Анализ влияния операций с разъединителями в ГИС на вторичное оборудование

Влияние операций с разъединителями ГИС на вторичное оборудование и меры по устранению

1.Влияние операций с разъединителями ГИС на вторичное оборудование
1.1 Воздействие переходных перенапряжений
При открытии/закрытии разъединителей газоизолированного выключателя (ГИС) повторное возгорание и затухание дуги между контактами вызывают обмен энергией между индуктивностью и емкостью системы, создавая коммутационные перенапряжения с амплитудой 2-4 раза превышающей номинальное фазное напряжение и продолжительностью от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. При работе коротких шин — где скорость перемещения контактов разъединителя низкая и нет способности к погашению дуги — явления предварительного и повторного пробоя вызывают очень быстрые переходные перенапряжения (ОБПП).

ОБПП распространяются через внутренние проводники и корпуса ГИС. На неоднородностях импеданса (например, в изоляторах, трансформаторах тока, концевых муфтах кабелей) бегущие волны отражаются, преломляются и наслаиваются, искажая форму волн и усиливая пики ОБПП. С крутыми фронтами и временем нарастания в наносекундах, ОБПП вызывают скачки переходных напряжений на входах вторичного оборудования, что может привести к повреждению чувствительной электроники. Это может вызвать неправильную работу защитных реле — запуская ненужные срабатывания — и нарушать высокоточную обработку сигналов и передачу данных. Кроме того, высокочастотные электромагнитные помехи (ЭМП), создаваемые ОБПП, снижают качество работы модулей связи, увеличивая частоту ошибок или приводя к потере данных, тем самым нарушая функции мониторинга и управления подстанцией.

1.2 Повышение потенциала корпуса
По мере расширения сверхвысоковольтных (СВН) и высоковольтных (ВН) сетей в Китае, электромагнитные помехи от операций с разъединителями ГИС становятся все более серьезными. Коаксиальная структура ГИС, состоящая из внутренних алюминиевых/медных проводников и внешних алюминиевых/стальных корпусов, демонстрирует отличную передачу высоких частот. Из-за эффекта кожи, высокочастотные переходные токи текут по внешней поверхности проводника и внутренней поверхности корпуса, обычно предотвращая утечку поля и поддерживая корпус на земном потенциале в нормальных условиях.

Однако, когда переходные токи, вызванные ОБПП, сталкиваются с несоответствием импеданса (например, в изоляторах или концевых муфтах кабелей), происходит частичное отражение и преломление. Некоторые компоненты напряжения связываются между корпусом и землей, вызывая мгновенное повышение потенциала на в противном случае заземленном корпусе. Это представляет риск для безопасности персонала и может ухудшить изоляцию между корпусом и внутренними проводниками, ускоряя старение материалов и сокращая срок службы оборудования. Кроме того, это повышенное напряжение распространяется через кабели и подключенные устройства во вторичные системы, вызывая ЭМП, которые приводят к ложным срабатываниям, ошибкам данных или даже внутренним пробоям — прямо угрожая надежности энергосистемы.

1.3 Электромагнитные помехи (ЭМП)
В подстанциях ГИС операции с разъединителями/выключателями и удары молнии создают переходные электромагнитные поля, влияющие на вторичные системы через проводимую и радиационную связь.

• Проводимые помехи возникают через трансформаторы тока и различия потенциалов заземления. ОБПП связываются с первичными цепями вторичных цепей через паразитные емкости и индуктивности в трансформаторах. Они также вводятся в заземляющую решетку через заземляющие электроды, повышая весь потенциал заземления и создавая заземляющие контуры, которые дестабилизируют вторичное оборудование.

• Радиационные помехи возникают, когда переходные электромагнитные поля распространяются через пространство, непосредственно связываясь со вторичными кабелями и устройствами. Электрическая связь воздействует на узлы с высоким импедансом, вызывая искажение сигнала или ложное срабатывание — особенно чувствительные к расстоянию, ориентации поля и геометрии устройства. Магнитная связь индуцирует электродвижущие силы в цепных контурах согласно закону Фарадея; ее интенсивность зависит от силы поля, скорости изменения и площади контура.

1.4 Воздействие механических вибраций
Операции с разъединителями вызывают механические вибрации из-за удара контактов, трения и электромагнитных сил при замыкании/размыкании. Быстрое разделение при открытии или сильное соприкосновение при закрытии создают ударные волны, которые вибрируют конструкцию ГИС. Передача через соединения и зубчатые колеса еще больше распространяет вибрации на соседнее вторичное оборудование.

Такие вибрации могут ослабить механические крепления, ухудшить электрические соединения, увеличить погрешности измерений или, в крайних случаях, вызвать короткое замыкание. Длительное воздействие ускоряет старение как механических, так и электронных компонентов, сокращая срок службы оборудования и снижая его надежность.

2.Меры по защите вторичного оборудования
2.1 Оптимизация конструкции ГИС

• Выбор материала: использование смесей SF₆ с более высокой диэлектрической прочностью; выбор материалов с низкими потерями и высокой проводимостью (например, Cu/Al) для экранирования; оптимизация длины шин и емкости для подавления амплитуды ОБПП.

• Улучшение конструкции: сглаживание геометрии проводников и экранов для уменьшения концентрации электрического поля; улучшение дизайна опор изоляторов для равномерного распределения поля; внедрение контролируемых скоростей работы разъединителей и добавление снабберных цепей для поглощения переходной энергии.

• Контроль вибраций: установка гидравлических буферов или пружин в рабочих механизмах; использование резиновых демпферов между ГИС и фундаментом; улучшение точности контактных поверхностей для минимизации ударных сил.

2.2 Усиление экранирования и заземления

• Экранирование: Размещайте чувствительные вторичные устройства (например, реле, блоки связи) в экранированных корпусах (оцинкованная сталь/алюминий) с герметичными швами. Используйте экранированные или дважды экранированные кабели с правильным заземлением; применяйте фильтрующие разъемы и сетки на вентиляционных отверстиях. Для коротких кабелей (<10 м) используйте одноточечное заземление; для более длинных участков применяйте многоточечное заземление, чтобы минимизировать наведенные напряжения.

• Заземление: Поддерживайте сопротивление заземления ≤4 Ω. В грунтах с высокой удельной электрической резистивностью используйте связанные заземляющие решетки с вертикальными электродами. Применяйте одноточечное заземление для аналоговых цепей и многоточечное заземление для цифровых/высокочастотных систем. Оптимизируйте расположение решетки (например, прямоугольную сетку с перекрестными электродами), чтобы обеспечить равномерное распределение тока и низкие потенциальные градиенты.

2.3 Технологии фильтрации и подавления

• Фильтры: Устанавливайте фильтры питания на входах вторичного оборудования, чтобы блокировать высокочастотные помехи. Применяйте алгоритмы цифровой фильтрации сигнала для повышения целостности данных в каналах связи.

• Защита от перенапряжений: Размещайте ограничители из ZnO рядом с вторичным оборудованием, чтобы ограничивать VFTO и коммутационные перенапряжения. Используйте устройства защиты от перенапряжений (SPD) на сигнальных и линиях связи, чтобы отводить переходные энергии в землю, обеспечивая стабильную передачу слабых сигналов.

2.4 Усиленное упрочнение вторичного оборудования

• Защита аппаратного обеспечения: Усиливайте крепежные скобы более толстой сталью и добавляйте жесткости. Изолируйте оборудование с помощью резиновых опор или двухступенчатых виброизоляторов. Закрепляйте печатные платы более толстыми основаниями, креплениями по краям и демпфирующими прокладками. Заливайте критические компоненты (например, ИС, реле) в герметики или эластичные держатели, чтобы предотвратить ослабление. Избегайте длинных, тонких проводников, чтобы снизить риск разрушения.

• Защита программного обеспечения: Реализуйте контрольные суммы и коды коррекции ошибок (ECC) для обнаружения и исправления повреждения данных. Вставляйте инструкции "NOP" (без операции) в прошивку, чтобы позволить восстановление после скачков программы, вызванных ЭМП, предотвращая зависания и повышая устойчивость системы.

3. Заключение
Глубокое понимание того, как операции с GIS-разъединителями влияют на вторичное оборудование, показывает, что комплексные стратегии смягчения являются необходимыми для надежности сети. При проектировании, строительстве и эксплуатации энергетических систем необходимо приоритизировать электромагнитную совместимость (EMC) между GIS и вторичными системами. Интеграция оптимизации конструкции, надежного экранирования и заземления, продвинутой фильтрации, а также упрочнения аппаратного и программного обеспечения позволяет эффективно минимизировать неблагоприятные эффекты, вызванные переходными процессами, ЭМП и вибрацией, обеспечивая более безопасную, надежную и устойчивую доставку электроэнергии.