Análisis de Impacto de las Operaciones del Interruptor en GIS sobre el Equipo Secundario

Impacto de las Operaciones del Interruptor en Equipos Secundarios y Medidas de Mitigación

1.Impactos de las Operaciones del Interruptor en Equipos Secundarios
1.1 Efectos de Sobretensión Transitoria
Durante las operaciones de apertura/cierre de los interruptores de equipos de distribución aislados en gas (GIS), la reencendido y extinción repetitiva del arco entre contactos causa un intercambio de energía entre la inductancia y la capacitancia del sistema, generando sobretensiones de conmutación con magnitudes 2-4 veces el voltaje nominal de fase y duraciones que van desde decenas de microsegundos hasta varios milisegundos. Cuando se opera con barras cortas—donde la velocidad de los contactos del interruptor es lenta y no existe capacidad de apagado de arcos—los fenómenos de prechispa y rechispa producen sobretensiones transitorias muy rápidas (VFTO).

Las VFTO se propagan a través de los conductores internos y las cajas de GIS. En las discontinuidades de impedancia (por ejemplo, embocaduras, transformadores instrumentales, terminaciones de cable), las ondas viajeras se reflejan, refractan y superponen, distorsionando las formas de onda y amplificando los picos de VFTO. Con frentes de onda empinados y tiempos de subida a escala de nanosegundos, las VFTO inducen sobretensiones transitorias en las entradas de los equipos secundarios, poniendo en riesgo los componentes electrónicos sensibles. Esto puede causar que los relés de protección funcionen mal—desencadenando desconexiones injustificadas—ande perturbar el procesamiento de señales de alta precisión y la transmisión de datos. Además, la interferencia electromagnética (EMI) de alta frecuencia generada por las VFTO degrada los módulos de comunicación, aumentando las tasas de error de bits o causando pérdida de datos, lo que perjudica las funciones de monitoreo y control de la subestación.

1.2 Elevación del Potencial de la Caja
A medida que China expande sus redes de ultra-alta tensión (UHV) y extra-alta tensión (EHV), la interferencia electromagnética de las operaciones de interruptores de GIS ha ido en aumento. La estructura coaxial de GIS—que consta de conductores internos de aluminio/cobre y cajas externas de aluminio/acero—muestra una excelente transmisión de alta frecuencia. Debido al efecto de piel, las corrientes transitorias de alta frecuencia fluyen a lo largo de la superficie externa del conductor y la superficie interna de la caja, generalmente evitando la fuga de campo y manteniendo la caja a potencial de tierra bajo condiciones normales.

Sin embargo, cuando las corrientes transitorias inducidas por VFTO encuentran desajustes de impedancia (por ejemplo, en embocaduras o terminaciones de cable), ocurren reflejos y refracciones parciales. Algunos componentes de voltaje se acoplan entre la caja y la tierra, causando un aumento instantáneo del potencial en la caja que normalmente está a tierra. Esto representa riesgos para la seguridad del personal y puede degradar el aislamiento entre la caja y los conductores internos, acelerando el envejecimiento del material y reduciendo la vida útil del equipo. Además, este potencial elevado se propaga a través de cables y dispositivos conectados a sistemas secundarios, induciendo EMI que lleva a desconexiones falsas, errores de datos o incluso fallos internos—amenazando directamente la confiabilidad del sistema eléctrico.

1.3 Interferencia Electromagnética (EMI)
En subestaciones GIS, las operaciones de interruptores/desconectores y los rayos generan campos electromagnéticos transitorios que afectan a los sistemas secundarios a través de acoplamiento conducido y radiado.

• La interferencia conducida se produce a través de transformadores instrumentales y diferencias de potencial de tierra. Las VFTO se acoplan de los circuitos primarios a los secundarios a través de la capacitancia y la inductancia parasitarias en los transformadores. También se inyectan en la red de tierra a través de electrodos de tierra, elevando el potencial de toda la tierra y creando bucles de tierra que inestabilizan los equipos secundarios.

• La interferencia radiada ocurre cuando los campos EM transitorios se propagan a través del espacio, acoplando directamente a los cables y dispositivos secundarios. El acoplamiento del campo eléctrico afecta a los nodos de alta impedancia, causando distorsión de señal o disparos falsos—especialmente sensible a la distancia, la orientación del campo y la geometría del dispositivo. El acoplamiento del campo magnético induce fuerzas electromotrices en los bucles de circuito según la ley de Faraday; su severidad depende de la intensidad del campo, la tasa de cambio y el área del bucle.

1.4 Efectos de la Vibración Mecánica
Las operaciones del interruptor inducen vibraciones mecánicas debido al impacto de contacto, la fricción y las fuerzas electromagnéticas durante las acciones de conexión/desconexión. La separación rápida durante la apertura o el enganche forzoso durante el cierre generan ondas de choque que vibran la estructura de GIS. La transmisión a través de uniones y engranajes propaga aún más las vibraciones a los equipos secundarios adyacentes.

Estas vibraciones pueden aflojar los elementos de fijación mecánica, degradar las conexiones eléctricas, aumentar los errores de medición o, en condiciones extremas, causar cortocircuitos. La exposición a largo plazo acelera el envejecimiento de los componentes mecánicos y electrónicos, acortando la vida útil del equipo y comprometiendo la confiabilidad.

2.Medidas de Mitigación para la Protección de Equipos Secundarios
2.1 Diseño Estructural Optimizado de GIS

• Selección de Materiales: Utilizar mezclas de SF₆ con mayor resistencia dieléctrica; seleccionar materiales de baja pérdida y alta conductividad (por ejemplo, Cu/Al) para blindaje; optimizar la longitud de la barra colectora y la capacitancia para suprimir la amplitud de VFTO.

• Mejoras Estructurales: Suavizar las geometrías de los conductores y blindajes para reducir la concentración del campo eléctrico; mejorar el diseño de soporte de aisladores para una distribución uniforme del campo; implementar velocidades de operación controladas del interruptor y agregar circuitos amortiguadores para absorber la energía transitoria.

• Control de Vibraciones: Instalar amortiguadores hidráulicos o resortes en los mecanismos de operación; usar amortiguadores de goma entre GIS y cimientos; mejorar la precisión de las superficies de contacto para minimizar las fuerzas de impacto.

2.2 Blindaje y Tierra Mejorados

• Pantalla: Encierre los dispositivos secundarios sensibles (por ejemplo, relés, unidades de comunicación) en cajas conductoras (acero galvanizado/aluminio) con juntas selladas. Utilice cables blindados o doblemente blindados con terminación adecuada; aplique conectores filtrados y pantallas de malla en las ventilaciones. Para cables cortos (<10 m), utilice un sistema de tierra de un solo punto; para largas distancias, adopte un sistema de tierra multipunto para minimizar las tensiones inducidas.

• Tierra: Mantenga la resistencia de tierra ≤4 Ω. En suelos de alta resistividad, despliegue redes de tierra interconectadas con varillas verticales. Utilice un sistema de tierra de un solo punto para circuitos analógicos y un sistema de tierra multipunto para sistemas digitales/de alta frecuencia. Optimice el diseño de la red (por ejemplo, malla rectangular con electrodos de cruce) para garantizar una dispersión uniforme de la corriente y gradientes de potencial bajos.

2.3 Tecnologías de Filtro y Supresión

• Filtros: Instale filtros de línea de alimentación en las entradas del equipo secundario para bloquear el ruido de alta frecuencia. Aplique algoritmos de filtrado de señales digitales para mejorar la integridad de los datos en los canales de comunicación.

• Protección contra sobretensiones: Despliegue arrestadores de ZnO cerca del equipo secundario para limitar VFTOs y sobretensiones de conmutación. Utilice dispositivos de protección contra sobretensiones (SPDs) en líneas de señal y comunicación para desviar la energía transitoria a tierra, asegurando una transmisión estable de señales débiles.

2.4 Reforzamiento del Equipo Secundario

• Protección de Hardware: Refuerce los soportes de montaje con acero más grueso y refuerzos adicionales. Aisle el equipo utilizando montajes de goma o aisladores de vibración de dos etapas. Asegure las PCBs con substratos más gruesos, fijaciones perimetrales y almohadillas de amortiguación. Potencie componentes críticos (por ejemplo, CI, relés) en encapsulantes o portadores elásticos para prevenir aflojamiento. Evite trazos largos y delgados para reducir el riesgo de fractura.

• Protección de Software: Implemente sumas de comprobación y códigos correctores de errores (ECC) para detectar/corregir la corrupción de datos. Inserte instrucciones "NOP" (sin operación) en el firmware para permitir la recuperación de saltos de programa inducidos por EMI, previniendo bloqueos y mejorando la resiliencia del sistema.

3.Conclusión
Una comprensión exhaustiva de cómo las operaciones del interruptor de GIS afectan al equipo secundario revela que estrategias de mitigación comprehensivas son esenciales para la confiabilidad de la red. Durante el diseño, construcción y operación de sistemas de potencia, la compatibilidad electromagnética (EMC) entre GIS y sistemas secundarios debe ser priorizada. Al integrar la optimización estructural, un blindaje/terraje robusto, filtrado avanzado y el endurecimiento de hardware/software, se pueden minimizar eficazmente los efectos adversos de los transitorios inducidos por el interruptor, la EMI y la vibración, asegurando una entrega de energía más segura, confiable y resiliente.