تحلیل تأثیر عملیات جداکننده GIS بر تجهیزات ثانویه

تأثیر عملیات جداکننده GIS بر تجهیزات ثانویه و اقدامات کاهش آن

1.تاثیر عملیات جداکننده GIS بر تجهیزات ثانویه
1.1 اثرات فرورفتگی ولتاژ موقت
در طول عملیات باز/بسته شدن جداکننده‌های تجهیزات عایق‌شده گاز (GIS)، بارها ریزش و خاموش شدن قوس بین تماس‌ها منجر به تبادل انرژی بین القای سیستم و ظرفیت می‌شود که ولتاژهای موقت با دامنه 2-4 برابر ولتاژ فاز اسمی و مدت زمانی از چند ده میکروثانیه تا چند میلیثانیه ایجاد می‌کند. هنگام عملیات روی میله‌های کوتاه—که سرعت تماس جداکننده کند است و قابلیت خاموش کردن قوس ندارد—پدیده‌های پیش‌ضربه و ضربه مجدد ولتاژهای موقت بسیار سریع (VFTOs) را ایجاد می‌کند.

VFTOs از طریق هادی‌ها و پوشش‌های داخلی GIS منتشر می‌شوند. در نقاط ناپیوستگی امپدانس (مثلاً، بوشینگ‌ها، ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری، پایانه‌های کابل)، امواج مسافر بازتاب، شکست و برهم‌نهی می‌یابند، موج‌ها را تحریف می‌کنند و قله‌های VFTO را تقویت می‌کنند. با موج‌های تیز و زمان‌های صعود در مقیاس نانوثانیه، VFTOs افزایش موقت ولتاژ در ورودی تجهیزات ثانویه را القاء می‌کنند، که می‌تواند باعث آسیب به الکترونیک حساس شود. این می‌تواند باعث عملکرد نادرست رله‌های محافظ—که باعث می‌شود تریپ‌های بی‌دلیل رخ دهد—و اختلال در پردازش سیگنال با دقت بالا و انتقال داده شود. علاوه بر این، تداخل الکترومغناطیسی با فرکانس بالا (EMI) که توسط VFTO ایجاد می‌شود، ماژول‌های ارتباطی را تضعیف می‌کند، نرخ خطای بیت را افزایش می‌دهد یا باعث از دست دادن داده می‌شود، که به تبع آن عملکرد نظارت و کنترل زیرстанیون را تضعیف می‌کند.

1.2 افزایش پتانسیل پوشش
با گسترش شبکه‌های ولتاژ بسیار بالا (UHV) و ولتاژ فوق بالا (EHV) در چین، تداخل الکترومغناطیسی ناشی از عملیات جداکننده GIS بسیار شدیدتر شده است. ساختار هم‌محور GIS—که شامل هادی‌های داخلی آلومینیوم/مس و پوشش‌های خارجی آلومینیوم/فولاد است—انتقال با فرکانس بالا را به خوبی نشان می‌دهد. به دلیل اثر پوست، جریان‌های موقت با فرکانس بالا در سطح بیرونی هادی و سطح داخلی پوشش حرکت می‌کنند، که معمولاً جلوی نشتی میدان را می‌گیرد و پوشش را تحت شرایط عادی در پتانسیل زمین نگه می‌دارد.

با این حال، هنگامی که جریان‌های موقت ناشی از VFTO با ناهماهنگی‌های امپدانس (مثلاً، در بوشینگ‌ها یا پایانه‌های کابل) مواجه می‌شوند، بازتاب و شکست جزئی رخ می‌دهد. برخی اجزای ولتاژ بین پوشش و زمین متصل می‌شوند، که باعث افزایش پتانسیل لحظه‌ای روی پوشش که معمولاً زمین شده است می‌شود. این مسئله خطراتی برای ایمنی افراد ایجاد می‌کند و می‌تواند عایق بین پوشش و هادی‌های داخلی را تضعیف کند، موجب تسریع در پیری مواد و کاهش طول عمر تجهیزات شود. علاوه بر این، این پتانسیل افزایش یافته از طریق کابل‌ها و دستگاه‌های متصل به سیستم‌های ثانویه منتشر می‌شود، که باعث تداخل الکترومغناطیسی (EMI) می‌شود و منجر به تریپ‌های غیرقابل قبول، خطاهای داده یا حتی خرابی‌های داخلی می‌شود—که مستقیماً قابلیت اطمینان سیستم توان را تهدید می‌کند.

1.3 تداخل الکترومغناطیسی (EMI)
در زیرستانیون‌های GIS، عملیات جداکننده/برش و ضربات برق منجر به ایجاد میدان‌های الکترومغناطیسی موقتی می‌شود که از طریق اتصال و اشعاع به سیستم‌های ثانویه تأثیر می‌گذارد.

• تداخل اتصالی از طریق ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری و تفاوت‌های پتانسیل زمین ایجاد می‌شود. VFTOs از مدارهای اصلی به مدارهای ثانویه از طریق ظرفیت‌های پرتوز و القایی در ترانسفورماتورها متصل می‌شوند. آنها همچنین از طریق الکترودهای زمین‌بندی به شبکه زمین‌بندی تزریق می‌شوند، که پتانسیل کل زمین را افزایش می‌دهد و حلقه‌های زمینی را ایجاد می‌کند که تجهیزات ثانویه را ناپایدار می‌کنند.

• تداخل اشعاعی زمانی رخ می‌دهد که میدان‌های الکترومغناطیسی موقت از طریق فضا منتشر می‌شوند و مستقیماً به کابل‌ها و دستگاه‌های ثانویه متصل می‌شوند. تراکم الکتریکی به گره‌های با امپدانس بالا تأثیر می‌گذارد، که باعث تحریف سیگنال یا تریپ‌های غیرقابل قبول می‌شود—به ویژه حساس به فاصله، جهت میدان و هندسه دستگاه. تراکم مغناطیسی با توجه به قانون فارادی نیروهای الکتروموتوری در حلقه‌های مدار القاء می‌کند؛ شدت آن به قدرت میدان، نرخ تغییر و مساحت حلقه بستگی دارد.

1.4 تأثیرات ارتعاشات مکانیکی
عملیات جداکننده ارتعاشات مکانیکی را به دلیل تصادم تماس، اصطکاک و نیروهای الکترومغناطیسی در طول عملیات باز/بسته شدن القاء می‌کند. جدا شدن سریع در حین باز شدن یا اتصال قوی در حین بسته شدن موج‌های شوکی ایجاد می‌کند که ساختار GIS را لرزان می‌کند. انتقال از طریق پیوندها و دنده‌ها ارتعاشات را به تجهیزات ثانویه مجاور منتقل می‌کند.

چنین ارتعاشاتی می‌تواند مهره‌های مکانیکی را آزاد کند، اتصالات الکتریکی را تضعیف کند، خطاهای اندازه‌گیری را افزایش دهد یا—در شرایط حدی—باعث کوپل شدن کوتاه شود. مواجهه بلندمدت باعث تسریع در پیری هر دو مؤلفه مکانیکی و الکترونیکی می‌شود، طول عمر تجهیزات را کاهش می‌دهد و قابلیت اطمینان را تهدید می‌کند.

2.اقدامات کاهش برای حفاظت از تجهیزات ثانویه
2.1 طراحی ساختاری بهینه GIS

• انتخاب ماده: استفاده از ترکیبات SF₆ با مقاومت عایقی بالاتر؛ انتخاب مواد با ضریب تلفات کم و هدایت بالا (مثلاً Cu/Al) برای محافظت؛ بهینه‌سازی طول میله و ظرفیت برای کاهش دامنه VFTO.

• بهبود‌های ساختاری: هندسه هادی و محافظ را برای کاهش تمرکز میدان الکتریکی هموار کنید؛ طراحی پشتیبانی عایق را برای توزیع یکنواخت میدان بهبود بخشید؛ سرعت عملیات جداکننده را کنترل کنید و مدارهای میراگر برای جذب انرژی موقت اضافه کنید.

• کنترل ارتعاش: بوفرهای هیدرولیک یا فنرهایی در مکانیزم‌های عملیات نصب کنید؛ استفاده از دمپر‌های کاوچو بین GIS و بنیان‌ها؛ دقت سطح تماس را برای کاهش نیروهای ضربه‌ای بهبود بخشید.

2.2 محافظت و زمین‌بندی بهبود یافته

• پوشش: دستگاه‌های ثانویه حساس (مثلاً رله‌ها، واحدهای ارتباطی) را در جعبه‌های هادی (فولاد تزئینی/آلومینیوم) با شکاف‌های بسته قرار دهید. کابل‌های پوشش‌دار یا دوباره پوشش‌دار با پایان‌یابی مناسب استفاده کنید؛ اتصالات فیلتر شده و صفحات شبکه روی دهانه‌ها استفاده کنید. برای کابل‌های کوتاه (<10 متر)، از زمین‌سازی تک نقطه‌ای استفاده کنید؛ برای مسافت‌های طولانی‌تر، از زمین‌سازی چند نقطه‌ای برای کمینه کردن ولتاژهای القایی استفاده کنید.

• زمین‌سازی: مقاومت زمین‌سازی را ≤4 Ω نگه دارید. در خاک‌های با مقاومت بالا، شبکه‌های زمین‌سازی متصل شده با میله‌های عمودی را نصب کنید. برای مدارهای آنالوگ از زمین‌سازی تک نقطه‌ای و برای سیستم‌های دیجیتال/فرکانس بالا از زمین‌سازی چند نقطه‌ای استفاده کنید. طرح شبکه را بهینه کنید (مثلاً شبکه مستطیلی با الکترودهای تقاطعی) تا اطمینان حاصل کنید که پخش جریان یکنواخت و گرادیان پتانسیل کم است.

2.3 فناوری‌های فیلترینگ و سرکوب

• فیلترها: فیلترهای خط تغذیه را در ورودی دستگاه‌های ثانویه نصب کنید تا نویز فرکانس بالا را مسدود کنید. الگوریتم‌های فیلترینگ سیگنال دیجیتال را برای افزایش تمامیت داده در کانال‌های ارتباطی استفاده کنید.

• حفاظت از اوج‌های ولتاژ: نزدیک دستگاه‌های ثانویه ZnO arresters را نصب کنید تا VFTOs و اوج‌های ولتاژ کلیدزنی را کنترل کنید. از دستگاه‌های محافظت از اوج‌های ولتاژ (SPDs)      در خطوط سیگنال و ارتباطی استفاده کنید تا انرژی موقتی را به زمین منتقل کنید و انتقال پایدار سیگنال‌های ضعیف را تضمین کنید.

2.4 تقویت سخت‌سازی دستگاه‌های ثانویه

• حفاظت سخت‌افزاری: قوس‌های نصب را با فولاد ضخیم‌تر و اضافه کردن تقویت‌کننده‌ها تقویت کنید. دستگاه‌ها را با مونتاژ‌های لاستیکی یا جداکننده‌های ارتعاش دو مرحله‌ای جدا کنید. PCBها را با زیربناهای ضخیم‌تر، فیکس‌های لبه‌ای و پد‌های میرا کنید. قطعات مهم (مثلاً ICs، رله‌ها) را در مواد پوششی یا دارندگان الاستیک قرار دهید تا از تخلیه آنها جلوگیری کنید. از ردیف‌های طولانی و نازک اجتناب کنید تا خطر شکست را کاهش دهید.

• حفاظت نرم‌افزاری: چک‌سام‌ها و کدهای اصلاح خطا (ECC) را برای تشخیص/اصلاح فساد داده‌ها پیاده‌سازی کنید. دستورالعمل‌های "NOP" (بدون عمل)      را در فرم‌ور پیاده‌سازی کنید تا از بازیابی از پرش‌های برنامه‌ای ناشی از EMI امکان‌پذیر شود، جلوگیری از دیده‌بندی و افزایش مقاومت سیستم را تضمین کنید.

3. نتیجه‌گیری
درک جامع از اینکه چگونه عملیات جداکننده‌های GIS بر دستگاه‌های ثانویه تأثیر می‌گذارد، نشان می‌دهد که استراتژی‌های جامع کاهش ضرر برای قابلیت اطمینان شبکه ضروری است. در طراحی، ساخت و عملیات سیستم‌های توان، سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) بین GIS و سیستم‌های ثانویه باید اولویت داده شود. با یکپارچه‌سازی بهینه‌سازی ساختاری، پوشش‌های محکم/زمین‌سازی، فیلترینگ پیشرفته و سخت‌سازی سخت‌افزاری/نرم‌افزاری، اثرات نامطلوب ناشی از ترانزیت‌های القایی جداکننده، EMI و ارتعاش را می‌توان مؤثر بکاهند—برای تضمین تحویل توان ایمن‌تر، قابل اعتمادتر و مقاوم‌تر.