Analýza dopadu operací GIS odpojovacích přepínačů na sekundární zařízení
Dopad operací GIS odpojovacích přepínačů na sekundární zařízení a opatření k jeho minimalizaci
1.Dopady operací GIS odpojovacích přepínačů na sekundární zařízení
1.1 Efekty přechodných přetlaků
Během otevírání/zavírání odpojovačů plynově izolovaného spínacího zařízení (GIS) dochází k opakovanému zapalování a uhasení oblouku mezi styky, což způsobuje výměnu energie mezi induktancí a kapacitancí systému a generování přepínacích přetlaků s velikostí 2–4krát vyšší než nominální fázové napětí a délkou trvání od několika desítek mikrosekund do několika milisekund. Při provozu krátkých sběrníků, kde je rychlost pohybu styků pomalá a neexistuje schopnost uhašení oblouku, vedou předchozí a opakované zapalování k vytvoření velmi rychlých přechodných přetlaků (VFTO).
VFTO se šíří po vnitřních vodičích a obalech GIS. Na místech nespojitosti impedancí (např. izolačných trubkách, transformátorech pro měření, koncových částech kabelů) se vlny odrazují, lomí a superponují, deformují tvar vln a zesilují vrcholy VFTO. S ostrými frontami vln a vzestupnými časy ve stupních nanosekund způsobují VFTO přechodné přetlaky na vstupech sekundárního zařízení, což ohrožuje citlivou elektroniku. To může vést k neočekávanému spuštění ochranných relé, narušení vysokopřesného zpracování signálů a přenosu dat. Kromě toho vysokofrekvenční elektromagnetické rušení (EMI) generované VFTO degraduje komunikační moduly, zvyšuje frekvenci chyb bitů nebo způsobuje ztrátu dat, což narušuje funkce monitorování a řízení podstanice.
1.2 Zvýšení potenciálu obalu
S rozšiřováním ultravysokého (UHV) a vysokého (EHV) napětí v Číně se elektromagnetické rušení z operací GIS odpojovacích přepínačů stává stále vážnějším problémem. Koaxiální struktura GIS, složená z vnitřních hliníkových/měděných vodičů a vnějších hliníkových/ocelových obalů, má vynikající vlastnosti pro přenos vysokých frekvencí. Díky efektu povrchového proudění proudy vysokofrekvenčních přechodných proudů tečou po vnější straně vodiče a vnitřní straně obalu, což obvykle brání úniku pole a udržuje obal v běžném stavu na zemském potenciálu.
Avšak když VFTO-indukované přechodné proudy setkají s nesouladem impedancí (např. u izolačních trubek nebo koncových částí kabelů), dochází k částečnému odrazu a lomení. Některé složky napětí se spojují mezi obalem a zemí, což způsobuje okamžité zvýšení potenciálu obalu, který by měl být jinak zazemlen. To představuje riziko pro bezpečnost osob a může zhoršit izolaci mezi obalem a vnitřními vodiči, což urychluje stárnutí materiálu a snižuje životnost zařízení. Navíc toto zvýšené napětí se šíří prostřednictvím kabelů a připojených zařízení do sekundárních systémů, kde způsobuje EMI, které vede k neoprávněnému spouštění, chybám dat nebo dokonce vnitřním poruchám—což přímo ohrožuje spolehlivost elektrického systému.
1.3 Elektromagnetické rušení (EMI)
V GIS podstanicích generují operace odpojovačů/spínacích přepínačů a blesky přechodné elektromagnetické pole, které ovlivňuje sekundární systémy prostřednictvím vedeného a radiálního spojení.
Vedené rušení vzniká prostřednictvím transformátorů pro měření a rozdílů potenciálu země. VFTO se spojují z primárních na sekundární obvody prostřednictvím cizích kapacit a indukčností v transformátorech. Ty také vstupují do zemění sítě prostřednictvím zemnících elektrod, což zvyšuje celkový potenciál země a vytváří zemní smyčky, které destabilizují sekundární zařízení.
Radiální rušení se vyskytuje, když přechodné EM pole se šíří prostorově a přímo se spojují se sekundárními kabely a zařízeními. Spojení elektrického pole ovlivňuje uzly s vysokou impedancí, což způsobuje zkreslení signálů nebo neoprávněné spouštění—zejména citlivé na vzdálenost, orientaci pole a geometrii zařízení. Spojení magnetického pole indukuje elektromotorické síly v obvodech smyček podle Faradayova zákona; jeho závažnost závisí na síle pole, rychlosti změny a ploše smyčky.
1.4 Efekty mechanických vibrací
Operace odpojovačů způsobují mechanické vibrace kvůli dopadu a tření styků a elektromagnetickým silám během přepínání. Rychlé oddělení při otevírání nebo silné zapnutí při zavírání generuje šokové vlny, které otřásají strukturou GIS. Vibrace se šíří dalšími spojkami a ozubením na sousední sekundární zařízení.
Takové vibrace mohou způsobit uvolnění mechanických spojů, degradaci elektrických spojů, zvýšení měřicích chyb nebo—za extrémních podmínek—krátké obvody. Dlouhodobé expozici urychluje stárnutí jak mechanických, tak elektronických komponent, což zkracuje životnost zařízení a kompromituje jeho spolehlivost.
2.Opatření k ochraně sekundárního zařízení
2.1 Optimalizovaný návrh struktury GIS
Výběr materiálů: Použití SF₆ směsí s vyšší dielektrickou pevností; výběr materiálů s nízkými ztrátami a vysokou vodivostí (např. Cu/Al) pro štítování; optimalizace délky sběrníků a kapacity pro potlačení amplitudy VFTO.
Strukturální vylepšení: Hladké geometrie vodičů a štítů pro snížení koncentrace elektrického pole; vylepšení návrhu podpory izolátorů pro rovnoměrné rozložení pole; implementace kontrolovaných rychlostí pohybu odpojovačů a přidání tlumičových obvodů pro absorpci přechodné energie.
Kontrola vibrací: Instalace hydraulických tlumičů nebo pružin v provozních mechanismech; použití gumových tlumičů mezi GIS a základnami; zlepšení přesnosti stykových ploch pro minimalizaci dopadových sil.
2.2 Zlepšené štítování a zemnění
Ochrana: Zabalte citlivé sekundární zařízení (např. relé, komunikační jednotky) do vodičových obalů (cinkovaná ocel/hliník) s uzavřenými švemi. Použijte stíněné nebo dvojitě stíněné kabely s vhodným ukončením; použijte filtrované konektory a síťové filtry na ventilaci. Pro krátké kabely (<10 m) použijte jednobodové zazemlení; pro delší trasy použijte vícebodové zazemlení, aby se minimalizovaly indukované napětí.
Zazemlení: Udržujte odpor zazemlení ≤4 Ω. V půdách s vysokou odporovostí nasazujte propojené zazemlovací sítě s vertikálními tyčemi. Použijte jednobodové zazemlení pro analogové obvody a vícebodové zazemlení pro digitální/vysokofrekvenční systémy. Optimalizujte rozložení sítě (např. obdélníková síť s křížovými elektrodami), aby bylo zajištěno rovnoměrné rozložení proudů a nízké potenciální gradienty.
2.3 Filtrační a potlačovací technologie
Filtry: Nainstalujte síťové filtry na vstupy sekundárního zařízení, aby blokovaly vysokofrekvenční rušení. Použijte algoritmy digitálního filtru signálů k zlepšení integrity dat v komunikačních kanálech.
Ochrana před přepětím: Nasazujte ZnO ochranné prvky poblíž sekundárního zařízení, aby se uchopily VFTO a přepínací přepětí. Použijte ochranné prvky proti přepětí (SPD) na signálových a komunikačních linkách, aby se přechodné energie odklonily k zemi, což zajišťuje stabilní přenos slabých signálů.
2.4 Posílení odolnosti sekundárního zařízení
