.2 Подобрено екраниране и заземяване

• Щитове: Поставете чувствителните вторични устройства (например реле, комуникационни единици) в проводящи кутии (цинкирана стомана/алюминий) със запечатани шевове. Използвайте щитови или двоен щитови кабели с правилно завършване; приложете филтриращи конектори и мрежови екрани на отдушниците. За кратки кабели (<10 м), използвайте заземяване от една точка; за по-дълги участъци, прилагайте многоточково заземяване, за да се минимизират индуцираните напрежения.

• Заземяване: Поддържайте съпротивление на заземяването ≤4 Ω. В почви с висока съпротивителност, разположете свързани заземителни мрежи с вертикални пръчки. Използвайте заземяване от една точка за аналогови вериги и многоточково заземяване за цифрови/високочестотни системи. Оптимизирайте разположението на мрежата (например правоъгълна мрежа с кръстосани електроди), за да се осигури равномерно разпространение на тока и ниски потенциални градиенти.

2.3 Филтриращи и подтискващи технологии

• Филтри: Инсталирайте филтри на питащата линия при входовете на вторичното оборудване, за да блокирате високочестотния шум. Приложете алгоритми за цифрово филтриране на сигнали, за да подобрите целостта на данните в комуникационните канали.

• Защита срещу импулси: Разположете ZnO арестири близо до вторичното оборудване, за да ограничите VFTOs и импулси при комутиране. Използвайте защитни устройства срещу импулси (SPDs) на сигналените и комуникационните линии, за да отклоните преходната енергия към земята, осигурявайки стабилна предаване на слаби сигнали.

2.4 Усилено укрепване на вторичното оборудване

• Хардуерна защита: Усицете държащите скоби с по-дебела стомана и добавени усилители. Изолирайте оборудването чрез каучукови опори или двустепенно изолиращи устройствы. Закрепвайте печатни платки с по-дебели основи, фиксиращи краища и демпфери. Заливайте критични компоненти (например ИЦ, реле) в капсули или еластични държачи, за да се предотврати ослабяването. Избягвайте дълги, тънки следи, за да намалите рискът от разкъсване.

• Софтуерна защита: Приложете контролни суми и кодове за корекция на грешки (ECC), за да обнаружите/коригирате пораждане на данни. Включете "NOP" (без операция) инструкции в прошивката, за да позволите възстановяване след прескачания на програмата, причинени от ЕМИ, предотвратявайки задържания и увеличавайки устойчивостта на системата.

3.Заключение
Дълбоко разбиране на влиянието на операциите с GIS изолатори върху вторичното оборудване показва, че комплексни стратегии за намаляване на въздействието са необходими за надеждността на мрежата. По време на проектиране, строителство и експлоатация на електроенергийните системи, електромагнитната съвместимост (EMC) между GIS и вторичните системи трябва да бъде приоритет. Чрез интегриране на оптимизация на структурата, робустно щитове/заземяване, напредък в филтрирането и укрепване на хардуера и софтуера, неблагоприятните ефекти от преходи, причинени от изолатори, ЕМИ и вибрации, могат да бъдат ефективно намалени – осигурявайки по-безопасна, по-надеждна и устойчива доставка на енергия.