Analisi dell'Impatto delle Operazioni del Disconnettore GIS sull'Equipaggiamento Secondario

Impatto delle operazioni dei disgiuntori GIS sull'equipaggiamento secondario e misure di mitigazione

1.Impatti delle operazioni dei disgiuntori GIS sull'equipaggiamento secondario
1.1 Effetti degli overvoltage transitori
Durante le operazioni di apertura/chiusura dei disgiuntori dell'apparato isolato a gas (GIS), la riaccesa e l'estinzione ripetuta dell'arco tra i contatti causano uno scambio di energia tra induttanza e capacità del sistema, generando overvoltage di commutazione con ampiezze da 2 a 4 volte la tensione nominale di fase e durate che vanno da decine di microsecondi a diversi millisecondi. Quando si opera su busbar brevi—dove la velocità dei contatti del disgiuntore è lenta e non esiste capacità di estinzione dell'arco—i fenomeni di precolpo e ricolpo producono overvoltage transitori molto rapidi (VFTO).

I VFTO si propagano attraverso i conduttori interni e le custodie del GIS. Nei punti di discontinuità d'impedenza (ad esempio, bushing, trasformatori strumentali, terminazioni di cavi), le onde viaggianti si riflettono, si rifrangono e si sovrappongono, distorcendo le forme d'onda e amplificando i picchi dei VFTO. Con fronti d'onda ripidi e tempi di salita dell'ordine dei nanosecondi, i VFTO inducono surriscaldamenti di tensione transitoria all'ingresso dell'equipaggiamento secondario, mettendo a rischio danni agli elettronici sensibili. Ciò può causare il malfunzionamento dei relè di protezione—innescando spegnimenti ingiustificati—andare a disturbare l'elaborazione di segnali ad alta precisione e la trasmissione dei dati. Inoltre, l'interferenza elettromagnetica (EMI) generata dai VFTO degrada i moduli di comunicazione, aumentando i tassi di errore di bit o causando perdite di dati, compromettendo così le funzioni di monitoraggio e controllo della sottostazione.

1.2 Aumento del potenziale della custodia
Mentre la Cina espande le sue reti ad ultra-alta tensione (UHV) e extra-alta tensione (EHV), l'interferenza elettromagnetica derivante dalle operazioni dei disgiuntori GIS è diventata sempre più severa. La struttura coassiale del GIS—composta da conduttori interni in alluminio/rame e custodie esterne in alluminio/acciaio—presenta un'eccellente trasmissione ad alta frequenza. A causa dell'effetto pelle, le correnti transitorie ad alta frequenza scorrono lungo la superficie esterna del conduttore e la superficie interna della custodia, impedendo solitamente la dispersione del campo e mantenendo la custodia al potenziale di terra nelle condizioni normali.

Tuttavia, quando le correnti transitorie generate dai VFTO incontrano discrepanze d'impedenza (ad esempio, nei bushing o nelle terminazioni di cavo), si verifica una riflessione parziale e una rifrazione. Alcuni componenti di tensione si accoppiano tra la custodia e la terra, causando un aumento istantaneo del potenziale sulla custodia, altrimenti a terra. Questo rappresenta un rischio per la sicurezza del personale e può degradare l'isolamento tra la custodia e i conduttori interni, accelerando l'invecchiamento del materiale e riducendo la durata dell'equipaggiamento. Inoltre, questo potenziale elevato si propaga attraverso i cavi e i dispositivi collegati ai sistemi secondari, inducendo EMI che porta a spegnimenti errati, errori di dati o anche guasti interni—minacciando direttamente l'affidabilità del sistema di alimentazione.

1.3 Interferenza elettromagnetica (EMI)
Nelle sottostazioni GIS, le operazioni dei disgiuntori/interruttori e i colpi di fulmine generano campi elettromagnetici transitori che influiscono sui sistemi secondari attraverso accoppiamento condotto e irradiato.

• L'interferenza condotta si verifica attraverso trasformatori strumentali e differenze di potenziale di terra. I VFTO si accoppiano dai circuiti primari ai secondari attraverso la capacitance e l'induttanza striscia nei trasformatori. Iniettano anche nel griglia di terra attraverso gli elettrodi di terra, innalzando l'intero potenziale di terra e creando loop di terra che destabilizzano l'equipaggiamento secondario.

• L'interferenza irradiata si verifica quando i campi elettromagnetici transitori si propagano nello spazio, accoppiandosi direttamente ai cavi e dispositivi secondari. L'accoppiamento del campo elettrico influenza i nodi ad alta impedenza, causando distorsioni del segnale o attivazioni false—particolarmente sensibili alla distanza, all'orientamento del campo e alla geometria del dispositivo. L'accoppiamento del campo magnetico induce forze elettromotrici nei circuiti a loop secondo la legge di Faraday; la sua gravità dipende dall'intensità del campo, dal tasso di variazione e dall'area del loop.

1.4 Effetti delle vibrazioni meccaniche
Le operazioni dei disgiuntori inducono vibrazioni meccaniche a causa dell'impatto dei contatti, dell'attrito e delle forze elettromagnetiche durante le azioni di chiusura/apertura. La separazione rapida durante l'apertura o l'ingaggio forzato durante la chiusura genera onde d'urto che fanno vibrare la struttura GIS. La trasmissione attraverso collegamenti e ingranaggi propaga ulteriormente le vibrazioni all'equipaggiamento secondario adiacente.

Tali vibrazioni possono allentare i fissaggi meccanici, degradare le connessioni elettriche, aumentare gli errori di misurazione o, in condizioni estreme, causare cortocircuiti. L'esposizione a lungo termine accelera l'invecchiamento sia dei componenti meccanici che elettronici, riducendo la durata dell'equipaggiamento e compromettendone l'affidabilità.

2.Misure di mitigazione per la protezione dell'equipaggiamento secondario
2.1 Progettazione strutturale ottimizzata del GIS

• Selezione dei materiali: utilizzare miscugli di SF₆ con maggiore resistenza dielettrica; selezionare materiali a bassa perdita e alta conducibilità (ad esempio, Cu/Al) per lo schermo; ottimizzare la lunghezza e la capacità dei busbar per ridurre l'ampiezza dei VFTO.

• Miglioramenti strutturali: smussare la geometria dei conduttori e degli schermi per ridurre la concentrazione del campo elettrico; migliorare il design del supporto degli isolatori per una distribuzione uniforme del campo; implementare velocità di operazione controllate dei disgiuntori e aggiungere circuiti snubber per assorbire l'energia transitoria.

• Controllo delle vibrazioni: installare ammortizzatori idraulici o molle nei meccanismi di operazione; utilizzare ammortizzatori di gomma tra il GIS e le fondamenta; migliorare la precisione delle superfici di contatto per minimizzare le forze d'impatto.

2.2 Schermatura e messa a terra migliorate

• Schermatura: Racchiudere i dispositivi secondari sensibili (ad esempio, relè, unità di comunicazione) in involucri conduttori (acciaio zincato/alluminio) con giunture sigillate. Utilizzare cavi schermati o doppio schermati con terminazioni adeguate; applicare connettori filtrati e reti metalliche su aperture. Per cavi brevi (<10 m), utilizzare un collegamento a terra a un solo punto; per tratti più lunghi, adottare un collegamento a terra multipunto per minimizzare le tensioni indotte.

• Collegamento a terra: Mantenere la resistenza di collegamento a terra ≤4 Ω. In terreni ad alta resistività, distribuire griglie di collegamento interconnesse con barre verticali. Utilizzare un collegamento a terra a un solo punto per i circuiti analogici e un collegamento a terra multipunto per i sistemi digitali/ad alta frequenza. Ottimizzare la disposizione della griglia (ad esempio, rete rettangolare con elettrodi a croce) per garantire una dispersione uniforme della corrente e gradienti di potenziale bassi.

2.3 Tecnologie di filtraggio e soppressione

• Filtro: Installare filtri per la linea di alimentazione agli ingressi dei dispositivi secondari per bloccare il rumore ad alta frequenza. Applicare algoritmi di filtraggio dei segnali digitali per migliorare l'integrità dei dati nei canali di comunicazione.

• Protezione dai sovratensioni: Distribuire arrestori ZnO vicino ai dispositivi secondari per limitare VFTOs e sovratensioni da commutazione. Utilizzare dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) sui cavi di segnale e di comunicazione per deviare l'energia transitoria a terra, assicurando una trasmissione stabile dei segnali deboli.

2.4 Rinforzo della robustezza dei dispositivi secondari

• Protezione hardware: Rafforzare le staffe di montaggio con acciaio più spesso e rinforzi aggiuntivi. Isolare gli apparecchi utilizzando supporti in gomma o isolatori antivibranti a due stadi. Sicurare le PCB con substrati più spessi, fissaggi laterali e cuscinetti smorzanti. Sigillare componenti critici (ad esempio, IC, relè) in rivestimenti o supporti elastici per prevenire allentamenti. Evitare tracce lunghe e sottili per ridurre il rischio di frattura.

• Protezione software: Implementare checksum e codici di correzione degli errori (ECC) per rilevare/correggere la corruzione dei dati. Inserire istruzioni "NOP" (nessuna operazione) nel firmware per consentire il recupero da salti del programma indotti da EMI, prevenendo deadlock e migliorando la resilienza del sistema.

3.Conclusione
Una comprensione approfondita di come le operazioni del disgiuntore GIS influenzano i dispositivi secondari rivela che strategie di mitigazione complete sono essenziali per la affidabilità della rete. Durante la progettazione, la costruzione e l'operazione dei sistemi di energia, la compatibilità elettromagnetica (EMC) tra GIS e sistemi secondari deve essere prioritaria. Integrando l'ottimizzazione strutturale, una schermatura e un collegamento a terra robusti, filtri avanzati e rinforzo hardware/software, gli effetti negativi delle transitori indotti dal disgiuntore, dell'EMI e della vibrazione possono essere efficacemente minimizzati—assicurando una fornitura di energia più sicura, affidabile e resiliente.