Analiza wpływu operacji GIS-owego rozłącznika na urządzenia wtórne

Wpływ operacji odłączaczy GIS na urządzenia wtórne i środki zaradcze

1.Wpływ operacji odłączaczy GIS na urządzenia wtórne
1.1 Efekty przejściowych przepięć
Podczas otwierania/zamykania odłączaczy w gazowo-izolowanym sprzęcie rozdzielczym (GIS), powtarzające się zapłon i zgaszenie łuku między kontaktami powodują wymianę energii między indukcyjnością a pojemnością systemu, generując przejściowe przepięcia o wartości 2–4 razy większej niż nominalne napięcie fazowe, o czasie trwania od kilkudziesięciu mikrosekund do kilku milisekund. W przypadku krótkich szyn – gdzie prędkość ruchu kontaktów odłączacza jest niewielka i nie ma możliwości gaszenia łuku – zjawiska preuderzenia i ponownego uderzenia powodują bardzo szybkie przejściowe przepięcia (VFTO).

VFTO rozprzestrzeniają się przez wewnętrzne przewody i obudowy GIS. W miejscach nieciągłości impedancji (np. izolatory, transformery pomiarowe, końcówki kabli) fale bieżące odbijają się, refrakcjonują i nakładają, zniekształcając formy falowe i zwiększając amplitudy VFTO. Z ostrymi frontami falowymi i czasem narastania na skali nanosekund, VFTO wywołują przejściowe przepięcia we wejściach urządzeń wtórnych, ryzykując uszkodzeniem czułych elementów elektronicznych. Może to spowodować błędne działanie relé ochronnych – wyzwalając nieuzasadnione odłączenia – oraz zakłócać wysokoprzeciskową przetwarzanie sygnałów i transmisję danych. Ponadto, wysokie częstotliwościowe zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) generowane przez VFTO degradują moduły komunikacyjne, zwiększając wskaźniki błędów bitowych lub powodując utratę danych, co prowadzi do osłabienia funkcji monitorowania i sterowania stacją.

1.2 Wzrost potencjału obudowy
Wraz z rozwojem sieci nadprzewodzących (UHV) i nadwyżkowych (EHV) w Chinach, zakłócenia elektromagnetyczne wynikające z operacji odłączaczy GIS stały się coraz bardziej dotkliwe. Koaksjalna struktura GIS – składająca się z wewnętrznego aluminium/miedziowego przewodu i zewnętrznego aluminium/stalowej obudowy – cechuje się doskonałą przesyłaniem wysokich częstotliwości. Ze względu na efekt skórkowy, przejściowe prądy wysokich częstotliwości płyną wzdłuż zewnętrznej powierzchni przewodu i wewnętrznej powierzchni obudowy, zwykle zapobiegając przeciekowi pola i utrzymując obudowę w potencjale ziemi w normalnych warunkach.

Jednakże, gdy przejściowe prądy wywołane VFTO napotykają nieciągłości impedancji (np. w izolatorach lub końcówkach kabli), następuje częściowe odbicie i refrakcja. Niektóre składowe napięcia sprzęgają się między obudową a ziemią, powodując natychmiastowy wzrost potencjału na inaczej zazemionej obudowie. To stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa personelu i może degradować izolację między obudową a wewnętrznymi przewodnikami, przyspieszając starzenie materiałów i zmniejszając żywotność sprzętu. Ponadto, ten podniesiony potencjał propaguje się poprzez kable i podłączone urządzenia do systemów wtórnych, indukując EMI, które prowadzi do fałszywych odłączeń, błędów danych lub nawet wewnętrznego przepalania – bezpośrednio zagrożąc niezawodnością systemu energetycznego.

1.3 Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI)
W stacjach GIS, operacje odłączaczy/wyłączników i uderzenia piorunów generują przejściowe pola elektromagnetyczne, które wpływają na systemy wtórne poprzez sprzężenie przewodzone i promieniowane.

• Zakłócenia przewodzone powstają poprzez transformery pomiarowe i różnice potencjałów ziemnego. VFTO sprzęgają się z obwodów pierwotnych do wtórnych poprzez pozostre ciężary pojemnościowe i indukcyjne w transformatorach. Wpadają również do siatki ziemnej poprzez elektrody ziemne, podnosząc całkowity potencjał ziemny i tworząc pętle ziemne, które destabilizują urządzenia wtórne.

• Zakłócenia promieniowane powstają, gdy przejściowe pola EM propagują się przez przestrzeń, bezpośrednio sprzęgając się do kabli i urządzeń wtórnych. Przestawienie pola elektrycznego wpływa na węzły o wysokim impedancie, powodując zniekształcenie sygnałów lub fałszywe wyzwalanie – szczególnie wrażliwe na odległość, orientację pola i geometrię urządzenia. Przestawienie pola magnetycznego indukuje siły elektromotoryczne w pętlach obwodów zgodnie z prawem Faradaya; jego nasilenie zależy od siły pola, tempa zmian i powierzchni pętli.

1.4 Efekty drgań mechanicznych
Operacje odłączacza powodują drgania mechaniczne z powodu uderzeń kontaktów, tarcia i sił elektromagnetycznych podczas operacji zamykania/otwierania. Szybkie rozdzielenie podczas otwierania lub silne zagięcie podczas zamykania generuje fale uderzeniowe, które drżą strukturę GIS. Przekazywanie przez mechanizmy i tryby dalsze propaguje drgania do sąsiednich urządzeń wtórnych.

Takie drgania mogą rozluźnić połączenia mechaniczne, degradować połączenia elektryczne, zwiększać błędy pomiarowe lub – w ekstremalnych warunkach – powodować zwarcia. Długotrwałe narażenie przyspiesza starzenie zarówno elementów mechanicznych, jak i elektronicznych, skracając żywotność sprzętu i kompromitując niezawodność.

2.Środki zaradcze na ochronę urządzeń wtórnych
2.1 Optymalizacja konstrukcji GIS

• Wybór materiałów: Używanie mieszanin SF₆ o wyższej dielektrycznej wytrzymałości; wybór materiałów o niskich stratach i wysokiej przewodności (np. Cu/Al) do ekranowania; optymalizacja długości szyn i pojemności, aby supresować amplitudę VFTO.

• Poprawy konstrukcyjne: Wygładzenie geometrii przewodników i ekranów, aby zmniejszyć koncentrację pola elektrycznego; poprawa projektu podstaw izolatorów dla równomiernego rozkładu pola; implementacja kontrolowanych prędkości działania odłączaczy i dodanie obwodów tłumieniowych, aby absorbuować energię przejściową.

• Kontrola drgań: Montaż amortyzatorów hydraulicznych lub sprężyn w mechanizmach działania; użycie gumowych tłumików między GIS a fundamentami; wzmocnienie precyzji powierzchni kontaktowych, aby zminimalizować siły uderzeniowe.

2.2 Wzmocnienie ekranowania i ziemienia

• Ekranowanie: Umieść wrażliwe urządzenia wtórne (np. relaje, moduły komunikacyjne) w przewodzących obudowach (zincowanej stali/alu) z zapieczonymi szwami. Używaj ekranowanych lub podwójnie ekranowanych kabli z odpowiednim zakończeniem; stosuj filtry i siatki na wentylacjach. Dla krótkich kabli (<10 m) używaj jednopunktowego uziemienia; dla dłuższych przebiegów adoptuj wielopunktowe uziemienie, aby zminimalizować indukowane napięcia.

• Uziemienie: Utrzymuj opór uziemienia ≤4 Ω. W glebach o wysokiej rezystywności, stosuj wzajemnie połączone siatki uziemiające z pionowymi prętami. Używaj jednopunktowego uziemienia dla obwodów analogowych i wielopunktowego uziemienia dla systemów cyfrowych/wysokoczęstotliwościowych. Optymalizuj układ siatki (np. prostokątna siatka z elektrodami krzyżowymi), aby zapewnić równomierny rozkład prądu i niskie gradienty potencjału.

2.3 Technologie filtracji i tłumienia

• Filtry: Zainstaluj filtry linii zasilającej na wejściach urządzeń wtórnych, aby blokować wysokoczęstotliwościowy szum. Stosuj algorytmy filtracji sygnałów cyfrowych, aby poprawić integralność danych w kanałach komunikacyjnych.

• Ochrona przed przepięciami: Rozmieść arrestry ZnO w pobliżu urządzeń wtórnych, aby zahamować VFTO i przepięcia spowodowane przełączaniem. Używaj urządzeń ochronnych przed przepięciami (SPD) na liniach sygnalizacyjnych i komunikacyjnych, aby odprowadzać energię przejściową do ziemi, zapewniając stabilną transmisję słabych sygnałów.

2.4 Wzmocnienie hartowania urządzeń wtórnych

• Ochrona sprzętowa: Wzmocnij klamry montażowe grubszym stalą i dodatkowymi wzmocnieniami. Izoluj urządzenia za pomocą gąbczastych mocowań lub dwustopniowych izolatorów drgań. Zabezpiecz PCB grubszymi podsadkami, mocowaniami na brzegach i amortyzatorami. Zaklej krytyczne komponenty (np. układy scalone, relaje) w kapsułkach lub elastycznych trzymaczkach, aby zapobiec luźności. Unikaj długich, cienkich śladów, aby zmniejszyć ryzyko pęknięcia.

• Ochrona programistyczna: Implementuj sumy kontrolne i kody korekcji błędów (ECC), aby wykrywać/korygować uszkodzenia danych. Wstaw instrukcje "NOP" (brak operacji) w firmware, aby umożliwić odzyskanie po skokach programu spowodowanych EMI, zapobiegając martwym blokadom i zwiększając odporność systemu.

3. Podsumowanie
Dogłębną znajomość wpływu operacji rozłączników GIS na urządzenia wtórne ujawnia, że kompleksowe strategie łagodzenia są niezbędne dla niezawodności sieci. Podczas projektowania, budowy i eksploatacji systemów energetycznych, musi być priorytetem elektromagnetyczna zgodność (EMC) między GIS a systemami wtórnymi. Poprzez integrację optymalizacji strukturalnej, solidnego ekranowania/uziemienia, zaawansowanych filtrów oraz hartowania sprzętowego i programistycznego, można efektywnie zminimalizować negatywne skutki przejściowych impulsów, EMI i drgań powodowanych przez rozłączniki - zapewniając bezpieczniejszą, bardziej niezawodną i odporną dostawę energii.