Anàlisi de l'impacte de les operacions dels interruptors GIS en l'equipament secundari

Impacte de les operacions dels interruptors de GIS en l'equipament secundari i mesures d'atenuació

1.Impactes de les operacions dels interruptors de GIS en l'equipament secundari
1.1 Efectes de la sobretensió transitoria
Durant les operacions d'obertura/tancament dels interruptors de GIS (Gas-Insulated Switchgear), la reiterada reiniciació i extinció de l'arc entre els contactes provoca un intercanvi d'energia entre la inductància i la capacitància del sistema, generant sobretensions de commutació amb magnituds 2–4 vegades la tensió de fase nominal i durades que van des de deu microsegons fins a diversos mil·lisegons. Quan s'operen barreres curtes—on la velocitat del contacte dels interruptors és lenta i no hi ha capacitat per apagar l'arc—els fenòmens de preimpacte i reimpacte produeixen sobretensions transitories molt ràpides (VFTO).

Les VFTO es propaguen a través dels conductors i enclosos interns del GIS. A les discontinuïtats d'impedància (per exemple, a les bushings, transformadors d'instrumentació, terminacions de cablages), les ones viatgeres reflecteixen, refracten i superposen, distorsionant les formes d'ona i amplificant els pics de VFTO. Amb fronts d'ona escarpats i temps de pujada a l'escala de nanosegons, les VFTO induixen creixements de tensió transitoris a les entrades de l'equipament secundari, posant en risc el dañament de l'electrònica sensible. Això pot fer que els relés protectors funcionin malament—provocant trips innecessaris—i pertorbant el processament de senyals d'alta precisió i la transmissió de dades. A més, la interferència electromagnètica (EMI) de freqüència alta generada per les VFTO degrada els mòduls de comunicació, augmentant les taxes d'error de bits o causant la pèrdua de dades, comprometent així les funcions de monitorització i control de la subestació.

1.2 Elevació del potencial de l'enclos
A mesura que la Xina expandeix les seves xarxes de ultra-alta tensió (UHV) i extra-alta tensió (EHV), la interferència electromagnètica deguda a les operacions dels interruptors de GIS ha esdevingut cada cop més severa. La estructura coaxial del GIS—que consta de conductors interiors d'alumini/cobre i enclosos exteriors d'alumini/acero—presenta una excel·lent transmissió de freqüències altes. Degut a l'efecte de la pell, les corrents transitories de freqüència alta flueixen a través de la superfície exterior del conductor i la superfície interior de l'enclos, generalment prevenint la fuga del camp i mantenint l'enclos a un potencial de terra en condicions normals.

No obstant això, quan les corrents transitories induïdes per les VFTO troben desacords d'impedància (per exemple, a les bushings o terminacions de cablages), ocorren reflexions i refraccions parcials. Algunes components de tensió s'acoplen entre l'enclos i la terra, causant un increment instantani del potencial en l'enclos, que normalment està a terra. Això suposa riscos per la seguretat del personal i pot degradar l'aïllament entre l'enclos i els conductors interns, accelerant l'envelleiment del material i reduint la vida útil de l'equipament. A més, aquest potencial elevat es propaga a través de cablages i dispositius connectats als sistemes secundaris, induint EMI que provoca trips falsos, errors de dades o fins i tot trencaments interns—amenazant directament la fiabilitat del sistema elèctric.

1.3 Interferència electromagnètica (EMI)
A les subestacions de GIS, les operacions dels interruptors/breakers i els impacts de llamps generen camps electromagnètics transitories que afecten els sistemes secundaris a través de couplatge conduït i radiat.

• La interferència conduïda sorgeix a través de transformadors d'instrumentació i diferències de potencial de terra. Les VFTO s'acopleixen del circuit primari al secundari a través de capacitància i inductància estranya en els transformadors. També s'injecten a la xarxa de terra a través d'electrodes de terra, elevant tot el potencial de terra i creant bucles de terra que destabilitzen l'equipament secundari.

• La interferència radiada ocorre quan els camps EM transitories es propaguen a través de l'espai, acoplando-se directament als cablages secundaris i dispositius. L'acoplatge del camp elèctric afecta els nodes d'alta impedància, causant distorsions de senyal o activacions falses—especialment sensibles a la distància, orientació del camp i geometria del dispositiu. L'acoplatge del camp magnètic induce forces electromotrius en els bucles de circuit segons la llei de Faraday; la seva severitat depèn de la força del camp, la velocitat de canvi i l'àrea del bucle.

1.4 Efectes de la vibració mecànica
Les operacions dels interruptors indueixen vibracions mecàniques degudes a l'impacte del contacte, la fricció i les forces electromagnètiques durant les accions de connexió/desconnexió. La separació ràpida durant l'obertura o l'engranat forçós durant el tancament genera onades d'shock que fan vibrar l'estructura del GIS. La transmissió a través de mecanismes de vinculació i rodes dentades propaga les vibracions a l'equipament secundari adjacent.

Aquestes vibracions poden allargarse els fixadors mecànics, degradar les connexions elèctriques, incrementar els errors de mesura o—en condicions extrems—causar circuits cortocircuit. L'exposició a llarg termini accelera l'envelleiment tant de components mecànics com electrònics, reduint la vida útil de l'equipament i comprometent la fiabilitat.

2.Mesures d'atenuació per a la protecció de l'equipament secundari
2.1 Disseny estructural òptim del GIS

• Selecció de materials: Utilitzar mixtures de SF₆ amb major resistència dielèctrica; seleccionar materials de baixa pèrdua i alta conductivitat (per exemple, Cu/Al) per a l'escudat; optimitzar la longitud de la barra de bus i la capacitància per a reprimir l'amplitud de les VFTO.

• Milloraments estructurals: Suavitzar les geometries dels conductors i escuts per a reduir la concentració del camp elèctric; millorar el disseny de suport dels aïllants per a una distribució uniforme del camp; implementar velocitats d'operació controlades dels interruptors i afegir circuits amortiguadors per a absorir l'energia transitoria.

• Control de vibracions: Instal·lar ammortitzadors hidràulics o ressorts en els mecanismes d'operació; utilitzar amortitzadors de goma entre el GIS i les fundacions; millorar la precisió de les superfícies de contacte per a minimitzar les forces d'impacte.

2.2 Escudat i aterrament millorats

• Blindatge: Enclou els dispositius secundaris sensibles (p. ex., relés, unitats de comunicació) en caixes conductores (ferro galvanitzat/alumini) amb juntes estanquen. Utilitza cables blindats o doblement blindats amb una terminació adequada; aplica connectors filtrats i pantalles de retícula en les ventilacions. Per a cables curts (<10 m), utilitza un anclatge d'única punta; per a recorreguts més llargs, adopta l'anclatge multipunt per minimitzar les tensions induïdes.

• Anclatge: Mantén la resistència d'anclatge ≤4 Ω. En sols de alta resistivitat, implementa grilles d'anclatge interconnectades amb barres verticals. Utilitza l'anclatge d'única punta per circuits analògics i l'anclatge multipunt per sistemes digitals/d'alta freqüència. Optimitza la disposició de la graella (p. ex., malla rectangular amb electrodes de creuament) per assegurar una dispersió uniforme de la corrent i gradients de potencial baixos.

2.3 Tecnologies de Filtratge i Supressió

• Filtres: Instal·la filtres de línia d'alimentació a les entrades dels equips secundaris per bloquejar el soroll de alta freqüència. Aplica algoritmes de filtratge de senyal digital per millorar la integritat de les dades en els canals de comunicació.

• Protecció contra surtents: Implementa arresters ZnO prop dels equips secundaris per clavar les VFTOs i les surtents de commutació. Utilitza dispositius protectors contra surtents (SPDs) en les línies de senyal i de comunicació per desviar l'energia transitoria cap a terra, assegurant una transmissió estable de senyals febles.

2.4 Reforç de l'Enduridiment dels Equips Secundaris

• Protecció de maquinària: Reforça les cintes de muntatge amb ferro més grossa i afegint refuerços. Isola l'equipament utilitzant suports de goma o isoladors de vibració de doble etapa. Assegura les PCBs amb substrats més grans, fixacions lateral i coixins d'amortigament. Pot components crítics (p. ex., CI, relés) en encapsulants o portahous elàstics per prevenir el desajust. Evita traços llargs i fins per reduir el risc de fractura.

• Protecció de programari: Implementa sumes de control i codis correctors d'errors (ECC) per detectar/corregir la corrupció de dades. Insereix instruccions "NOP" (no-operació) en el firmware per permetre la recuperació de salts de programa induïts per EMI, prevenint els bloquejos i augmentant la resiliència del sistema.

3.Conclusió
Un coneixement exhaustiu de com les operacions dels interruptors de GIS afecten els equips secundaris revela que són essencials estratègies de mitigació completament integrades per la fiabilitat de la xarxa. Durant el disseny, construcció i operació dels sistemes d'alimentació, cal prioritzar la compatibilitat electromagnètica (EMC) entre el GIS i els sistemes secundaris. Integrant l'optimització estructural, un blindatge i anclatge robust, filtratge avançat i enduridiment de maquinària/programari, es poden minimitzar eficacement els efectes adversos de les transitories induïdes pels interruptors, l'EMI i la vibració—assegurant una distribució d'energia més segura, fiable i resistent.