Auswirkungsanalyse der GIS-Abzweigbetriebe auf sekundäre Ausrüstung

Auswirkungen von GIS-Schalteroperationen auf sekundäre Ausrüstung und Minderungsmaßnahmen

1.Auswirkungen von GIS-Schalteroperationen auf sekundäre Ausrüstung
1.1 Übertransiente Spannungseffekte
Während der Öffnen- und Schließenoperationen von Gasgefüllten Schaltanlagen (GIS)-Abschaltschaltern führt das wiederholte Zünden und Erlöschen des Bogens zwischen den Kontakten zu einem Energieaustausch zwischen Systeminduktivität und Kapazität, wodurch Schaltüberspannungen entstehen, die 2–4 Mal so hoch wie die Nennphasenspannung sind und Dauern von einigen Mikrosekunden bis mehrere Millisekunden haben. Bei der Betätigung kurzer Busleitungen, wo die Kontaktgeschwindigkeit langsam ist und keine Bogenlöschfähigkeit besteht, erzeugen Vor- und Nachzündungsvorgänge sehr schnelle transiente Überspannungen (VFTOs).

VFTOs verbreiten sich durch interne GIS-Leiter und Gehäuse. An Impedanzunstetigkeiten (z.B., Buchsen, Meßtransformator, Kabelenden) reflektieren, brechen und überlagern sich Laufwellen, was Wellenformen verzerren und VFTO-Spitzen verstärken kann. Mit steilen Wellenvorderflanken und Nanosekunden-Aufsteigezeiten induzieren VFTOs transiente Spannungsspitzen an den Eingängen der sekundären Ausrüstung, was zu Schäden an empfindlicher Elektronik führen kann. Dies kann dazu führen, dass Schutzrelais fehlmelden – ungewolltes Auslösen auslösen – und die hochpräzise Signalverarbeitung und Datentransmission stören. Darüber hinaus verschlechtert EMI (elektromagnetische Störungen), die durch VFTOs erzeugt werden, Kommunikationsmodule, erhöht Bitfehlerraten oder verursacht Datenverluste, was die Überwachungs- und Steuerfunktionen der Umspannanlage beeinträchtigt.

1.2 Potentialanstieg des Gehäuses
Mit dem Ausbau des ultra-hochspannungsfähigen (UHV) und extra-hochspannungsfähigen (EHV) Netzes in China sind elektromagnetische Störungen durch GIS-Schalteroperationen zunehmend schwerwiegender geworden. Die koaxiale Struktur von GIS, bestehend aus inneren Aluminium-/Kupferleitern und äußeren Aluminium-/Stahlgehäusen, zeigt ausgezeichnete Hochfrequenzübertragungseigenschaften. Aufgrund des Hauteffekts fließen Hochfrequenz-Transientenströme entlang der äußeren Oberfläche des Leiters und der inneren Oberfläche des Gehäuses, was normalerweise Feldlecks verhindert und das Gehäuse unter normalen Bedingungen auf Erdpotential hält.

Wenn jedoch VFTO-induzierte Transientenströme auf Impedanzunstimmigkeiten stoßen (z.B., an Buchsen oder Kabelenden), treten partielle Reflexionen und Brechungen auf. Einige Spannungskomponenten koppeln zwischen dem Gehäuse und der Erde, was einen instantanen Potentialanstieg am sonst geerdeten Gehäuse verursacht. Dies stellt eine Gefahr für die Personalsicherheit dar und kann die Isolierung zwischen Gehäuse und internen Leitern degradieren, Materialalterung beschleunigen und die Lebensdauer der Ausrüstung reduzieren. Darüber hinaus propagiert dieses erhöhte Potential über Kabel und verbundene Geräte in sekundäre Systeme, induziert EMI, was zu falschem Auslösen, Datenfehlern oder sogar internen Durchschlägen führen kann – was direkt die Zuverlässigkeit des Stromnetzes bedroht.

1.3 Elektromagnetische Störungen (EMI)
In GIS-Umspannanlagen erzeugen Schalter/Brecheroperationen und Blitzschläge transiente elektromagnetische Felder, die sekundäre Systeme über geführte und gestrahlte Kopplung beeinflussen.

• Geführte Störungen entstehen durch Meßtransformatoren und Potentialunterschiede im Erdungsnetz. VFTOs koppeln von primären zu sekundären Schaltkreisen über Streukapazitäten und Induktivitäten in Transformatoren. Sie injizieren auch in das Erdungsnetz durch Erdungselektroden, erhöhen das gesamte Erdpotential und erzeugen Erdungsschleifen, die sekundäre Ausrüstung destabilisieren.

• Gestrahlte Störungen treten auf, wenn transiente EM-Felder durch den Raum propagieren und direkt in sekundäre Kabel und Geräte koppeln. Elektrische Feldkopplung beeinflusst hochimpedante Knoten, was zu Signalverzerrungen oder Fehlauslösungen führt – besonders sensibel gegenüber Entfernung, Feldrichtung und Gerätegeometrie. Magnetische Feldkopplung induziert nach Faradayschem Gesetz elektromotorische Kräfte in Schaltkreisschleifen; ihre Schwere hängt von Feldstärke, Änderungsrate und Schleifenfläche ab.

1.4 Mechanische Schwingungseffekte
Schalteroperationen induzieren mechanische Schwingungen aufgrund von Kontaktaufprall, Reibung und elektromagnetischen Kräften während der Schließen- und Öffnenaktionen. Das schnelle Trennen beim Öffnen oder das kraftvolle Engagieren beim Schließen erzeugt Stoßwellen, die die GIS-Struktur schwingen lassen. Die Weiterleitung durch Verbindungen und Getriebe überträgt die Schwingungen auf benachbarte sekundäre Ausrüstung.

Solche Schwingungen können mechanische Verbindungen lockern, elektrische Verbindungen degradieren, Messfehler erhöhen oder – unter extremen Bedingungen – Kurzschlüsse verursachen. Langfristige Exposition beschleunigt das Alterungsprozess sowohl mechanischer als auch elektronischer Komponenten, verkürzt die Lebensdauer der Ausrüstung und beeinträchtigt die Zuverlässigkeit.

2.Minderungsmaßnahmen zum Schutz der sekundären Ausrüstung
2.1 Optimierte GIS-Strukturdesign

• Materialauswahl: Verwendung von SF₆-Mischungen mit höherer Dielektrizitätsfestigkeit; Auswahl von niedrigverlustigen, hochleitfähigen Materialien (z.B., Cu/Al) für Abschirmungen; Optimierung der Länge und Kapazität der Busleitungen zur Unterdrückung der VFTO-Amplitude.

• Strukturelle Verbesserungen: Glättung der Leiter- und Abschirmgeometrien, um die Konzentration des elektrischen Feldes zu reduzieren; Verbesserung des Isolatorstützdesigns für eine gleichmäßige Feldverteilung; Implementierung kontrollierter Schalterbetriebsgeschwindigkeiten und Hinzufügen von Dämpfungsschaltungen, um transiente Energie zu absorbieren.

• Schwingungsdämpfung: Installation hydraulischer Puffer oder Federn in den Betriebsvorrichtungen; Verwendung von Gummidämpfern zwischen GIS und Fundamenten; Verbesserung der Präzision der Kontaktoberflächen, um Aufprallskräfte zu minimieren.

2.2 Verbesserte Abschirmung und Erdung

• Abschirmung: Schützen Sie empfindliche sekundäre Geräte (z. B. Relais, Kommunikationseinheiten) durch Einhausung in leitfähige Gehäuse (verzinkter Stahl/Aluminium) mit abgedichteten Fugen. Verwenden Sie abgeschirmte oder doppelt abgeschirmte Kabel mit korrekter Abschlussleiste; wenden Sie gefilterte Steckverbindungen und Drahtgitter auf Lüftungsöffnungen an. Für kurze Kabel (<10 m) verwenden Sie eine Einpunkt-Erdschaltung; für längere Leitungen nutzen Sie eine Mehrpunkt-Erdschaltung, um induzierte Spannungen zu minimieren.

• Erdschaltung: Halten Sie den Erdschaltwiderstand ≤4 Ω. In Böden mit hoher Widerstandsfähigkeit setzen Sie vernetzte Erdgrids mit vertikalen Stäben ein. Verwenden Sie Einpunkt-Erdschaltung für analoge Schaltkreise und Mehrpunkt-Erdschaltung für digitale/Hochfrequenz-Systeme. Optimieren Sie die Gridanordnung (z. B. rechteckiges Gitter mit Kreuzungselektroden), um eine gleichmäßige Stromverteilung und geringe Potentialgradienten sicherzustellen.

2.3 Filter- und Unterdrückungstechnologien

• Filter: Installieren Sie Netzfilter an den Eingängen der sekundären Geräte, um Hochfrequenzrauschen zu blockieren. Wenden Sie digitale Signalfilteralgorithmen an, um die Datenintegrität in Kommunikationskanälen zu verbessern.

• Überspannungsschutz: Setzen Sie ZnO-Spannungsbegrenzer in der Nähe von sekundären Geräten ein, um VFTOs und Schaltüberlastungen zu begrenzen. Nutzen Sie Überspannungsschutzeinrichtungen (SPDs) auf Signal- und Kommunikationsleitungen, um transiente Energie zur Erde abzuleiten und eine stabile Übertragung schwacher Signale sicherzustellen.

2.4 Verstärktes Härten von sekundären Geräten

• Hardware-Schutz: Verstärken Sie Montagehalterungen mit dickem Stahl und zusätzlichen Versteifungen. Isolieren Sie Geräte mit Gummi-Halterungen oder zweistufigen Vibrationsschutzsystemen. Sichern Sie Platine mit dickeren Substraten, Randbefestigungen und Dämpfungspads. Potting kritische Komponenten (z. B. ICs, Relais) in Einschlüsse oder elastische Halterungen, um das Lockerwerden zu verhindern. Vermeiden Sie lange, dünne Leiterbahnen, um das Bruchrisiko zu reduzieren.

• Software-Schutz: Implementieren Sie Prüfsummen und Fehlerkorrekturcodes (ECC), um Datenbeschädigungen zu erkennen und zu korrigieren. Fügen Sie „NOP“-Befehle (keine Operation) in Firmware ein, um von EMI-induzierten Programmabstürzen wiederherzustellen, um Deadlocks zu vermeiden und die Systemresilienz zu erhöhen.

3. Schlussfolgerung
Eine gründliche Kenntnis der Auswirkungen von GIS-Trennschalteroperationen auf sekundäre Geräte zeigt, dass umfassende Minderungsstrategien für die Netzzuverlässigkeit unerlässlich sind. Bei der Planung, Bau und Betrieb von Stromversorgungssystemen muss die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zwischen GIS und sekundären Systemen priorisiert werden. Durch die Integration von Strukturoptimierung, robustem Abschirmen und Erdens, fortschrittlicher Filterung sowie Hardware- und Softwarehärten können die negativen Auswirkungen von Trennschalterinduzierten Transienten, EMI und Vibration effektiv minimiert werden – was sicherere, zuverlässigere und widerstandsfähigere Stromversorgung gewährleistet.