Analyse d'impact des opérations de disjoncteur GIS sur les équipements secondaires
Impact de l'opération des disjoncteurs GIS sur les équipements secondaires et mesures d'atténuation
1.Impacts de l'opération des disjoncteurs GIS sur les équipements secondaires
1.1 Effets des surtensions transitoires
Lors des opérations d'ouverture/fermeture des disjoncteurs de postes à enceintes isolées à gaz (GIS), la répétition de l'arc électrique entre les contacts provoque un échange d'énergie entre l'inductance et la capacité du système, générant des surtensions de commutation dont l'amplitude est 2 à 4 fois supérieure à la tension nominale de phase, avec des durées allant de quelques dizaines de microsecondes à plusieurs millisecondes. Lors de l'exploitation de barres d'alimentation courtes, où la vitesse de contact du disjoncteur est lente et n'a pas de capacité d'extinction d'arc, les phénomènes de pré-discharge et de re-discharge produisent des surtensions transitoires très rapides (VFTO).
Les VFTO se propagent à travers les conducteurs internes et les enceintes du GIS. Aux discontinuités d'impédance (par exemple, aux embases, aux transformateurs de mesure, aux terminaisons de câbles), les ondes de propagation se réfléchissent, se réfractent et s'ajoutent, déformant les formes d'onde et amplifiant les pics de VFTO. Avec des fronts d'onde abrupts et des temps de montée à l'échelle des nanosecondes, les VFTO induisent des surtensions transitoires aux entrées des équipements secondaires, risquant d'endommager les composants électroniques sensibles. Cela peut entraîner le mauvais fonctionnement des relais de protection, déclenchant des coupures non justifiées, et perturber le traitement de signaux haute précision et la transmission de données. De plus, l'interférence électromagnétique (EMI) générée par les VFTO dégrade les modules de communication, augmentant les taux d'erreur de bits ou causant la perte de données, affectant ainsi les fonctions de surveillance et de contrôle de la sous-station.
1.2 Élévation du potentiel de l'enceinte
Alors que la Chine étend ses réseaux à très haute tension (UHV) et extra-haute tension (EHV), l'interférence électromagnétique due aux opérations des disjoncteurs GIS devient de plus en plus sévère. La structure coaxiale du GIS, composée de conducteurs intérieurs en aluminium/cuivre et d'enceintes extérieures en aluminium/acier, présente une excellente transmission à haute fréquence. En raison de l'effet de peau, les courants transitoires à haute fréquence circulent le long de la surface extérieure du conducteur et de la surface intérieure de l'enceinte, empêchant généralement la fuite du champ et maintenant l'enceinte à un potentiel de terre sous des conditions normales.
Cependant, lorsque les courants transitoires induits par les VFTO rencontrent des incompatibilités d'impédance (par exemple, aux embases ou aux terminaisons de câbles), une réflexion partielle et une réfraction se produisent. Certaines composantes de tension se couplent entre l'enceinte et la terre, provoquant une élévation instantanée du potentiel de l'enceinte autrement mise à la terre. Cela pose des risques pour la sécurité des personnes et peut dégrader l'isolation entre l'enceinte et les conducteurs internes, accélérant le vieillissement des matériaux et réduisant la durée de vie des équipements. De plus, ce potentiel élevé se propage via les câbles et les dispositifs connectés dans les systèmes secondaires, induisant une EMI qui conduit à des fausses coupures, des erreurs de données, ou même des ruptures internes—menaçant directement la fiabilité du système électrique.
1.3 Interférences électromagnétiques (EMI)
Dans les postes GIS, les opérations de disjoncteurs/coupureurs et les coups de foudre génèrent des champs électromagnétiques transitoires qui affectent les systèmes secondaires par couplage conductif et rayonné.
L'interférence conductive se produit à travers les transformateurs de mesure et les différences de potentiel de terre. Les VFTO se couplent des circuits primaires aux circuits secondaires via la capacité parasite et l'inductance dans les transformateurs. Elles s'injectent également dans la grille de terre par l'intermédiaire des électrodes de terre, augmentant le potentiel global de la terre et créant des boucles de terre qui déstabilisent les équipements secondaires.
L'interférence rayonnée se produit lorsque les champs électromagnétiques transitoires se propagent dans l'espace, se couplant directement aux câbles et aux dispositifs secondaires. Le couplage du champ électrique affecte les nœuds à haute impédance, causant une distorsion du signal ou un déclenchement erroné—particulièrement sensible à la distance, à l'orientation du champ et à la géométrie du dispositif. Le couplage du champ magnétique induit des forces électromotrices dans les boucles de circuit selon la loi de Faraday ; sa gravité dépend de l'intensité du champ, du taux de variation et de la surface de la boucle.
1.4 Effets des vibrations mécaniques
Les opérations de disjoncteurs induisent des vibrations mécaniques dues à l'impact des contacts, au frottement et aux forces électromagnétiques lors des actions de fermeture/ouverture. La séparation rapide lors de l'ouverture ou l'engagement forcé lors de la fermeture génèrent des ondes de choc qui font vibrer la structure du GIS. La transmission par les liaisons et les engrenages propage ces vibrations aux équipements secondaires adjacents.
Ces vibrations peuvent desserrer les fixations mécaniques, dégrader les connexions électriques, augmenter les erreurs de mesure, ou—dans des conditions extrêmes—causer des courts-circuits. L'exposition à long terme accélère le vieillissement des composants mécaniques et électroniques, raccourcissant la durée de vie des équipements et compromettant leur fiabilité.
2.Mesures d'atténuation pour la protection des équipements secondaires
2.1 Conception optimisée de la structure GIS
Sélection des matériaux : Utiliser des mélanges SF₆ avec une résistance diélectrique plus élevée ; sélectionner des matériaux à faible perte et à haute conductivité (par exemple, Cu/Al) pour le blindage ; optimiser la longueur des barres d'alimentation et la capacité pour atténuer l'amplitude des VFTO.
Améliorations structurelles : Lisser les géométries des conducteurs et des blindages pour réduire la concentration du champ électrique ; améliorer la conception des supports d'isolateurs pour une distribution uniforme du champ ; mettre en œuvre des vitesses d'opération contrôlées des disjoncteurs et ajouter des circuits d'amortissement pour absorber l'énergie transitoire.
Contrôle des vibrations : Installer des amortisseurs hydrauliques ou des ressorts dans les mécanismes d'exploitation ; utiliser des amortisseurs en caoutchouc entre le GIS et les fondations ; améliorer la précision des surfaces de contact pour minimiser les forces d'impact.
2.2 Blindage et mise à la terre améliorés
Écrans : Enfermez les dispositifs secondaires sensibles (par exemple, relais, unités de communication) dans des boîtiers conducteurs (acier galvanisé/aluminium) avec des joints scellés. Utilisez des câbles blindés ou double-blindés avec une terminaison adéquate ; appliquez des connecteurs filtrés et des écrans en maille sur les ventilations. Pour les câbles courts (<10 m), utilisez un point de mise à la terre unique ; pour les longues distances, adoptez une mise à la terre multipoint pour minimiser les tensions induites.
Mise à la terre : Maintenez la résistance de mise à la terre ≤4 Ω. Dans les sols de haute résistivité, déployez des grilles de mise à la terre interconnectées avec des tiges verticales. Utilisez une mise à la terre unique pour les circuits analogiques et une mise à la terre multipoint pour les systèmes numériques/hautes fréquences. Optimisez la disposition de la grille (par exemple, maillage rectangulaire avec électrodes en croix) pour assurer une dispersion uniforme du courant et des gradients de potentiel faibles.
2.3 Technologies de filtration et de suppression
Filtres : Installez des filtres de ligne électrique aux entrées des équipements secondaires pour bloquer le bruit de haute fréquence. Appliquez des algorithmes de filtrage de signaux numériques pour améliorer l'intégrité des données dans les canaux de communication.
Protection contre les surtensions : Déployez des parafoudres ZnO près des équipements secondaires pour limiter les VFTOs et les surtensions de commutation. Utilisez des dispositifs de protection contre les surtensions (SPDs) sur les lignes de signal et de communication pour dévier l'énergie transitoire vers la terre, assurant ainsi une transmission stable des signaux faibles.
2.4 Renforcement de la durcissement des équipements secondaires
Protection matérielle : Renforcez les supports de montage avec de l'acier plus épais et ajoutez des raidisseurs. Isolez les équipements en utilisant des supports en caoutchouc ou des isolateurs de vibration à deux étages. Sécurisez les PCB avec des substrats plus épais, des fixations d'arêtes et des coussinets d'amortissement. Potentiez les composants critiques (par exemple, CI, relais) dans des encapsulants ou des supports élastiques pour éviter leur desserrage. Évitez les traces longues et fines pour réduire le risque de fracture.
Protection logicielle : Implémentez des sommes de contrôle et des codes correcteurs d'erreurs (ECC) pour détecter/corriger la corruption des données. Insérez des instructions "NOP" (no-operation) dans le firmware pour permettre la récupération après des sauts de programme induits par les CEM, prévenant les blocages et améliorant la résilience du système.
3.Conclusion
Une compréhension approfondie de l'impact des opérations de disjoncteur de GIS sur les équipements secondaires révèle que des stratégies de mitigation complètes sont essentielles pour la fiabilité du réseau. Lors de la conception, de la construction et de l'exploitation des systèmes de puissance, la compatibilité électromagnétique (CEM) entre le GIS et les systèmes secondaires doit être priorisée. En intégrant l'optimisation structurelle, un blindage et une mise à la terre robustes, un filtrage avancé, et un durcissement matériel/logiciel, les effets néfastes des transitoires induits par le disjoncteur, des CEM et des vibrations peuvent être efficacement minimisés—assurant ainsi une distribution de puissance plus sûre, plus fiable et plus résiliente.
