تحلیل تأثیر عملیات جداکننده GIS بر تجهیزات ثانویه

تأثیر عملیات جداکننده GIS بر تجهیزات ثانویه و اقدامات کاهش آسیب‌پذیری

۱. تأثیرات عملیات جداکننده GIS بر تجهیزات ثانویه
۱.۱ تأثیرات ولتاژ فراگذری موقت
در طول عملیات باز/بسته شدن جداکننده‌های سیستم قطع و بسته شدن عایق‌دار (GIS)، دوباره روشن شدن و خاموش شدن مکرر قوس الکتریکی بین نقاط تماس منجر به تبادل انرژی بین القایی و ظرفیتی سیستم می‌شود، که ولتاژ فراگذری موقت با دامنه ۲-۴ برابر ولتاژ فاز نامی و مدت زمانی از چند ده میکروثانیه تا چند میلی‌ثانیه تولید می‌کند. هنگام عملیات روی میله‌های کوتاه—که سرعت تماس جداکننده کند است و قابلیت خاموش کردن قوس الکتریکی وجود ندارد—پدیده‌های پیش‌ضربه و ضربه مجدد ولتاژ فراگذری بسیار سریع (VFTO) را ایجاد می‌کنند.

VFTOs از طریق رساناهای داخلی GIS و پوشش‌ها منتشر می‌شوند. در نقاط ناپیوستگی مقاومت (مثلاً بوشینگ‌ها، ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری، پایانه‌های کابل)، امواج حرکتی بازتاب، لرزش و ترکیب می‌یابند، که امواج را تحریف و قله‌های VFTO را تقویت می‌کند. با لبه‌های موج تند و زمان بالاریزی در مقیاس نانوثانیه، VFTOs افزایش موقت ولتاژ در ورودی‌های تجهیزات ثانویه را القا می‌کنند، که می‌تواند باعث آسیب به الکترونیک حساس شود. این می‌تواند باعث عملکرد نادرست رеле‌های محافظ شود—که باعث قطع نامطلوب می‌شود—و موجب اختلال در پردازش سیگنال‌های با دقت بالا و انتقال داده شود. علاوه بر این، ایجاد تحریکات الکترومغناطیسی با فرکانس بالا (EMI) توسط VFTO، ماژول‌های ارتباطی را تضعیف می‌کند، که باعث افزایش نرخ خطای بیت یا از دست دادن داده می‌شود، بنابراین عملکرد نظارت و کنترل زیرстан را کاهش می‌دهد.

۱.۲ افزایش پتانسیل پوشش
با گسترش شبکه‌های ولتاژ بسیار بالا (UHV) و ولتاژ فوق العاده بالا (EHV) در چین، تداخل الکترومغناطیسی ناشی از عملیات جداکننده‌های GIS بیشتر شده است. ساختار هم‌محور GIS—که شامل رساناهای داخلی آلومینیوم/مس و پوشش‌های خارجی آلومینیوم/فولاد است—انتقال با فرکانس بالا را به خوبی انجام می‌دهد. به دلیل اثر پوسته‌ای، جریان‌های موقت با فرکانس بالا از سطح خارجی رسانا و سطح داخلی پوشش جریان می‌یابند، که معمولاً جلوگیری از تخلیه میدان و حفظ پوشش در پتانسیل زمین تحت شرایط عادی را امکان‌پذیر می‌سازد.

با این حال، هنگامی که جریان‌های موقت ناشی از VFTO با عدم تطابق مقاومت (مثلاً در بوشینگ‌ها یا پایانه‌های کابل) مواجه می‌شوند، بازتاب و لرزش جزئی اتفاق می‌افتد. برخی اجزای ولتاژ بین پوشش و زمین متصل می‌شوند، که باعث افزایش پتانسیل لحظه‌ای پوشش می‌شود که معمولاً زمین شده است. این خطراتی برای ایمنی کارکنان ایجاد می‌کند و می‌تواند عایق بین پوشش و رساناهای داخلی را تضعیف کند، موجب تسریع پیری مواد و کاهش عمر تجهیزات شود. علاوه بر این، این پتانسیل افزایش یافته از طریق کابل‌ها و دستگاه‌های متصل به سیستم‌های ثانویه منتشر می‌شود، که باعث EMI می‌شود و موجب قطع غیرمجاز، خطاهای داده یا حتی خرابی داخلی می‌شود—که مستقیماً قابلیت اطمینان سیستم برق را تهدید می‌کند.

۱.۳ تداخل الکترومغناطیسی (EMI)
در زیرستان‌های GIS، عملیات جداکننده/قطع‌کننده و ضربات صاعقه میدان‌های الکترومغناطیسی موقت تولید می‌کنند که از طریق هم‌پیوندی هدایتی و تشعشعی بر سیستم‌های ثانویه تأثیر می‌گذارند.

• هم‌پیوندی هدایتی از طریق ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری و تفاوت‌های پتانسیل زمین ایجاد می‌شود. VFTOs از مدارهای اولیه به مدارهای ثانویه از طریق ظرفیت و القای ناخواسته در ترانسفورماتورها متصل می‌شوند. آنها همچنین از طریق الکترودهای زمینی به شبکه زمینی وارد می‌شوند، که پتانسیل کل زمین را افزایش می‌دهد و حلقه‌های زمینی را ایجاد می‌کند که تجهیزات ثانویه را ناپایدار می‌کند.

• هم‌پیوندی تشعشعی در صورتی اتفاق می‌افتد که میدان‌های EM موقت از طریق فضا منتشر می‌شوند و مستقیماً به کابل‌ها و دستگاه‌های ثانویه متصل می‌شوند. هم‌پیوندی میدان الکتریکی گره‌های با مقاومت بالا را تحت تأثیر قرار می‌دهد، که باعث تحریف سیگنال یا فعال شدن نامطلوب می‌شود—به ویژه حساس به فاصله، جهت میدان و هندسه دستگاه. هم‌پیوندی میدان مغناطیسی با استفاده از قانون فارادی نیروهای الکتروموتوری را در حلقه‌های مدار القا می‌کند؛ شدت آن به قدرت میدان، نرخ تغییر و مساحت حلقه بستگی دارد.

۱.۴ تأثیرات ارتعاشات مکانیکی
عملیات جداکننده ارتعاشات مکانیکی را به دلیل ضربه تماس، اصطکاک و نیروهای الکترومغناطیسی در طول عملیات باز/بسته شدن القا می‌کند. جدایی سریع در باز شدن یا تماس قوی در بسته شدن موج‌های شوکی ایجاد می‌کند که ساختار GIS را ارتعاش می‌دهند. انتقال از طریق پیوندها و دنده‌ها ارتعاشات را به تجهیزات ثانویه مجاور منتشر می‌کند.

چنین ارتعاشاتی می‌توانند میخ‌های مکانیکی را آزاد کنند، اتصالات الکتریکی را تضعیف کنند، خطاهای اندازه‌گیری را افزایش دهند یا—در شرایط حدی—باعث کوپانی شوند. مواجهه بلندمدت موجب تسریع پیری اجزای مکانیکی و الکترونیکی، کاهش عمر تجهیزات و کاهش قابلیت اطمینان می‌شود.

۲. اقدامات کاهش آسیب‌پذیری برای حفاظت از تجهیزات ثانویه
۲.۱ طراحی ساختاری GIS بهینه

• انتخاب مواد: استفاده از ترکیبات SF₆ با مقاومت عایقی بالاتر؛ انتخاب مواد با تلفات کم و هدایتی بالا (مثلاً Cu/Al) برای پوشش؛ بهینه‌سازی طول و ظرفیت میله‌ها برای کاهش دامنه VFTO.

• بهبود ساختاری: هموار کردن هندسه رسانا و پوشش برای کاهش تمرکز میدان الکتریکی؛ بهبود طراحی پشتیبانی عایق برای توزیع میدان یکنواخت؛ اجرای سرعت‌های کنترل شده عملیات جداکننده و اضافه کردن مدارهای میرا برای جذب انرژی موقت.

• کنترل ارتعاش: نصب بوفرهای هیدرولیک یا فنرهایی در سیستم‌های عملیاتی؛ استفاده از دمپرهای کاوچو بین GIS و پایه‌ها؛ بهبود دقت سطح تماس برای کاهش نیروهای ضربه‌ای.

۲.۲ پوشش و زمین‌کشی بهبود یافته

• پوشش: دستگاه‌های ثانویه حساس (مانند رله‌ها، واحد‌های ارتباطی) را در قاب‌های هادی (فولاد زنگ‌ناپذیر/آلومینیوم) با جوینت‌های مهر و موم شده قرار دهید. از کابل‌های پوشش دار یا دو برابر پوشش دار با ترمینال‌های مناسب استفاده کنید؛ کنکتورهای فیلتر شده و صفحات مش بر روی دهانه‌ها نصب کنید. برای کابل‌های کوتاه (<10 متر)، از زمین‌سازی تک نقطه‌ای استفاده کنید؛ برای خطوط طولانی‌تر، از زمین‌سازی چند نقطه‌ای برای کمینه کردن ولتاژهای القایی استفاده کنید.

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

2.3 تکنولوژی‌های فیلترینگ و سرکوب

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

• حفاظت از افزایش سریع ولتاژ: محافظ‌های ZnO را نزدیک دستگاه‌های ثانویه نصب کنید تا VFTOs و افزایش‌های سوئیچینگ را محدود کنید. از دستگاه‌های محافظ از افزایش سریع (SPDs) در خطوط سیگنال و ارتباطی استفاده کنید تا انرژی موقت را به زمین هدایت کنید و انتقال پایدار سیگنال ضعیف را تضمین کنید.

2.4 تقویت سخت‌افزار دستگاه‌های ثانویه

• حفاظت سخت‌افزاری: براکت‌های نصب را با فولاد ضخیم‌تر و اضافه کردن تقویت‌کننده‌ها تقویت کنید. دستگاه‌ها را با استفاده از مونتاژ‌های لاستیکی یا جداکننده‌های لرزش دو مرحله‌ای جدا کنید. PCB‌ها را با زیربناهای ضخیم‌تر، تثبیت‌کننده‌های لبه‌ای و پد‌های میرا کنید. مؤلفه‌های حیاتی (مانند ICs، رله‌ها) را در مواد پوششی یا دارندگان الاستیک قرار دهید تا از تحرک آن‌ها جلوگیری شود. از ردیف‌های بلند و نازک پرهیز کنید تا خطر شکست را کاهش دهید.

• حفاظت نرم‌افزاری: برای تشخیص و اصلاح فساد داده، چک‌سام‌ها و کدهای اصلاح خطا (ECC) را اجرا کنید. دستورالعمل‌های "NOP" (بدون عمل) را در فرم‌واره اضافه کنید تا از بازیابی از پرش‌های برنامه‌ای ناشی از EMI امکان‌پذیر شود، از دیده‌بانی‌ها جلوگیری کنید و استحکام سیستم را افزایش دهید.

3. نتیجه‌گیری
درک کامل 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 مورد توجه قرار گیرد. با یکپارچه‌سازی بهینه‌سازی ساختاری، پوشش و زمین‌سازی محکم، فیلترینگ پیشرفته و تقویت سخت‌افزاری و نرم‌افزاری، اثرات نامطلوب ناشی از ترانزیت‌های القایی جداکننده، EMI و لرزش می‌تواند به طور مؤثر کاهش یابد—با اطمینان بیشتر، قابلیت اطمینان بیشتر و تحویل توان مقاوم تر.