Análise de Impacto das Operações do Disjuntor GIS no Equipamento Secundário

Impacto das Operações do Disjuntor GIS no Equipamento Secundário e Medidas de Mitigação

1.Impactos das Operações do Disjuntor GIS no Equipamento Secundário
1.1 Efeitos de Sobretensão Transitória
Durante as operações de abertura/fechamento dos disjuntores de equipamentos de seccionamento sob isolamento a gás (GIS), a reacendência e extinção repetida do arco entre os contatos causam uma troca de energia entre a indutância e a capacitância do sistema, gerando sobretensões de comutação com magnitudes 2-4 vezes a tensão nominal de fase e durações que variam de dezenas de microssegundos a vários milissegundos. Quando operando barras curtas—onde a velocidade de contato do disjuntor é lenta e não existe capacidade de apagar o arco—os fenômenos de pré-disparo e redisco produzem Sobretensões Transientes Muito Rápidas (VFTO).

As VFTO se propagam através dos condutores internos e invólucros do GIS. Em descontinuidades de impedância (por exemplo, isuladores, transformadores de instrumentos, terminações de cabos), ondas viajantes refletem, refratam e se superpõem, distorcendo as formas de onda e amplificando os picos de VFTO. Com frontes de onda íngremes e tempos de subida na escala de nanossegundos, as VFTO induzem surtos de tensão transitória nas entradas do equipamento secundário, colocando em risco danos aos componentes eletrônicos sensíveis. Isso pode causar o mal funcionamento de relés de proteção—acionando disparos injustificados—e interromper o processamento de sinais de alta precisão e a transmissão de dados. Além disso, a interferência eletromagnética (EMI) de alta frequência gerada pelas VFTO degrada módulos de comunicação, aumentando taxas de erro de bit ou causando perda de dados, prejudicando, assim, as funções de monitoramento e controle da subestação.

1.2 Elevação do Potencial do Invólucro
À medida que a China expande suas redes de ultra-alta tensão (UAT) e extra-alta tensão (EAT), a interferência eletromagnética proveniente das operações do disjuntor GIS tornou-se cada vez mais severa. A estrutura coaxial do GIS—composto por condutores internos de alumínio/cobre e invólucros externos de alumínio/aço—exibe excelente transmissão de alta frequência. Devido ao efeito pele, correntes transitórias de alta frequência fluem ao longo da superfície externa do condutor e da superfície interna do invólucro, geralmente evitando vazamento de campo e mantendo o invólucro em potencial de terra sob condições normais.

No entanto, quando as correntes transitórias induzidas por VFTO encontram desajustes de impedância (por exemplo, em isuladores ou terminações de cabos), ocorre reflexão e refração parciais. Alguns componentes de tensão se acoplam entre o invólucro e a terra, causando um aumento instantâneo do potencial no invólucro, que normalmente está aterrado. Isso representa riscos à segurança das pessoas e pode degradar a isolação entre o invólucro e os condutores internos, acelerando o envelhecimento dos materiais e reduzindo a vida útil do equipamento. Além disso, este potencial elevado se propaga através de cabos e dispositivos conectados para sistemas secundários, induzindo EMI que leva a disparos falsos, erros de dados ou até mesmo quebras internas—ameaçando diretamente a confiabilidade do sistema de energia.

1.3 Interferência Eletromagnética (EMI)
Nas subestações GIS, as operações de disjuntores/barras e descargas atmosféricas geram campos eletromagnéticos transitórios que afetam os sistemas secundários através de acoplamento conduzido e irradiado.

• Interferência conduzida surge através de transformadores de instrumentos e diferenças de potencial de terra. As VFTO se acoplam dos circuitos primários para os secundários através de capacitância e indutância parasitas nos transformadores. Elas também são injetadas na malha de aterramento através de eletrodos de aterramento, elevando o potencial de toda a terra e criando loops de terra que destabilizam o equipamento secundário.

• Interferência irradiada ocorre quando os campos eletromagnéticos transitórios se propagam pelo espaço, acoplando-se diretamente a cabos e dispositivos secundários. O acoplamento do campo elétrico afeta nós de alta impedância, causando distorção de sinal ou disparo falso—especialmente sensível à distância, orientação do campo e geometria do dispositivo. O acoplamento do campo magnético induz forças eletromotriz em laços de circuito de acordo com a lei de Faraday; sua severidade depende da intensidade do campo, taxa de variação e área do laço.

1.4 Efeitos de Vibração Mecânica
As operações do disjuntor induzem vibrações mecânicas devido ao impacto do contato, fricção e forças eletromagnéticas durante as ações de fechamento/abertura. A separação rápida durante a abertura ou o engajamento forçado durante o fechamento gera ondas de choque que fazem vibrar a estrutura do GIS. A transmissão através de conexões e engrenagens propaga ainda mais as vibrações para o equipamento secundário adjacente.

Tais vibrações podem afrouxar fixações mecânicas, degradar conexões elétricas, aumentar erros de medição ou—em condições extremas—causar curto-circuitos. A exposição a longo prazo acelera o envelhecimento de componentes mecânicos e eletrônicos, encurtando a vida útil do equipamento e comprometendo a confiabilidade.

2.Medidas de Mitigação para Proteção do Equipamento Secundário
2.1 Projeto Estrutural Otimizado do GIS

• Seleção de Materiais: Use misturas de SF₆ com maior resistência dielétrica; selecione materiais de baixa perda e alta condutividade (por exemplo, Cu/Al) para blindagem; otimize o comprimento e a capacitância da barra de distribuição para suprimir a amplitude de VFTO.

• Melhorias Estruturais: Suavize as geometrias dos condutores e blindagens para reduzir a concentração do campo elétrico; melhore o design de suporte do isolador para distribuição uniforme do campo; implemente velocidades de operação controladas do disjuntor e adicione circuitos amortecedores para absorver a energia transitória.

• Controle de Vibração: Instale amortecedores hidráulicos ou molas nos mecanismos de operação; use amortecedores de borracha entre o GIS e as fundações; aprimore a precisão da superfície de contato para minimizar as forças de impacto.

2.2 Blindagem e Aterramento Melhorados

• Proteção Eletromagnética: Encerre dispositivos secundários sensíveis (por exemplo, relés, unidades de comunicação) em gabinetes condutores (aço galvanizado/alumínio) com juntas seladas. Use cabos blindados ou duplamente blindados com terminação adequada; aplique conectores filtrados e telas de malha em aberturas de ventilação. Para cabos curtos (<10 m), use aterramento de único ponto; para longas extensões, adote aterramento multiponto para minimizar as tensões induzidas.

• Aterramento: Mantenha a resistência do aterramento ≤4 Ω. Em solos de alta resistividade, implante redes de aterramento interconectadas com hastes verticais. Use aterramento de único ponto para circuitos analógicos e aterramento multiponto para sistemas digitais/de alta frequência. Otimize o layout da rede (por exemplo, malha retangular com eletrodos de junção cruzada) para garantir uma dispersão uniforme de corrente e baixos gradientes de potencial.

2.3 Tecnologias de Filtragem e Supressão

• Filtros: Instale filtros de linha de alimentação nas entradas do equipamento secundário para bloquear ruídos de alta frequência. Aplique algoritmos de filtragem de sinal digital para melhorar a integridade dos dados nos canais de comunicação.

• Proteção contra Surtos: Implante descargas de ZnO próximas ao equipamento secundário para limitar VFTOs e surtos de chaveamento. Use dispositivos de proteção contra surtos (DPS) em linhas de sinal e de comunicação para desviar energia transitória para o solo, garantindo transmissão estável de sinais fracos.

2.4 Reforço na Proteção do Equipamento Secundário

• Proteção de Hardware: Reforce suportes de montagem com aço mais espesso e reforços adicionais. Isolamento do equipamento usando suportes de borracha ou isoladores de vibração de duas etapas. Fixe PCBs com substratos mais espessos, fixações laterais e almofadas de amortecimento. Potencialize componentes críticos (por exemplo, CI, relés) em encapsulantes ou suportes elásticos para evitar soltura. Evite traços longos e finos para reduzir o risco de fratura.

• Proteção de Software: Implemente somas de verificação e códigos de correção de erros (ECC) para detectar/corrigir corrupção de dados. Insira instruções “NOP” (sem operação) no firmware para permitir recuperação de saltos de programa induzidos por EMI, prevenindo travamentos e aumentando a resiliência do sistema.

3.Conclusão
Uma compreensão completa de como as operações do disjuntor GIS afetam o equipamento secundário revela que estratégias abrangentes de mitigação são essenciais para a confiabilidade da rede. Durante o projeto, construção e operação de sistemas de energia, a compatibilidade eletromagnética (CEM) entre o GIS e os sistemas secundários deve ser priorizada. Integrando otimização estrutural, proteção robusta de blindagem/aterramento, filtragem avançada e endurecimento de hardware/software, os efeitos adversos de transientes induzidos pelo disjuntor, EMI e vibração podem ser efetivamente minimizados—garantindo entrega de energia mais segura, confiável e resiliente.