تاریخچه و تکامل فناوری پست‌های عایق گازی (GIS)

1- مقدمه

پست‌های برق عایق گازی (GIS) در بستر پیشرفت‌های چشمگیر صنعت برق قدرت ظهور کردند و با بهره‌گیری از گاز عایق (عموماً SF₆)، گامی نوین در جهت کاهش ابعاد، افزایش اطمینان، و بهبود عملکرد زیرساخت‌های انتقال و توزیع برق برداشتند. برای درک جایگاه و اهمیت فعلی GIS، لازم است ابتدا مروری بر تاریخچه پیدایش و سیر تکاملی این فناوری داشته باشیم. پست‌های برق هوایی (AIS) در دهه‌های پیشین، شکل غالب ایستگاه‌های برق بودند و نیازهای شبکه را برطرف می‌کردند. بااین‌حال، معایب و چالش‌های فیزیکی و محیطی این پست‌ها (نظیر فضای وسیع موردنیاز، آسیب‌پذیری در برابر آلودگی و شرایط نامساعد جوی، و سطح بالای آلودگی صوتی) سبب شد تا متخصصان برق قدرت به دنبال راهکاری برای ساخت پست‌های فشرده‌تر، قابل اطمینان‌تر و در عین حال ایمن‌تر باشند. در این مقاله، روند تاریخی و تحولات کلیدی شکل‌گیری پست‌های عایق گازی را بررسی می‌کنیم تا جایگاه ویژه آن در صنعت برق امروز را بهتر درک کنیم.

 

2- شکل‌گیری ایده استفاده از گاز در پست‌های فشارقوی

ایده اولیه عایق‌بندی تجهیزات فشارقوی توسط گاز، به اوایل قرن بیستم بازمی‌گردد. هرچند در آن زمان بیشتر از هوا یا روغن عایق برای کاربردهای فشارقوی استفاده می‌شد، پژوهشگران به خاصیت عایقی چندین گاز دیگر نیز توجه داشتند. گاز SF₆، با خواص دی‌الکتریک بالای خود، نخستین‌بار در دهه ۱۹۴۰ شناسایی شد؛ اما استفاده از آن در تجهیزات فشارقوی نیازمند تحقیقات و آزمایش‌های فراوان بود. برای توسعه کلیدهای قدرت (Circuit Breakers) عایق گازی، سازندگان می‌بایست سازوکار ایجاد و خاموش‌کردن قوس الکتریکی در محفظه‌های فشرده فلزی را به دقت مطالعه کنند. در خلال دهه‌های ۵۰ و ۶۰ میلادی، پیشرفت در متالورژی و فناوری جوشکاری قطعات فلزی، امکان ساخت محفظه‌های فشارقوی و آب‌بندی دقیق را فراهم کرد. این پیشرفت‌ها زمینه را برای ورود عملی SF₆ به صنایع برق در ابعاد آزمایشگاهی و نیمه‌صنعتی فراهم نمود.

 

3- نخستین نسل پست‌های عایق گازی

نخستین نسل از پست‌های عایق گازی که در دهه ۱۹۶۰ و اوایل دهه ۱۹۷۰ طراحی و اجرا شدند، چندان پیشرفته و فشرده نبودند؛ اما مزیت کاهش قابل توجه ابعاد را در مقایسه با پست‌های هوایی به نمایش گذاشتند. شرکت‌های بزرگ برق مانند ABB، Siemens، و جنرال الکتریک (که بعدها بخش برق قدرت آن به‌صورت GE Vernova شناخته شد) و همچنین هیتاچی انرژی (Hitachi Energy) در سوییس و سایر کشورها، نقش مهمی در پیشبرد این فناوری داشتند. این شرکت‌ها با تحقیقات مداوم روی خواص گاز SF₆، روش‌های تولید و تست تجهیزات تحت فشار، و همچنین بهبود طراحی مکانیزم‌های کلیدزنی، توانستند محصولات اولیه GIS را به بازار عرضه کنند.

در این نسل از GIS، اگرچه هنوز هزینه تولید بالا بود و تجهیزات فضای نسبتاً زیادی اشغال می‌کردند، اما در شبکه‌های فشارقوی شهری به سرعت مورد استقبال قرار گرفتند. علت اصلی این استقبال، توانایی جای‌دادن کلیدها و شینه‌ها در فضای بسته و کاهش حساسیت آن‌ها به شرایط محیطی (به‌خصوص در نقاطی که آلودگی هوا یا رطوبت بالایی وجود داشت) بود.

 

4- توسعه و گسترش در دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰

با افزایش تقاضا برای برق و گسترش شهرها، نیاز به پست‌های فشرده و ایمن بیش از پیش احساس شد. در دهه ۱۹۷۰، شرکت‌های متعددی روی بهینه‌سازی طراحی GIS متمرکز شدند. در این دوره، تلاش‌های تحقیقاتی منجر به ابداع تکنیک‌های جدیدی برای کاهش تخلیه جزئی (Partial Discharge) در محفظه‌ها و افزایش استقامت عایقی شد. همچنین روش‌های بازرسی جوشکاری محفظه‌ها و کنترل کیفیت (QC) در ساخت تجهیزات ارتقا یافت.

در دهه ۱۹۸۰، GIS بیش از پیش به عنوان راهکاری استاندارد در شبکه‌های انتقال فوق‌توزیع، خصوصاً در شهرهای بزرگ، به کار گرفته شد. شرکت‌های برق در اروپا، ژاپن و ایالات متحده با استقبال قابل توجهی از این فناوری روبه‌رو شدند. رفته‌رفته، هزینه تولید GIS با بهبود فرایندهای ساخت و ظهور تکنیک‌های تولید انبوه کاهش یافت. در همین دوران بود که به تدریج، استانداردها و دستورالعمل‌های بین‌المللی نیز برای طراحی، تست و بهره‌برداری از GIS شکل گرفتند.

 

5- ورود تکنولوژی Compact GIS و افزایش سطوح ولتاژ

اواخر دهه ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۱۹۹۰ میلادی، شاهد ورود نسل جدیدی از GIS بودیم که اصطلاحاً "Compact GIS" نام گرفتند. در این سیستم‌ها، ماژول‌های کلیدزنی، ترانس‌های جریان و ولتاژ، و باسبارها به شکل فشرده‌تری در کنار هم قرار می‌گرفتند. تکنیک‌های طراحی الکترود، استفاده از عایق‌های داخلی پیشرفته و مدیریت بهتر میدان الکتریکی باعث شد تا فاصله میان تجهیزات به شکل چشمگیری کاهش یابد؛ در نتیجه فضای اشغالی پست باز هم کمتر شد.

از سوی دیگر، سازندگان GIS در این دوره تمرکز خود را بر توسعه تجهیزات با سطوح ولتاژ بالاتر گذاشتند. در حالی که نخستین GISها اغلب برای سطوح ولتاژی در حدود ۱۲۰ تا ۲۴۵ کیلوولت طراحی می‌شدند، در این بازه زمانی، پست‌های GIS برای ۳۶۵، ۴۲۰ و حتی ۵۵۰ کیلوولت نیز تولید شدند. این امر اهمیت GIS را در سطح شبکه‌های انتقال فرامنطقه‌ای دوچندان کرد و به گسترش کاربری آن در نقاط کلیدی شبکه انجامید.

 

6- شکل‌گیری استانداردها و مراجع بین‌المللی

با افزایش کاربرد GIS در دهه‌های ۸۰ و ۹۰، نهادهای بین‌المللی نظیر IEC، IEEE و CIGRÉ دست به تدوین استانداردها و راهنماهای تخصصی زدند. این اسناد مشتمل بر روش‌های تست پایداری عایقی، دستورالعمل‌های نصب و نگهداری، تست‌های فشارقوی و روش‌های کنترل نشتی گاز SF₆ بودند. شکل‌گیری این استانداردها، اطمینان خاطر بیشتری را برای بهره‌برداران به همراه داشت و باعث شد سطح اعتماد به GIS در جوامع فنی بالا برود. از طرف دیگر، این استانداردها زمینه را برای رقابتی شدن بازار GIS فراهم کردند و تولیدکنندگان جدیدی وارد این عرصه شدند.

 

7- دهه ۲۰۰۰ تا کنون: دیجیتال‌سازی و گازهای جایگزین

در آغاز هزاره سوم، روند دیجیتال‌سازی و هوشمندسازی در صنعت برق سرعت گرفت. سامانه‌های نظارت بر تخلیه جزئی، پایش آنلاین تجهیزات، و رله‌های حفاظتی دیجیتال به‌طور یکپارچه در GIS ادغام شدند. این تحولات نقش مهمی در بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌های تعمیرات پیشگیرانه (Preventive Maintenance) داشت.

به موازات این پیشرفت‌ها، نگرانی‌های زیست‌محیطی نسبت به گاز SF₆ به‌عنوان یک گاز گلخانه‌ای قدرتمند، پررنگ‌تر شد. اگرچه سهم صنعت برق در انتشار این گاز نسبت به سایر بخش‌ها (مانند بعضی صنایع شیمیایی) کمتر است، اما پتانسیل بالای گرمایش جهانی SF₆، شرکت‌های برق و سازندگان را ملزم کرد تا در پی راه‌حل‌های جایگزین باشند. در دهه ۲۰۱۰، تلاش‌هایی برای استفاده از گازهای ترکیبی (Mixes) یا جایگزین‌هایی مانند C₄F₇N و CO₂ صورت گرفت. هرچند این گازها در سطح تجاری محدودتر بوده‌اند، اما روند تحقیقات همچنان با جدیت ادامه دارد و برخی پست‌های آزمایشی نیز با گازهای کم‌اثرتر بر محیط زیست راه‌اندازی شده‌اند.

 

8- تکامل کلیدهای قدرت و مکانیزم‌های کلیدزنی

از مهم‌ترین تحولات تکنولوژیک در تکامل GIS، پیشرفت مکانیزم‌های کلیدزنی است. کلیدهای قدرت SF₆ در نسل‌های اولیه از نوع ساده‌تر (Single Pressure) یا Double Pressure بودند که به‌تدریج جای خود را به مکانیزم‌های Auto-Puffer یا Self-Blast دادند. در این مکانیزم‌ها، بخارهای داغ ناشی از قوس الکتریکی برای افزایش فشار موضعی استفاده می‌شود و قوس را در زمانی کوتاه خاموش می‌کند. این رویکرد، ضمن ساده‌سازی ساختار کلید، باعث کاهش انرژی مکانیکی لازم و همچنین بهبود قابلیت اطمینان شد.

همچنین در حوزه سکسیونرها و ارت‌سوییچ‌های سریع (Fast Earthing Switch)، شرکت‌ها با بازطراحی کنتاکت‌ها و استفاده از سیستم‌های الکترومغناطیسی یا فنری دقیق، زمان عملکرد را به میزان محسوسی کاهش دادند و توانستند ایمنی و سرعت قطع و وصل سیستم را ارتقا دهند.

 

9- تجربیات جهانی و مطالعات موردی

در دهه‌های اخیر، پروژه‌های متعددی در کشورهای مختلف پیرامون جایگزینی یا ترکیب پست‌های AIS با GIS انجام شده است. به‌عنوان نمونه، در شهرهایی نظیر توکیو و اوزاکا در ژاپن، بسیاری از پست‌های مرکزی و کلیدی شهری به‌طور کامل به GIS تبدیل شده‌اند تا فضای شهری آزاد شود و آلایندگی‌های صوتی و بصری کاهش یابد. در سوییس و آلمان، نیز شرکت‌های بزرگی مانند ABB، Siemens و Hitachi Energy پیشرو در پروژه‌های نوآورانه GIS بوده‌اند؛ از جمله توسعه پست‌های هوشمند (Smart Substations) که با استفاده از حسگرهای آنلاین و هوش مصنوعی برای پایش وضعیت، قابلیت اطمینان شبکه را به‌شکل چشمگیری افزایش داده‌اند.

 

10- ورود GIS به حوزه ولتاژهای فوق‌العاده بالا (UHV)

با افزایش روزافزون تقاضای برق و انتقال انرژی در فواصل طولانی، پژوهش‌ها و سرمایه‌گذاری‌ها به سمت ولتاژهای فراارتقاء (UHV) معطوف شد؛ ولتاژهایی مثل ۷۶۵ کیلوولت و بالاتر. این پروژه‌ها، عمدتاً در چین و برخی کشورهای دیگر اجرا شده‌اند. طراحی GIS برای ولتاژهای بالاتر، با چالش‌های فراوانی در حوزه عایق‌بندی، کنترل میدان الکتریکی، و تست‌های فشارقوی مواجه است؛ اما موفقیت در این عرصه نشان داده که فناوری GIS پتانسیل حرکت به سمت سطوح ولتاژی بسیار بالا را داراست و می‌تواند نقش اساسی در شبکه‌های انتقال ابرمقیاس (Ultra-High Capacity) ایفا کند.

 

11- نقش سیاست‌ها و رویکردهای آینده

با توجه به تمایل جهانی برای حرکت به سمت شبکه‌های هوشمند و سبزتر، پست‌های GIS نیز در حال گذار به نسل‌های دیجیتالی و سازگارتر با محیط زیست هستند. انتظار می‌رود در سال‌های آینده، ترکیبی از راه‌حل‌های زیر را در پست‌های عایق گازی ببینیم:

دیجیتال‌سازی کامل: تجهیز تمام بخش‌ها به حسگرهای اینترنت اشیا (IoT)، رله‌های دیجیتال، و سامانه‌های مانیتورینگ یکپارچه.

گازهای ترکیبی یا گازهای جایگزین: استفاده از گازهای با پتانسیل گرمایش کمتر با حفظ یا بهبود خواص عایقی و کلیدزنی.

تحلیل کلان‌داده (Big Data): به‌کارگیری روش‌های یادگیری ماشینی (Machine Learning) و هوش مصنوعی در تحلیل داده‌های عملکردی و تشخیص زودهنگام عیوب.

طراحی مدولار و قابل توسعه: قابلیت ارتقاء بخش‌های مختلف GIS بدون نیاز به توقف کامل پست یا تغییرات اساسی در ساختار کلی.

 

12- جمع‌بندی

با مروری بر تاریخچه و تکامل فناوری GIS، درمی‌یابیم که این فناوری از تلاش‌های چند دهه‌ای در حوزه تحقیق، طراحی و اجرای عملی حاصل شده است. گرچه در ابتدای راه، هزینه‌های بالا و چالش‌های فنی مانع گسترش سریع GIS بود، اما مزایای چشمگیر آن—نظیر فشردگی، قابلیت اطمینان و ایمنی بالا—سرانجام سبب شد بخش قابل توجهی از پست‌های برق در سراسر جهان به سمت عایق گازی حرکت کنند. امروزه، GIS نقش محوری در شبکه‌های انتقال و فوق‌توزیع، به‌ویژه در مناطق شهری و حساس ایفا می‌کند و در آینده نیز با گسترش راه‌حل‌های دیجیتال، روش‌های پایش آنلاین و استفاده از گازهای دوستدار محیط زیست، جایگاه و اهمیتش روز‌به‌روز بالاتر خواهد رفت.

 

 رضا بابائی قصاب

مدیر فنی و مهندسی دپارتمان GIS