การวิเคราะห์ผลกระทบจากการทำงานของตัวแยกในระบบ GIS ต่ออุปกรณ์รอง

ผลกระทบของการดำเนินการของตัวแยกสวิตช์ GIS ต่ออุปกรณ์รองและมาตรการลดผลกระทบที่เกิดขึ้น

1. ผลกระทบของการดำเนินการของตัวแยกสวิตช์ GIS ต่ออุปกรณ์รอง
1.1 ผลกระทบจากแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะสูง
ในระหว่างการเปิด/ปิดของตัวแยกสวิตช์ในระบบ Gas-Insulated Switchgear (GIS) การเกิดประกายไฟซ้ำๆ และการดับระหว่างตัวต่อทำให้มีการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างความเหนี่ยวนำและความจุของระบบ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะจากการสลับที่มีค่า 2–4 เท่าของแรงดันเฟสที่กำหนดไว้ โดยระยะเวลาตั้งแต่ไม่กี่สิบไมโครวินาทีถึงหลายมิลลิวินาที เมื่อดำเนินการบนสายส่งไฟฟ้าระยะสั้น—ที่ความเร็วในการติดต่อของตัวแยกสวิตช์ช้าและไม่มีความสามารถในการดับประกายไฟ—ปรากฏการณ์ก่อนกระทบและการกระทบซ้ำจะสร้าง Very Fast Transient Overvoltages (VFTOs)

VFTOs แพร่กระจายผ่านคอนดักเตอร์ภายใน GIS และโครงสร้างหุ้ม ที่จุดที่ความต้านทานไม่ต่อเนื่อง (เช่น อุปกรณ์เชื่อมต่อ, ทรานส์ฟอร์เมอร์วัด, ส่วนปลายสายเคเบิล) คลื่นเดินทางสะท้อน, หักเห, และซ้อนกัน ทำให้รูปคลื่นบิดเบี้ยวและเพิ่มยอดสูงของ VFTO ด้วยขอบคลื่นที่ชันและเวลาเพิ่มขึ้นในระดับนาโนวินาที VFTOs ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่เข้าสู่อุปกรณ์รอง ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ละเอียดอ่อนเสี่ยงต่อความเสียหาย ซึ่งอาจทำให้รีเลย์ป้องกันทำงานผิดพลาด—กระตุ้นการตัดวงจรโดยไม่จำเป็น—และทำให้การประมวลผลสัญญาณและส่งข้อมูลที่มีความแม่นยำสูงหยุดชะงัก นอกจากนี้ EMI ที่สร้างขึ้นจาก VFTO ทำให้โมดูลการสื่อสารเสื่อมสภาพ เพิ่มอัตราการผิดพลาดของบิตหรือทำให้ข้อมูลสูญหาย ทำให้ฟังก์ชันการตรวจสอบและควบคุมสถานีไฟฟ้าเสื่อมลง

1.2 การเพิ่มศักยภาพของโครงสร้างหุ้ม
เมื่อจีนขยายโครงข่ายไฟฟ้าแรงดันสูงมาก (UHV) และแรงดันสูงมาก (EHV) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากการดำเนินการของตัวแยกสวิตช์ GIS ได้กลายเป็นเรื่องที่ร้ายแรงขึ้น โครงสร้างโคแอ็กเชียลของ GIS—ประกอบด้วยคอนดักเตอร์อลูมิเนียม/ทองแดงภายในและโครงสร้างหุ้มอลูมิเนียม/เหล็กภายนอก—แสดงให้เห็นถึงการส่งผ่านที่ดีในความถี่สูง เนื่องจากผลของผิวหนัง กระแสไฟฟ้าชั่วขณะที่ความถี่สูงไหลตามพื้นผิวด้านนอกของคอนดักเตอร์และพื้นผิวด้านในของโครงสร้างหุ้ม ปกติจะป้องกันการรั่วของสนามและรักษาโครงสร้างหุ้มให้อยู่ที่ศักยภาพภาคพื้นดิน

อย่างไรก็ตาม เมื่อกระแสไฟฟ้าชั่วขณะที่เกิดจาก VFTO พบกับความไม่สมดุลของความต้านทาน (เช่น ที่อุปกรณ์เชื่อมต่อหรือส่วนปลายสายเคเบิล) จะเกิดการสะท้อนและหักเหบางส่วน บางส่วนของแรงดันจะส่งผ่านระหว่างโครงสร้างหุ้มและโลก ทำให้เกิดศักยภาพที่เพิ่มขึ้นทันทีบนโครงสร้างหุ้มที่ควรจะอยู่ที่ศักยภาพภาคพื้นดิน ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อความปลอดภัยของบุคลากรและอาจทำให้ฉนวนระหว่างโครงสร้างหุ้มและคอนดักเตอร์ภายในเสื่อมสภาพ ทำให้วัสดุแก่เร็วและลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ นอกจากนี้ศักยภาพที่เพิ่มขึ้นนี้ยังแพร่กระจายผ่านสายเคเบิลและอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อไปยังระบบรอง ทำให้เกิด EMI ที่ทำให้เกิดการตัดวงจรผิดพลาด ข้อมูลผิดพลาด หรือแม้กระทั่งการแตกภายใน—เป็นภัยคุกคามโดยตรงต่อความเชื่อถือได้ของระบบไฟฟ้า

1.3 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)
ในสถานี GIS การดำเนินการของตัวแยกสวิตช์/ตัวตัดวงจรและการตกฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วขณะที่ส่งผลกระทบต่อระบบรองผ่านการส่งผ่านและการแผ่รังสี

• การแทรกแซงที่ส่งผ่าน เกิดขึ้นผ่านทรานส์ฟอร์เมอร์วัดและศักยภาพภาคพื้นดินที่แตกต่างกัน VFTOs ถูกส่งผ่านจากวงจรหลักไปยังวงจรรองผ่านความจุและความเหนี่ยวนำที่หลุดลอยในทรานส์ฟอร์เมอร์ พวกมันยังถูกส่งผ่านเข้าสู่กริดภาคพื้นดินผ่านอิเล็กโทรดภาคพื้นดิน ทำให้ศักยภาพภาคพื้นดินทั้งหมดเพิ่มขึ้นและสร้างวงจรป้อนกลับที่ทำให้อุปกรณ์รองไม่เสถียร

• การแทรกแซงที่แผ่รังสี เกิดขึ้นเมื่อสนาม EM ชั่วขณะแพร่กระจายผ่านอากาศ ทำให้เกิดการส่งผ่านโดยตรงเข้าสู่สายเคเบิลและอุปกรณ์รอง การส่งผ่านผ่านสนามไฟฟ้าส่งผลต่อโหนดที่มีความต้านทานสูง ทำให้เกิดการบิดเบี้ยวสัญญาณหรือการกระตุ้นผิดพลาด—โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ไวต่อระยะทาง ทิศทางของสนาม และรูปร่างของอุปกรณ์ การส่งผ่านผ่านสนามแม่เหล็กทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในวงจรป้อนกลับตามกฎของ Faraday ความรุนแรงขึ้นอยู่กับความแรงของสนาม อัตราการเปลี่ยนแปลง และพื้นที่ของวงจรป้อนกลับ

1.4 ผลกระทบจากการสั่นสะเทือนเชิงกล
การดำเนินการของตัวแยกสวิตช์ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนเชิงกลเนื่องจากการกระทบของตัวต่อ การเสียดสี และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างการเปิด/ปิด การแยกอย่างรวดเร็วระหว่างการเปิดหรือการติดต่ออย่างแรงระหว่างการปิดทำให้เกิดคลื่นกระแทกที่สั่นสะเทือนโครงสร้าง GIS การส่งผ่านผ่านลิงค์และเกียร์ทำให้การสั่นสะเทือนแพร่กระจายไปยังอุปกรณ์รองที่อยู่ใกล้เคียง

การสั่นสะเทือนดังกล่าวสามารถทำให้สกรูเชิงกลหลุดออก ทำให้การเชื่อมต่อไฟฟ้าเสื่อมสภาพ เพิ่มความคลาดเคลื่อนในการวัด หรือ—ในกรณีที่รุนแรง—ทำให้เกิดวงจรป้อนกลับ ความเสื่อมสภาพในระยะยาวทำให้วัสดุและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เสื่อมสภาพเร็วขึ้น ลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์และลดความเชื่อถือได้

2. มาตรการลดผลกระทบที่เกิดขึ้นสำหรับการป้องกันอุปกรณ์รอง
2.1 การออกแบบโครงสร้าง GIS ที่เหมาะสม

• การเลือกวัสดุ: ใช้ส่วนผสมของ SF₆ ที่มีความต้านทานไฟฟ้าสูงกว่า เลือกวัสดุที่มีการสูญเสียต่ำและมีความนำสูง (เช่น Cu/Al) สำหรับการป้องกัน ปรับปรุงความยาวและความจุของบัสบาร์เพื่อควบคุมขนาดของ VFTO

• การปรับปรุงโครงสร้าง: ปรับปรุงรูปร่างของคอนดักเตอร์และโครงสร้างป้องกันเพื่อลดความเข้มของสนามไฟฟ้า ปรับปรุงการออกแบบการสนับสนุนของฉนวนเพื่อการกระจายสนามที่สม่ำเสมอ ใช้ความเร็วในการดำเนินการของตัวแยกสวิตช์ที่ควบคุมและเพิ่มวงจร snubber เพื่อซึมซับพลังงานชั่วขณะ

• การควบคุมการสั่นสะเทือน: ติดตั้งบัฟเฟอร์ไฮดรอลิกหรือสปริงในระบบปฏิบัติการ ใช้ยางกันสั่นระหว่าง GIS และฐาน ปรับปรุงความแม่นยำของพื้นผิวตัวต่อเพื่อลดแรงกระทบ

2.2 การป้องกันและภาคพื้นดินที่เสริม

• การป้องกันไฟฟ้าสถิต: หุ้มอุปกรณ์ที่สองที่ไวต่อความร้อน (เช่น เครื่องส่งสัญญาณ หน่วยสื่อสาร) ในตู้นำไฟฟ้า (เหล็กชุบสังกะสี/อลูมิเนียม) ที่มีตะเข็บปิดสนิท ใช้สายเคเบิลแบบป้องกันหรือป้องกันสองชั้นพร้อมการยุติอย่างเหมาะสม; ใช้ตัวเชื่อมต่อที่กรองและหน้าจอตาข่ายบนช่องระบายอากาศ สำหรับสายสั้น (<10 ม.) ใช้การต่อพื้นเดียว; สำหรับสายยาว ให้ใช้การต่อพื้นหลายจุดเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากอินดักชัน

• การต่อพื้น: รักษาความต้านทานของการต่อพื้น ≤4 Ω ในการดินที่มีความต้านทานสูง ใช้ตารางการต่อพื้นที่เชื่อมต่อกันด้วยแท่งแนวตั้ง ใช้การต่อพื้นเดียวสำหรับวงจรอะนาล็อก และการต่อพื้นหลายจุดสำหรับระบบดิจิตอล/ความถี่สูง ปรับปรุงโครงสร้างของตาราง (เช่น ตาข่ายสี่เหลี่ยมผืนผ้าพร้อมอิเล็กโทรดที่ตัดกัน) เพื่อรับประกันการกระจายกระแสที่สม่ำเสมอและการไล่ระดับศักยภาพที่ต่ำ

2.3 เทคโนโลยีการกรองและการปราบปราม

• ตัวกรอง: ติดตั้งตัวกรองสายไฟที่ทางเข้าอุปกรณ์ที่สองเพื่อป้องกันเสียงรบกวนความถี่สูง ใช้อัลกอริทึมการกรองสัญญาณดิจิตอลเพื่อเพิ่มความครบถ้วนของข้อมูลในช่องสัญญาณสื่อสาร

• การป้องกันกระชากไฟ: ติดตั้งตัวป้องกันกระชากไฟ ZnO ใกล้อุปกรณ์ที่สองเพื่อยึด VFTOs และกระชากไฟจากการสลับ ใช้อุปกรณ์ป้องกันกระชากไฟ (SPDs) บนสายสัญญาณและสายสื่อสารเพื่อเปลี่ยนพลังงานชั่วขณะไปยังพื้น ทำให้การส่งสัญญาณที่อ่อนแอนั้นคงที่

2.4 การเสริมความแข็งแกร่งของอุปกรณ์ที่สอง

• การป้องกันฮาร์ดแวร์: เสริมที่ยึดด้วยเหล็กที่หนาขึ้นและเพิ่มโครงยึด แยกอุปกรณ์โดยใช้ที่ยึดยางหรือตัวแยกแรงสั่นสะเทือนสองขั้น ยึด PCB ด้วยแผ่นรองที่หนาขึ้น การยึดขอบ และแผ่นลดแรงสั่นสะเทือน ปิดชิ้นส่วนสำคัญ (เช่น ICs, เครื่องส่งสัญญาณ) ด้วยวัสดุหุ้มหรือที่ยึดยืดหยุ่นเพื่อป้องกันการคลายตัว หลีกเลี่ยงการใช้เส้นทางที่ยาวและบางเพื่อลดความเสี่ยงของการแตกหัก

• การป้องกันซอฟต์แวร์: ใช้การตรวจสอบผลรวมและรหัสแก้ไขข้อผิดพลาด (ECC) เพื่อตรวจจับ/แก้ไขการเสียหายของข้อมูล ใส่คำสั่ง "NOP" (ไม่มีการทำงาน) ในเฟิร์มแวร์เพื่อให้สามารถฟื้นฟูจากโปรแกรมกระโดดที่เกิดจาก EMI ป้องกันภาวะติดอยู่และเพิ่มความทนทานของระบบ

3. สรุป
การเข้าใจอย่างละเอียดถึงวิธีที่การทำงานของสวิตช์ GIS ส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ที่สองแสดงให้เห็นว่ากลยุทธ์การบรรเทาที่ครอบคลุมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความน่าเชื่อถือของระบบไฟฟ้า ในระหว่างการออกแบบ การก่อสร้าง และการดำเนินงานของระบบไฟฟ้า ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ระหว่าง GIS และระบบที่สองต้องได้รับการให้ความสำคัญ ด้วยการรวมการปรับปรุงโครงสร้าง การป้องกัน/การต่อพื้นที่แข็งแกร่ง การกรองขั้นสูง และการเสริมความแข็งแกร่งของฮาร์ดแวร์/ซอฟต์แวร์ ผลกระทบที่ไม่ดีจากแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากสวิตช์สามารถลดลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ—ทำให้การส่งมอบไฟฟ้าที่ปลอดภัย น่าเชื่อถือ และทนทานมากขึ้น