Аналіз впливу операцій GIS-відокремлювача на вторинне обладнання

Вплив операцій відключаючих пристроїв GIS на вторинне обладнання та заходи зі зниження впливу

1. Вплив операцій відключаючих пристроїв GIS на вторинне обладнання
1.1 Ефекти перехідних наднапруг
Під час відкриття/закриття відключаючих пристроїв газово-ізольованого комутаційного обладнання (GIS), повторне палає і затухає дуга між контактами, що викликає обмін енергії між індуктивністю та ємністю системи, генеруючи комутаційні наднапруги, які становлять 2–4 рази від номінальної фазної напруги, а їх тривалість від кількох десятків мікросекунд до кількох мілісекунд. При роботі коротких шинопроводів, де швидкість руху контакту відключаючого пристрою повільна, і немає можливості гасіння дуги, відбуваються явища передування та повторного удару, що призводять до появи дуже швидких перехідних наднапруг (VFTO).

VFTO поширюються через внутрішні провідники та корпуси GIS. На розривах імпедансу (наприклад, відповідь на вставках, трансформаторах вимірювальних, кінцевиках кабелів) хвилі відбиваються, преломляються та наслаються, спотворюючи форму хвиль та збільшуючи піки VFTO. З крутыми фронтами та часом наростання в наносекундах, VFTO викликають перехідні наднапрузи на входах вторинного обладнання, що ставить під загрозу чутливу електроніку. Це може призвести до невірної роботи захисних реле — викликати необґрунтоване відключення — та порушити точну обробку сигналів та передачу даних. Крім того, VFTO-генерована високочастотна електромагнітна інтерференція (EMI) погіршує роботу модулів зв'язку, збільшуючи частоту помилок бітів або викликаючи втрату даних, що погіршує функції моніторингу та управління підстанцією.

1.2 Збільшення потенціалу корпусу
З розширенням ультрависоконапіжних (UHV) та екстрависоконапіжних (EHV) мереж у Китаї, електромагнітна інтерференція від операцій відключаючих пристроїв GIS стала все більш серйозною. Коаксіальна структура GIS, що складається з внутрішніх алюмінієвих/мідних провідників та зовнішніх алюмінієвих/сталевих корпусів, демонструє відмінну передачу високих частот. Через ефект шкіри, високочастотні перехідні струми проходять по зовнішній поверхні провідника та внутрішній поверхні корпусу, зазвичай запобігаючи витоку поля та підтримуючи корпус на земному потенціалі у нормальних умовах.

Однак, коли перехідні струми, викликані VFTO, зустрічають розриви імпедансу (наприклад, на вставках або кінцевиках кабелів), відбувається часткове відбиття та преломлення. Деякі компоненти напруги з'єднуються між корпусом та землею, що викликає моментальне збільшення потенціалу на заземленому корпусі. Це ставить під загрозу безпеку персоналу та може погіршити ізоляцію між корпусом та внутрішніми провідниками, прискорюючи старіння матеріалу та скорочуючи термін служби обладнання. Більше того, цей збільшений потенціал поширюється через кабелі та підключені пристрої до вторинних систем, викликаючи EMI, що призводить до невірного відключення, помилок даних або навіть внутрішніх зламів — прямо загрожуючи надійності електроенергетичної системи.

1.3 Електромагнітна інтерференція (EMI)
У підстанціях GIS, операції відключаючих пристроїв/вимикачів та ударі молнії генерують перехідні електромагнітні поля, що впливають на вторинні системи через провідну та радіальну зв'язку.

• Провідна інтерференція з'являється через трансформатори вимірювальні та різницю потенціалів землі. VFTO з'єднуються з первинних до вторинних контурів через паразитну ємність та індуктивність в трансформаторах. Вони також вводяться в заземлюючу сітку через заземлювальні електроди, підвищуючи весь потенціал землі та створюючи петлі землі, що destabilize вторинне обладнання.

• Радіальна інтерференція відбувається, коли перехідні EM поля поширюються через простір, прямо з'єднуючись з вторинними кабелями та пристроями. Електрична поле з'єднання впливає на вузли високої імпедансу, викликаючи спотворення сигналу або невірне викликання — особливо чутливі до відстані, орієнтації поля та геометрії пристрою. Магнітне поле з'єднання викликає електромотивні сили в контурах циркуїтів за законом Фарадея; його серйозність залежить від сили поля, швидкості зміни та площі контура.

1.4 Ефекти механічних вібрацій
Операції відключаючих пристроїв викликають механічні вібрації через вплив контакту, тертя та електромагнітних сил під час відкриття/закриття. Швидке розділення під час відкриття або насильне з'єднання під час закриття генерує ударні хвилі, що вібриють структуру GIS. Передача через зв'язки та шестерні подальше поширює вібрації на суміжне вторинне обладнання.

Такі вібрації можуть послабити механічні кріплення, погіршити електричні з'єднання, збільшити похибки вимірювання або, у крайньому випадку, викликати короткі замикання. Довготривалий вплив прискорює старіння як механічних, так і електронних компонентів, скорочуючи термін служби обладнання та погіршуючи надійність.

2. Заходи зі зниження впливу для захисту вторинного обладнання
2.1 Оптимізація конструкції GIS

• Вибір матеріалів: використовуйте суміші SF₆ з більшою диелектричною прочністю; виберіть матеріали з низькими втратами та високою провідністю (наприклад, Cu/Al) для екранування; оптимізуйте довжину шинопроводів та їхню ємність для зниження амплітуди VFTO.

• Конструктивні покращення: згладьте геометрію провідників та екранів, щоб зменшити концентрацію електричного поля; покращте конструкцію підтримки ізоляторів для рівномірного розподілу поля; реалізуйте контролювані швидкості роботи відключаючих пристроїв та додайте демпфуючі контури для поглинання перехідної енергії.

• Контроль вібрацій: встановіть гідравлічні буфери або пружини в механізмах роботи; використовуйте резинові демпфери між GIS та основою; підвищте точність поверхонь контакту, щоб зменшити впливові сили.

2.2 Покращення екранування та заземлення

• Екранування: Закрийте чутливі вторинні пристрої (наприклад, реле, комунікаційні модулі) в електропровідних коробах (оцинкована сталь/алюміній) з герметизованими швами. Використовуйте екранировані або подвійно-екранировані кабелі з правильним завершенням; застосуйте фільтровані конектори та сітчасті екраны на вентиляційних отворах. Для коротких кабелів (<10 м) використовуйте одно-точкове заземлення; для довших ліній приймайте багато-точкове заземлення, щоб зменшити викликані напруги.

• Заземлення: Підтримуйте опір заземлення ≤4 Ω. У грунтах з високою резистивністю використовуйте взаємопов'язані заземлюючі сітки з вертикальними стержнями. Використовуйте одно-точкове заземлення для аналогових схем і багато-точкове заземлення для цифрових/високочастотних систем. Оптимізуйте розташування сітки (наприклад, прямокутна сітка з перехрещеними електродами), щоб забезпечити рівномірне розподілення струму та низькі потенціальні градієнти.

2.3 Технології фільтрації та пригнічення

• Фільтри: Встановіть фільтри мережевого живлення на вході вторинного обладнання, щоб блокувати високочастотний шум. Застосуйте алгоритми цифрового фільтрування сигналу, щоб підвищити цілісність даних у каналі комунікації.

• Захист від перепадів напруги: Розташуйте ZnO-арестери поруч з вторинним обладнанням, щоб знижувати VFTO та перепади напруги при комутації. Використовуйте пристрої захисту від перепадів напруги (SPD) на сигнальні та комунікаційні лінії, щоб відводити трансієнтну енергію до землі, забезпечуючи стабільну передачу слабких сигналів.

2.4 Посилення жорсткості вторинного обладнання

• Захист обладнання: Підсилийте кріплення з товщавої сталі та додатковими ребрами жорсткості. Ізольуйте обладнання за допомогою резинових кріплень або двоступінчатих віброізоляторів. Фіксуйте плати PCB з товщавими основами, фіксаторами по краях та демпфуючими прокладками. Заливайте важливі компоненти (наприклад, МІС, реле) в закріплювальні матеріали або пружні державки, щоб запобігти ослабленню. Уникайте довгих, тонких провідників, щоб зменшити ризик розриву.

• Програмний захист: Реалізуйте контрольні суми та коди виправлення помилок (ECC) для виявлення/виправлення зруйнованих даних. Вставте інструкції "NOP" (без операції) у прошивку, щоб дозволити відновлення після стрибків програми, викликаних ЕМІ, що запобігає замках та підвищує стійкість системи.

3.Висновок
Глибоке розуміння того, як операції відключення GIS впливають на вторинне обладнання, показує, що комплексні стратегії зниження впливу є необхідними для надійності мережі. Під час проектування, будівництва та експлуатації електроенергетичних систем необхідно надавати пріоритет електромагнітній сумісності (EMC) між GIS та вторинними системами. Інтегруючи оптимізацію конструкції, надійне екранування/заземлення, сучасне фільтрування та жорсткість обладнання/програмного забезпечення, можна ефективно знизити небажані ефекти від трансієнтів, викликаних відключенням, ЕМІ та вібрацією, забезпечуючи безпечнішу, надійнішу та стійку поставку електроенергії.