اجزای اصلی در پست‌های برق عایق گازی (GIS) و عملکرد هر بخش

1- مقدمه

صنعت برق قدرت در سال‌های اخیر با چالش‌های متعددی نظیر رشد روزافزون تقاضای الکتریسیته، محدودیت فضا در مناطق شهری، و نیاز به افزایش قابلیت اطمینان شبکه مواجه بوده است. پست‌های برق عایق گازی (GIS) به‌عنوان یک راه‌حل پیشرفته و نوین، توانسته‌اند بسیاری از این چالش‌ها را برطرف کنند. در GIS، تجهیزات فشارقوی درون محفظه‌های فلزی آب‌بندی‌شده با گاز عایق (عمدتاً SF₆) قرار می‌گیرند و به این ترتیب اثرات مخرب شرایط محیطی نظیر رطوبت، گردوغبار، آلودگی صنعتی و حتی ورود حیوانات به حداقل می‌رسد [1].

افزون بر این، کاهش فضای اشغال‌شده از جمله مزیت‌های کلیدی GIS در مقایسه با پست‌های هوایی (AIS) است؛ به‌نحوی که در مناطق شهری پرتراکم و گران‌قیمت، استفاده از GIS از نظر اقتصادی و فنی به‌صرفه‌تر جلوه می‌کند [2]. برای درک بهتر ساختار کلی GIS و نحوه عملکرد آن، شناخت اجزای اصلی و نقش هر کدام ضروری است. این مقاله با پرداختن به مهم‌ترین اجزای یک پست برق عایق گازی، می‌کوشد مقدمات لازم برای درک عمیق‌تر این فناوری را فراهم آورد.

 

2- ساختار کلی GIS و اهمیت اجزای آن

پست عایق گازی متشکل از مجموعه‌ای از محفظه‌های فلزی است که درون آن‌ها، تجهیزات مختلفی قرار دارند؛ مانند کلیدهای قدرت، سکسیونرها، ارت‌سوییچ‌ها، باسبارها، ترانس‌های جریان و ولتاژ، برقگیرها و سیستم‌های کنترل و حفاظت [3]. بخش عمده‌ای از موفقیت و کارایی GIS، مرهون طراحی درست و هماهنگ این اجزا با یکدیگر است. هرکدام از این اجزا علاوه بر نقش مستقل خود، به‌صورت تعاملی در شبکه عمل می‌کنند؛ لذا اختلال در عملکرد یکی، می‌تواند کل پست را تحت‌تأثیر قرار دهد [4].

در ادامه، به مهم‌ترین و اصلی‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده پست‌های برق عایق گازی پرداخته خواهد شد.

 

3- کلید قدرت (Circuit Breaker)

1-3- تعریف و کاربرد

کلید قدرت (CB) در پست‌های عایق گازی، نقش اساسی در حفاظت شبکه ایفا می‌کند. این کلید مسئول قطع جریان در شرایط عادی (کلیدزنی بار) و شرایط غیرعادی (وقوع اتصال کوتاه یا خطا) است. ازآنجاکه گاز SF₆ دارای قدرت دی‌الکتریک بالا و قابلیت خاموش‌کنندگی قوس الکتریکی است، کلید قدرت می‌تواند با سرعت و اطمینان بالایی مدار را قطع کند [5].

2-3- انواع کلید قدرت در GIS

اغلب کلیدهای قدرت در GIS از نوع Self-Blast یا Auto-Puffer هستند؛ در این مکانیزم، از فشار گاز ناشی از قوس الکتریکی ایجادشده برای خاموش کردن سریع‌تر قوس استفاده می‌شود. ویژگی این مکانیسم، کاهش نیاز به بخش‌های مکانیکی پیچیده و افزایش قابلیت اطمینان است [6].

3-3- اجزای داخلی کلید قدرت

در یک کلید قدرت GIS، بخش‌های اصلی عبارت‌اند از:

•     محفظه کلیدزنی: فضایی که در آن کنتاکت‌ها باز یا بسته می‌شوند و قوس الکتریکی در آن تشکیل و خاموش می‌شود.

•     کنتاکت ثابت و متحرک: اتصال‌های فلزی که در حالت وصل با یکدیگر در تماس‌اند و در حالت قطع از یکدیگر جدا می‌شوند.

•     مکانیزم عملگر (Operating Mechanism): سیستمی شامل فنر، کمپرسور یا سلونوئید که نیروی مکانیکی لازم برای جابه‌جایی کنتاکت‌ها را فراهم می‌کند.

•     محفظه گاز SF₆: محیط عایقی که با فشار تنظیم‌شده، استقامت الکتریکی لازم را تأمین می‌کند.

 

4- سکسیونر (Disconnector)

4-1- تعریف و ضرورت

سکسیونر یا جداکننده (Disconnect Switch) در پست‌های عایق گازی عمدتاً برای جداسازی فیزیکی بخش‌های مختلف شبکه یا تجهیزات از یکدیگر استفاده می‌شود. این تجهیز با ایجاد فاصله عایقی مطمئن، امکان انجام تعمیرات یا عملیات نگهداری روی بخش‌های دیگر پست را بدون ایجاد خطر برق‌گرفتگی فراهم می‌کند [7].

2-4- سکسیونر سه‌وضعیتی

در بسیاری از طرح‌های GIS، از سکسیونر سه‌وضعیتی (Three-Position Disconnector) استفاده می‌شود که می‌تواند در سه حالت جدا (Open)، وصل (Close) یا زمین‌شده (Earthing) قرار گیرد. این فناوری سبب کاهش تعداد تجهیزات و افزایش سرعت بهره‌برداری شده است [8].

 

5- ارت‌سوییچ (Earthing Switch)

1-5- تعریف و نقش در ایمنی

ارت‌سوییچ (ES) تجهیزی است که خطوط یا شینه‌های خاصی را به سیستم زمین متصل می‌کند تا در هنگام انجام تعمیرات یا بروز خطا، هیچ اختلاف پتانسیلی بین تجهیزات و زمین وجود نداشته باشد [3]. درواقع، ارت‌سوییچ مکمل سکسیونر در تضمین ایمنی است؛ سکسیونر مدار را از منبع جدا می‌کند و ارت‌سوییچ باقی‌مانده بار الکتریکی را به زمین منتقل می‌نماید.

2-5- فست ارت‌سوییچ (Fast Earthing Switch)

نوع پیشرفته‌ای از ارت‌سوییچ است که سرعت عملکرد بالایی دارد و در مواقع بروز خطا یا شرایط اضطراری، سریعاً قسمتی از پست را زمین می‌کند. مکانیزم عملگر این نوع ارت‌سوییچ معمولاً فنری یا الکترومغناطیسی است و در زمانی بسیار کوتاه (چند ده میلی‌ثانیه) عمل می‌کند [6].

 

6- شینه‌ها (Busbars)

1-6- ساختار و اهمیت

شینه یا باسبار (Busbar) مسیر اصلی انتقال جریان الکتریکی در پست را تشکیل می‌دهد. در پست‌های عایق گازی، شینه‌ها در محفظه‌های فلزی مخصوص خود قرار گرفته و توسط بوشینگ‌های داخلی از سایر بخش‌ها جدا می‌شوند [2]. این ساختار فشرده به کاهش تخلیه کرونا و افزایش قابلیت اطمینان کمک می‌کند.

2-6- انواع توپولوژی شینه در GIS

پیکربندی شینه در GIS ممکن است تک‌باس، دوباس، یا چندباس باشد. بسته به سطح ولتاژ، نیاز به قابلیت اطمینان، و معماری شبکه، از توپولوژی‌های مختلفی استفاده می‌شود. هرچه تعداد باس‌ها بیشتر باشد، قابلیت انعطاف و تعمیرات حین بهره‌برداری افزایش می‌یابد [9].

 

7- ترانس‌های اندازه‌گیری (Instrument Transformers)

7-1- ترانس جریان (Current Transformer - CT)

ترانس‌های جریان برای اندازه‌گیری جریان خطوط فشارقوی و تأمین ورودی‌های کنترلی و حفاظتی به رله‌ها استفاده می‌شوند. در GIS، این ترانس‌ها در محفظه‌های گازی نصب می‌شوند و به شکل حلقه‌ای یا کویل با نسبت تبدیل مشخص جریان را نمونه‌برداری می‌کنند [5]. دقت بالا و عایق‌بندی مطمئن از ویژگی‌های این تجهیزات در GIS است.

2-7- ترانس ولتاژ (Voltage Transformer - VT)

ترانس‌های ولتاژ برای اندازه‌گیری ولتاژ یا تأمین تغذیه کم‌توان برای مدارات اندازه‌گیری و حفاظت استفاده می‌شوند. در پست‌های GIS، گاهی از ترانس‌های ولتاژ خازنی (Capacitive Voltage Transformers) یا ترانس‌های ولتاژ القایی (Inductive Voltage Transformers) بهره گرفته می‌شود. هدف اصلی، تبدیل سطح ولتاژ بالا به مقیاس قابل‌استفاده در رله‌ها و سیستم‌های اندازه‌گیری است [10].

 

8- برقگیر (Surge Arrester)

1-8- نقش در حفاظت از تجهیزات

برقگیر (Surge Arrester) در GIS وظیفه محافظت از تجهیزات در برابر اضافه‌ولتاژهای گذرا (ناشی از صاعقه یا کلیدزنی) را برعهده دارد. برقگیرها با داشتن مواد نیمه‌رسانا (عمدتاً کاربید سیلیسیم یا اکسید فلزی مانند ZnO) ولتاژ اضافی را به زمین منحرف کرده و از آسیب به سایر تجهیزات پیشگیری می‌کنند [4].

2-8- نصب برقگیر در پست‌های عایق گازی

در پست GIS، برقگیر نیز داخل محفظه‌های گازی و در نزدیکی تجهیزاتی نصب می‌شود که حساسیت بالاتری به اضافه‌ولتاژ دارند، مانند ترانس‌های اندازه‌گیری یا کلیدهای قدرت. این نزدیکی به منبع اضافه‌ولتاژ باعث کاهش اثرات گذرا و افزایش راندمان حفاظت می‌شود [1].

 

9- سیستم کنترل و حفاظت (Control & Protection System)

9-1- اهمیت مانیتورینگ و حفاظت

با هوشمندسازی شبکه و نیاز روزافزون به بهره‌برداری مطمئن، سیستم کنترل و حفاظت نقش حیاتی در GIS ایفا می‌کند. این سیستم شامل رله‌های حفاظتی دیجیتال، واحدهای کنترل محلی (Local Control Cubicle یا LCC)، و سامانه‌های اسکادا (SCADA) است که وضعیت هر ماژول را مانیتور کرده و در صورت بروز خطا، فرمان‌های قطع یا هشدار صادر می‌کند [7].

9-2- تجهیزات اندازه‌گیری آنلاین و تخلیه جزئی

پست‌های GIS جدید، اغلب به حسگرهای مانیتورینگ آنلاین تخلیه جزئی (Partial Discharge) مجهز هستند که در صورت رخداد تخلیه غیرعادی، با ارسال آلارم، امکان پیشگیری از خرابی و خاموشی ناخواسته را فراهم می‌سازند. این حسگرها با بهره‌گیری از روش‌های آکوستیکی، الکترومغناطیسی یا نوری، هرگونه نشتی و تخلیه را شناسایی می‌کنند [3].

 

10- محفظه‌های فلزی (Enclosures) و سیستم گازی

1-10- محفظه فلزی و آب‌بندی

تمامی اجزای GIS درون محفظه‌های فلزی قرار گرفته و از هوای محیط ایزوله می‌شوند. جنس این محفظه‌ها عموماً آلومینیوم یا فولاد ضدزنگ است که در برابر زنگ‌زدگی و فشار داخلی مقاومت بالایی دارد. آب‌بندی دقیق و کنترل کیفیت جوشکاری در فرایند تولید، از مهم‌ترین مراحل تضمین عملکرد درازمدت GIS است [2].

2-10- گاز عایق (عمدتاً SF₆)

در بیش‌تر پست‌های GIS، گاز SF₆ به عنوان عایق اصلی مورداستفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا قدرت عایقی آن تقریباً ۲.۵ برابر هوا است و خواص خاموش‌کنندگی قوس عالی دارد [1]. بااین‌حال، به دلیل پتانسیل گرمایش جهانی بالا، تلاش‌هایی برای توسعه گازهای جایگزین مانند C₄F₇N یا مخلوط‌های خاص در جریان است.

 

11- مکانیزم‌های بین‌بخشی: اینترلاک و ایمنی

11-1- اینترلاک مکانیکی و الکتریکی

به منظور جلوگیری از خطاهای انسانی و عملیات نادرست، پست‌های GIS به اینترلاک‌های مکانیکی و الکتریکی مجهز هستند. این مکانیزم‌ها اطمینان حاصل می‌کنند که تجهیزات فقط در توالی‌های مجاز عمل کنند. به‌عنوان مثال، امکان بسته‌شدن سکسیونر زمانی وجود دارد که کلید قدرت مربوطه قطع باشد [7].

11-2- استانداردهای ایمنی

برای تضمین ایمنی اپراتورها، پروتکل‌های سخت‌گیرانه‌ای جهت زمین‌کردن و قفل‌کردن تجهیزات وضع شده است. در کنار مقررات داخلی شرکت‌های سازنده، استانداردهای IEC و IEEE نیز چارچوب‌هایی برای طراحی و بهره‌برداری ایمن GIS تدوین کرده‌اند [9].

 

12- نکات نصب، بهره‌برداری و نگهداری

12-1- نصب ماژولار

در اغلب موارد، تجهیزات GIS به شکل ماژولار در کارخانه مونتاژ و آزمایش می‌شوند و سپس برای نصب به سایت منتقل می‌گردند. در محل نصب، ماژول‌ها به یکدیگر متصل و تزریق یا تنظیم فشار گاز SF₆ انجام می‌شود [2].

12-2- تعمیرات پیشگیرانه و مانیتورینگ

مهم‌ترین اقدامات نگهداری در GIS شامل اندازه‌گیری فشار و رطوبت گاز، بازرسی‌های چشمی محفظه، آزمایش تخلیه جزئی و بررسی عملکرد مکانیزم‌های کلیدزنی است. تعمیرات پیشگیرانه منظم، عمر عملیاتی GIS را افزایش و احتمال خاموشی‌های ناخواسته را کاهش می‌دهد [10].

12-3- ملاحظات زیست‌محیطی

با توجه به اثرات گاز SF₆ بر تغییرات اقلیمی، باید نشتی آن به حداقل برسد. فرایندهای جمع‌آوری و بازیابی گاز در هنگام تعمیرات یا اورهال، مطابق مقررات و دستورالعمل‌های بین‌المللی از جمله استاندارد IEC 60480 صورت می‌گیرد [1].

 

13- جمع‌بندی

شناخت اجزای اصلی و نقش هریک در پست‌های عایق گازی (GIS)، گام نخست برای درک عمیق‌تر این فناوری به‌شمار می‌رود. کلید قدرت، سکسیونر، ارت‌سوییچ، شینه‌ها، ترانس‌های اندازه‌گیری، برقگیر، محفظه‌های فلزی و سیستم‌های کنترل-حفاظت، در کنار گاز SF₆ به‌عنوان محیط عایق، ساختار اصلی GIS را شکل می‌دهند. تعامل هماهنگ این اجزا و اجرای دقیق مکانیزم‌های بین‌بخشی (اینترلاک و مانیتورینگ) سبب شده GIS به راهکاری ایده‌آل در شبکه‌های انتقال و فوق‌توزیع شهری تبدیل شود. هرچند هزینه اولیه بالاتر و دغدغه‌های زیست‌محیطی مربوط به گاز SF₆ از چالش‌های مهم این فناوری است، اما مزایای آن در استفاده بهینه از فضا، افزایش قابلیت اطمینان، و تسهیل تعمیرات و نگهداری باعث رشد روزافزون کاربرد GIS در سطح جهان شده است.

مطالعه و درک مبانی اجزای GIS، مقدمه‌ای برای ورود به مباحث تخصصی‌تر نظیر طراحی مکانیکی و الکتریکی جزئی، تحلیل عایقی دقیق، کنترل و حفاظت هوشمند، و بررسی گازهای جایگزین SF₆ خواهد بود. در مقالات آتی، می‌توان به شکلی عمیق‌تر به هر یک از تجهیزات و جنبه‌های فنی مرتبط با پست‌های عایق گازی پرداخت.

 

نوشته شده توسط: رضا بابائی قصاب

مدیر فنی و مهندسی دپارتمان GIS