Analyse van de impact van GIS-afschakeloperaties op secundaire apparatuur
Invloed van GIS-schakeloperaties op secundaire apparatuur en verminderingmaatregelen
1.Invloed van GIS-schakeloperaties op secundaire apparatuur
1.1 Effecten van tijdelijke overspanningen
Tijdens het openen/ sluiten van schakelaars in gasgeïsoleerde schakelinstallaties (GIS) veroorzaken herhaalde boogontsteking en -uitdoving tussen de contacten een energie-uitwisseling tussen systeeminductiviteit en capaciteit, waardoor overspanningen ontstaan met magnitudes van 2 tot 4 keer de nominale fase spanning en duurt van enkele tientallen microseconden tot enkele milliseconden. Bij het bedienen van korte busbars, waarbij de schakelaarcontacten traag bewegen en geen boogdoofvermogen hebben, worden voorafgaande en herhaalde slagoverspanningen geproduceerd (VFTO).
VFTO's verspreiden zich door interne GIS-geleiders en behuizingen. Bij impedantiediscontinuïteiten (zoals bushings, meettransformatoren, kabelterminaties) reflecteren, breken en overlappen reizende golven, vervormen golfvormen en versterken VFTO-pieken. Met steile fronten en stijgtijden op nanoseconde-schaal veroorzaken VFTO's tijdelijke spanningsschommelingen aan de ingangen van secundaire apparatuur, wat gevoelige elektronica kan beschadigen. Dit kan leiden tot foutieve werking van beschermrelais, ongewenste uitschakelingen veroorzaken en hoge-nauwkeurigheid signaalverwerking en datatransmissie verstoren. Bovendien degradeert door VFTO gegenereerde hoogfrequente elektromagnetische interferentie (EMI) communicatiemodules, wat bitfoutpercentages verhoogt of dataverlies veroorzaakt, waardoor substation monitoring- en controlefuncties worden aangetast.
1.2 Potentiaalstijging van de behuizing
Naarmate China zijn ultra-hoge-spannings- (UHV) en extra-hoge-spanningsnetwerken (EHV) uitbreidt, is elektromagnetische interferentie door GIS-schakeloperaties steeds ernstiger geworden. De coaxiale structuur van GIS, bestaande uit binnenste aluminium/koper geleiders en buitenste aluminium/stalen behuizingen, toont uitstekende hoogfrequente transmissie. Door het skin-effect vloeien hoogfrequente tijdelijke stroomstromen langs de buitenkant van de geleider en de binnenkant van de behuizing, wat normaal gesproken veldlekage voorkomt en de behuizing op aardpotentiaal houdt onder normale omstandigheden.
Echter, wanneer VFTO-geïnduceerde tijdelijke stroomstromen impedantieverschillen ontmoeten (bijvoorbeeld bij bushings of kabelterminaties), treedt gedeeltelijke reflectie en breking op. Sommige spanningscomponenten koppelen tussen de behuizing en de aarde, waardoor er een instantane potentiaalstijging optreedt op de anders aangesloten behuizing. Dit brengt risico's met zich mee voor de veiligheid van personeel en kan de isolatie tussen de behuizing en de interne geleiders verergeren, wat materialen sneller laat verouderen en de levensduur van apparatuur vermindert. Bovendien propageert deze verhoogde potentiaal via kabels en aangesloten apparatuur naar secundaire systemen, waardoor EMI wordt geïnduceerd die leidt tot onjuiste uitschakelingen, datafouten of zelfs interne storingen - wat direct de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnetwerk bedreigt.
1.3 Elektromagnetische interferentie (EMI)
In GIS-substations genereren schakelaar/breaker-operaties en blikseminslagen tijdelijke elektromagnetische velden die secundaire systemen beïnvloeden via geleide en gestraalde koppeling.
Geleide interferentie treedt op door meettransformatoren en verschillen in aardpotentiaal. VFTO's koppelen van primaire naar secundaire circuits via parasitaire capaciteit en inductiviteit in transformatoren. Ze injecteren ook in het aardingrooster via aardingelectroden, waardoor het gehele aardpotentiaal verhoogd wordt en aardlusjes ontstaan die secundaire apparatuur destabiliseren.
Gestraalde interferentie treedt op wanneer tijdelijke EM-velden door de ruimte propageren en direct koppelen aan secundaire kabels en apparatuur. Elektrisch veld koppeling beïnvloedt hoge-impedantieknooppunten, wat signaalvervorming of valse triggers veroorzaakt - vooral gevoelig voor afstand, veldoriëntatie en apparaatgeometrie. Magnetisch veld koppeling induceert elektromotief forcen in circuitlusjes volgens Faraday's wet; de ernst ervan hangt af van veldsterkte, snelheid van verandering en lusoppervlakte.
1.4 Mechanische trillingseffecten
Schakeloperaties veroorzaken mechanische trillingen door contactimpact, wrijving en elektromagnetische krachten tijdens het maken/breken. Snelle scheiding tijdens het openen of krachtige inpassing tijdens het sluiten genereert schokgolven die de GIS-structuur doen trillen. De overdracht via verbindingen en tandwielen propageert trillingen verder naar aangrenzende secundaire apparatuur.
Dergelijke trillingen kunnen mechanische bevestigingen losmaken, elektrische verbindingen verergeren, meetfouten vergroten of, onder extreme omstandigheden, kortsluitingen veroorzaken. Lange blootstelling versnelt de veroudering van zowel mechanische als elektronische componenten, verkort de levensduur van apparatuur en compromitteert de betrouwbaarheid.
2.Verminderingmaatregelen voor de bescherming van secundaire apparatuur
2.1 Geoptimaliseerde GIS-structuurontwerp
Materiaalkeuze: Gebruik SF₆-mengsels met hogere diëlektrische sterkte; kies materiaal met weinig verliezen en hoge geleidbaarheid (bijv. Cu/Al) voor schermen; optimaliseer busbar lengte en capaciteit om VFTO-amplitude te onderdrukken.
Structuurverbeteringen: Verfijn geleider- en schermgeometrieën om elektrisch veldconcentratie te verminderen; verbeter isolatorondersteuningsontwerp voor uniforme veldverdeling; implementeer gecontroleerde schakelersoperatiesnelheden en voeg dempercircuits toe om tijdelijke energie op te nemen.
Trillingbeheersing: Installeer hydraulische buffers of veren in bedieningsmechanismen; gebruik rubber dempers tussen GIS en funderingen; verhoog contactoppervlak precisie om impactkrachten te minimaliseren.
2.2 Verbeterd schermen en aarden
Bescherming: Sluit gevoelige secundaire apparatuur (bijv. relais, communicatie-eenheden) in geleidende behuizingen (gegalvaniseerd staal/aluminium) met afgedichte naden. Gebruik beklede of dubbel beklede kabels met juiste afsluitingen; pas gefilterde connectoren en gaasroosters op ventilatiesluitingen toe. Voor korte kabels (<10 m) gebruik eenpuntsaarding; voor langere afstanden kies multipuntaarding om geïnduceerde spanningen te minimaliseren.
Aarding: Behoud de weerstand van de aarding ≤4 Ω. In grondsoorten met hoge weerstand, implementeer verbonden aardingsgrids met verticale staven. Gebruik eenpuntsaarding voor analoge circuits en multipuntaarding voor digitale/hogefrequente systemen. Optimaliseer de gridindeling (bijv. rechthoekig raster met kruisverbindingselektroden) om een uniforme stroomverspreiding en lage potentiaalgradiënten te waarborgen.
2.3 Filter- en onderdrukkings technologieën
Filters: Installeer netspanningsfilters bij de ingangen van secundaire apparatuur om hoogfrequente ruis te blokkeren. Pas digitale signaalfilteralgoritmen toe om de gegevensintegriteit in communicatiekanalen te versterken.
Overstroombeveiliging: Implementeer ZnO-arresters in de buurt van secundaire apparatuur om VFTOs en schakeloverstroompieken te begrenzen. Gebruik overstroombeveiligingsapparaten (SPDs) op signaal- en communicatielijnen om tijdelijke energie naar de aarde te leiden, waardoor stabiele zwaksignaaltransmissie wordt gewaarborgd.
2.4 Versterkte hardening van secundaire apparatuur
Hardwarebescherming: Versterk montagebehuizingen met dikker staal en extra verstevigers. Isoleer apparatuur met rubberen bevestigingen of dubbele trillingsisolatoren. Beveilig printplaten met dikker substraten, randbevestigingen en dempende paden. Pot essentiële componenten (bijv. IC's, relais) in insluitingen of elastische houders om loskomen te voorkomen. Vermijd lange, dunne sporen om het breukrisico te verminderen.
Softwarebescherming: Implementeer checksums en foutcorrectiecodes (ECC) om gegevenscorruptie te detecteren/corrigeren. Voeg "NOP" (no-operation) instructies in firmware in om herstel mogelijk te maken na EMI-geïnduceerde programmaoversprongen, wat deadlocks voorkomt en de systeemresilientie verhoogt.
3. Conclusie
Een grondig begrip van hoe GIS-schakelaaroperaties de secundaire apparatuur beïnvloeden, toont aan dat volledige beheersstrategieën essentieel zijn voor de betrouwbaarheid van het netwerk. Tijdens het ontwerp, de bouw en de exploitatie van elektriciteitsnetwerken moet de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) tussen GIS en secundaire systemen prioriteit krijgen. Door structuuroptimalisatie, robuuste bescherming/aarding, geavanceerde filtering en hardware/software hardening te integreren, kunnen de negatieve effecten van schakelaargeïnduceerde transiënten, EMI en trillingen effectief worden geminimaliseerd—zodat veiliger, betrouwbaarder en veerkrachtiger energieaflevering wordt gewaarborgd.
