GIS隔离开关操作对二次设备的影响分析

GIS分離スイッチ操作が二次設備に及ぼす影響と緩和策

1.GIS分離スイッチ操作が二次設備に及ぼす影響
1.1 過渡的な過電圧の影響
ガス絶縁開閉装置（GIS）の分離スイッチの開閉操作中に、接触間で繰り返されるアークの再点火と消滅により、システムのインダクタンスとキャパシタンス間でエネルギー交換が生じ、定格相電圧の2〜4倍の大きさで、数十マイクロ秒から数ミリ秒までの期間持続する切り替え過電圧が発生します。短い母線を操作する際—分離スイッチの接触速度が遅く、アーク消去能力がない場合—前衝撃と再衝撃現象により非常に高速な過渡過電圧（VFTO）が発生します。

VFTOは内部のGIS導体や筐体を通じて伝播します。インピーダンスの不連続性（例えば、ブッシング、計器変圧器、ケーブル端子）では、進行波が反射、屈折し重ね合わされ、波形が歪みVFTOのピークが増幅されます。急峻な波頭とナノ秒単位の上昇時間を持つVFTOは、二次設備の入力に一時的な電圧の急上昇を引き起こし、敏感な電子機器の損傷リスクがあります。これにより保護継電器が誤動作し不要なトリップを引き起こしたり、高精度な信号処理やデータ伝送を妨げたりします。さらにVFTOによって生成された高周波電磁干渉（EMI）は通信モジュールの性能を低下させ、ビットエラレートの増加やデータロスを引き起こし、結果として変電所の監視制御機能を損ないます。

1.2 筐体の電位上昇
中国が超高圧（UHV）および特高圧（EHV）グリッドを拡大するにつれ、GIS分離スイッチ操作からの電磁干渉はますます深刻になっています。GISの同軸構造—内部のアルミニウム/銅導体と外部のアルミニウム/鋼筐体から成る—は高周波伝送に優れています。スキン効果により、高周波の一時的な電流は導体の外表面と筐体の内表面に沿って流れ、通常条件下ではフィールド漏洩を防ぎ筐体を接地電位に保ちます。

しかし、VFTOによる一時的な電流がインピーダンスの不一致（例えば、ブッシングやケーブル端子）に遭遇すると、部分的な反射と屈折が発生します。一部の電圧成分が筐体と地間に結合し、それまで接地されていた筐体に瞬間的な電位上昇が生じます。これは作業員の安全に対するリスクとなり、また筐体と内部導体間の絶縁を劣化させ材料の老化を加速し、設備の寿命を縮めます。さらにこの高い電位はケーブルと接続されたデバイスを通じて二次システムに伝播し、EMIを引き起こし誤トリップ、データエラー、または内部破壊—直接的に電力システムの信頼性を脅かします。

1.3 電磁干渉（EMI）
GIS変電所では、分離スイッチ/ブレーカーの操作や落雷により生じる一時的な電磁場が、導電と放射による結合を通じて二次システムに影響を与えます。

• 導電干渉 は計器変圧器と接地電位差を通じて生じます。VFTOは変圧器内の迷走容量とインダクタンスを通じて一次回路から二次回路へ結合し、また接地電極を通じて接地グリッドに注入され、全体の接地電位を上げ、二次設備を不安定にする接地ループを作ります。

• 放射干渉 は一時的なEMフィールドが空間を伝搬し、直接二次ケーブルとデバイスに結合する際に発生します。電界結合は高インピーダンスノードに影響を与え、距離、フィールドの向き、デバイスの形状に敏感な信号の歪みや誤トリガーを引き起こします。磁界結合はファラデーの法則に基づき、回路ループに誘導起電力を生じさせ、その深刻度はフィールド強度、変化率、及びループ面積に依存します。

1.4 機械的振動の影響
分離スイッチの操作は接触時の衝撃、摩擦、およびON/OFFアクション中の電磁力により機械的な振動を引き起こします。開閉時の急速な分離や閉鎖時の強い接合によりショックウェーブが発生しGIS構造を振動させます。リンク機構やギアを通じた伝播により振動は隣接する二次設備にも伝わります。

このような振動は機械部品の緩み、電気接続の劣化、測定誤差の増加、または極端な条件下ではショートサーキットを引き起こす可能性があります。長期的な曝露は機械部品と電子部品の両方の老化を加速し、設備の寿命を縮め信頼性を損ないます。

2.二次設備保護のための緩和策
2.1 最適化されたGIS構造設計

• 材料選択：より高い絶縁強度を持つSF₆混合物を使用；低損失、高導電性材料（例えば、Cu/Al）を選択してシールドリングを行い；バスバーの長さとキャパシタンスを最適化してVFTOの振幅を抑制します。

• 構造改善：導体とシールドの形状を滑らかにして電界集中を減らす；均一な電界分布のために絶縁支持設計を改善する；制御された分離スイッチ操作速度を実装し、スナッバーサーキットを追加して一時的なエネルギを吸収します。

• 振動制御：操作機構に油圧バッファやばねを設置する；GISと基礎の間にゴムダンパーを使用する；接触面の精度を高めて衝撃力を最小限に抑える。

2.2 強化されたシールディングと接地

• シールディング：敏感な二次装置（リレー、通信ユニットなど）を導電性の筐体（亜鉛メッキ鋼/アルミニウム）で覆い、シームを密封する。適切な終端処理を行ったシールドまたは二重シールドケーブルを使用し、フィルタ付きコネクタとメッシュスクリーンをベントに適用する。短距離ケーブル（＜10m）では単点接地を使用し、長距離では誘導電圧を最小限に抑えるため多点接地を採用する。

• 接地：接地抵抗を4Ω以下に保つ。高抵抗率の土壌では、垂直ロッドを使用した相互接続された接地グリッドを展開する。アナログ回路には単点接地を使用し、デジタル/高周波システムには多点接地を使用する。格子配置（たとえば、交差接合電極を備えた長方形のメッシュ）を最適化して、均一な電流分散と低電位勾配を確保する。

2.3 フィルタリングと抑制技術

• フィルター：二次装置の入力部に電源線フィルターを設置して高周波ノイズをブロックする。デジタル信号フィルタリングアルゴリズムを適用して通信チャネルのデータ整合性を向上させる。

• サージ保護：二次装置近くにZnOアレスターを設置してVFTOとスイッチングサージを制御する。信号および通信線路上にサージ保護デバイス（SPD）を使用して、一時的なエネルギーを接地に逃がし、安定した弱信号伝送を確保する。

2.4 強化された二次装置のハードニング

• ハードウェア保護：取り付けブラケットをより厚い鋼板と補強材で補強する。ゴムマウントまたは二段階振動アイソレータを使用して装置を隔離する。PCBをより厚い基板、エッジ固定具、ダンピングパッドで固定する。重要なコンポーネント（IC、リレーなど）を封止剤または弾性ホルダーに封入して緩みを防ぐ。割れリスクを減らすために長い細いトレースは避ける。

• ソフトウェア保護：チェックサムと誤り訂正コード（ECC）を実装してデータ破損を検出/訂正する。ファームウェアに「NOP」（無操作）命令を挿入して、EMIによるプログラムジャンプからの復旧を可能にし、デッドロックを防ぎ、システムの堅牢性を向上させる。

3.結論
GIS分離器操作が二次装置に与える影響を十分に理解することで、網の信頼性を確保するために包括的な緩和戦略が必要であることが明らかになる。電力システムの設計、建設、運転において、GISと二次システム間の電磁適合性（EMC）を優先しなければならない。構造最適化、強固なシールディング/接地、高度なフィルタリング、ハードウェア/ソフトウェアの硬化を統合することにより、分離器誘導トランジェント、EMI、振動の悪影響を効果的に最小限に抑え、より安全で信頼性が高く、耐久性のある電力供給を確保することができる。