معرفی کلی پست‌های برق عایق گازی (GIS)

1- مقدمه

پست‌های برق یکی از حیاتی‌ترین زیرساخت‌ها در شبکه‌های قدرت محسوب می‌شوند و وظیفۀ اصلی آن‌ها دریافت، تبدیل، اندازه‌گیری و توزیع توان الکتریکی است. در طول چند دهۀ گذشته، صنعت برق شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در زمینۀ طراحی و اجرای پست‌ها بوده است؛ یکی از این پیشرفت‌های مهم، توسعه و به‌کارگیری پست‌های برق عایق گازی (Gas Insulated Substations) موسوم به GIS است. این نوع پست‌ها با جایگزینی ساختار هوایی (Air-Insulated Substations یا AIS) با محفظه‌های عایق گازی، ضمن کاهش فضای اشغال‌شده، ایمنی و قابلیت اطمینان بالاتری ارائه می‌دهند. در این مقاله، ابتدا به معرفی کلی پست‌های برق عایق گازی پرداخته خواهد شد و سپس ساختار، مزایا و محدودیت‌های آن‌ها و جایگاه‌شان در صنعت برق بررسی می‌گردد. هدف، ارائه‌ی یک نگاه جامع و علمی از این فناوری است که بتواند برای مخاطبان متخصص، مهندسان برق و علاقه‌مندان به مباحث فشارقوی و طراحی پست‌های برق مفید باشد.

 

2- تعریف و ضرورت استفاده از پست‌های برق عایق گازی

2-1- تعریف کلی پست GIS

پست برق عایق گازی یا GIS سامانه‌ای است که در آن تجهیزات کلیدزنی، ترانس‌های اندازه‌گیری (CT و VT)، باسبار‌ها (Busbars)، برقگیرها (Surge Arresters) و سایر اجزای حفاظتی و کنترلی در محفظه‌های فلزی آب‌بندی‌شده قرار می‌گیرند و از گاز با خاصیت دی‌الکتریک بالا( عموماً گاز سولفور هگزا فلوراید مرسوم به SF₆) برای عایق‌بندی و خاموش‌کردن قوس الکتریکی استفاده می‌شود. جایگزینی هوای آزاد با گاز SF₆ باعث می‌شود فواصل عایقی بین تجهیزات کاهش یابد و کل پست در فضایی بسیار فشرده‌تر قابل پیاده‌سازی باشد.

2-2- ضرورت و اهمیت پست‌های GIS

کمبود فضا: در مناطق شهری که تراکم بالا و قیمت زمین بسیار زیاد است، استفاده از پست عایق گازی ضروری می‌شود. با GIS می‌توان فضای لازم برای تجهیز پست را تا حدود ۷۰ درصد نسبت به پست‌های هوایی کاهش داد.

قابلیت اطمینان و ایمنی بالا: به دلیل قرارگیری تجهیزات در محفظه‌های آب‌بندی‌شده، تاثیر عوامل محیطی نظیر گردوغبار، رطوبت، آلودگی‌های صنعتی و جانوران کاهش چشمگیری دارد و در نتیجه پایداری عملکرد پست افزایش می‌یابد.

کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری: هرچند هزینۀ سرمایه‌گذاری اولیۀ GIS بالاتر از AIS است، اما به دلیل کاهش حوادث مرتبط با عوامل محیطی، میانگین زمان بین خرابی (MTBF) بیشتر و هزینه‌های نگهداری (Maintenance) و تعمیرات (Repair) در بلندمدت کمتر خواهد بود.

استفادۀ بهینه از نیروی انسانی متخصص: تجهیزات GIS به صورت ماژولار و مجتمع طراحی می‌شوند؛ بنابراین نیاز به بازرسی‌های مکرر کمتر بوده و بهره‌برداری از آن ساده‌تر می‌شود.

 

3- ساختار کلی پست‌های برق عایق گازی

3-1- محفظه‌های فلزی (Enclosures)

در پست‌های عایق گازی، تجهیزات در محفظه‌های فلزی سیل‌شده قرار می‌گیرند. این محفظه‌ها معمولاً از جنس آلومینیوم یا فولاد ضدزنگ ساخته می‌شوند تا هم‌زمان خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی را تأمین کنند. سطح داخلی محفظه به‌شکلی طراحی می‌شود که تخلیه الکتریکی (Partial Discharge) به حداقل برسد و در عین حال با کمترین نشتی گاز در درازمدت مواجه باشد.

3-2- گاز SF₆

گاز SF₆ به‌دلیل قدرت عایقی بالا (حدود ۲.۵ برابر هوای معمولی) و ویژگی‌های خاموش‌کنندگی قوس الکتریکی، گزینۀ اصلی در پست‌های عایق گازی است. تراکم یا فشار کاری این گاز بسته به سطح ولتاژ و طراحی تجهیزات معمولاً در بازۀ ۵ تا ۸ بار قرار می‌گیرد. افزون بر این، این گاز در برابر اکسیداسیون مقاوم است و حتی در دماهای پایین (تا حدود ۴۰- درجه سلسیوس) خواص عایقی خود را حفظ می‌کند.

3-3- تجهیزات کلیدزنی (Switchgear)

بخش کلیدزنی در GIS شامل کلید قدرت (Circuit Breaker)، سکسیونرها (Disconnectors) و زمین‌کننده‌ها (Earthing Switch) است. کلیدهای قدرت در GIS غالباً از نوع Self-Blast یا Auto-Puffer هستند و در محفظۀ گاز SF₆ عمل خاموش‌کردن قوس را انجام می‌دهند. سکسیونرهای سه‌وضعیتی (Three-Position Disconnector) در GIS امکان قطع و وصل و زمین‌کردن را در یک واحد فراهم می‌سازند و فست ارت سوئیچ (Fast Earthing Switch) نیز به‌صورت سریع اجزای مدار را زمین می‌کند تا ایمنی بهره‌برداری تضمین شود.

3-4- باسبار‌ها (Busbars)

در پست GIS، باسبار‌ها معمولاً به‌صورت داخلی (Internal Bus) در همان محفظه‌های فلزی قرار می‌گیرند. این باسبار‌ها از طریق بوشینگ‌های عایقی داخلی به سایر بخش‌ها یا واحدهای کلیدزنی متصل می‌شوند. نبود مواجهه مستقیم با هوای آزاد، احتمال وقوع پدیده تخلیه کرونا (Corona Discharge) روی باسبار را به‌مراتب کاهش می‌دهد.

3-5- ترانس‌های اندازه‌گیری (Instrument Transformers)

شامل ترانس جریان (Current Transformer یا CT) و ترانس ولتاژ (Voltage Transformer یا VT) است. این تجهیزات نیز به صورت ماژولار در GIS قرار می‌گیرند و به دلیل قابلیت اطمینان بالاتر، دقت اندازه‌گیری خوبی را تضمین می‌کنند. فناوری‌های نوین همچنین از ترانس‌های نوری (Optical CT/VT) استفاده می‌کنند که نه‌تنها نویز الکترومغناطیسی را کاهش می‌دهد، بلکه وزن و حجم تجهیزات را نیز کم می‌کند.

3-6- برقگیر (Surge Arrester)

برقگیرها برای حفاظت تجهیزات GIS در برابر اضافه‌ولتاژهای گذرا (Surge) ناشی از رعدوبرق یا کلیدزنی ضروری‌اند. در GIS، برقگیر نیز در محفظۀ بسته و در جوار تجهیزات کلیدزنی نصب می‌شود تا کمترین فاصله با منبع اضافه‌ولتاژ داشته باشد و انرژی اضافی را سریعاً تخلیه کند.

 

 

4- اصول طراحی و عایق‌بندی در GIS

فواصل عایقی و استرس الکتریکی: در پست‌های عایق گازی، برخلاف پست هوایی، فواصل بین کنتاکت‌ها به مراتب کمتر است و نیازمند محاسبات دقیق برای پیشگیری از شکست عایقی (Insulation Breakdown) خواهد بود. توزیع میدان الکتریکی در اطراف الکترودها باید با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی تحلیل شود.

بهینه‌سازی توزیع میدان: طراحی الکترودها، شکل محفظه فلزی و قرارگیری زوائد فلزی باید به شکلی انجام گیرد که پیک میدان الکتریکی کاهش یابد. استفاده از رینگ‌های کنترل میدان (Grading Rings) یا پوشش‌های نیمه‌رسانا می‌تواند به توزیع یکنواخت‌تر میدان الکتریکی کمک کند.

سیستم فشار گاز: سیستم پایش تراکم و فشار گاز SF₆ در GIS به‌صورت پیوسته انجام می‌گیرد. نشتی گاز نه تنها هزینۀ بالایی دارد بلکه کاهش فشار می‌تواند باعث افت سطح عایقی و افزایش احتمال خرابی شود. لذا مانیتورینگ فشار توسط سنسورها و رله‌های حفاظتی انجام می‌گیرد و در صورت افت فشار به آستانۀ معین، آلارم یا تریپ صادر می‌شود.

چینش ماژولار: طراحی GIS معمولاً ماژولار است؛ هر بخش کلیدزنی به‌صورت واحد مستقل تولید می‌شود و هنگام نصب در سایت، ماژول‌ها به هم کوپل می‌شوند. این روش دست طراح را در انعطاف سیستم و تغییرات آتی باز می‌گذارد.

 

5- نقش گاز SF₆ و ملاحظات زیست‌محیطی

گاز SF₆ اگرچه در صنعت برق به‌خاطر ویژگی‌های عایقی و خاموش‌کنندگی بی‌نظیرش شناخته شده است، اما یکی از گازهای گلخانه‌ای (Greenhouse Gas) قدرتمند محسوب می‌شود و پتانسیل گرمایش جهانی (Global Warming Potential) آن بسیار زیاد است. در نتیجه، نشتی SF₆ به اتمسفر می‌تواند اثرات مخربی بر محیط زیست داشته باشد.

برای کاهش اثرات زیست‌محیطی:

مدیریت چرخه عمر گاز: شامل جمع‌آوری، بازیابی، خالص‌سازی و استفاده‌ی مجدد از SF₆ در تجهیزات جدید یا موجود.

توسعه گازهای جایگزین: برخی شرکت‌ها روی گازهای ترکیبی (Mix) یا گازهای نوین با پتانسیل گرمایش کمتر مانند گازهای مبتنی بر C₄F₇N یا CO₂ تحقیق می‌کنند.

استانداردهای بین‌المللی: سازمان‌های استانداردی نظیر IEC و CIGRÉ محدوده‌های مجاز نشتی و الزامات طراحی را تعریف کرده‌اند تا سازندگان را به حداقل‌سازی نشت SF₆ ترغیب کنند.

 

6- مقایسه GIS با پست‌های هوایی (AIS)

فضا و اشغال زمین: GIS به‌طور قابل ملاحظه‌ای کوچک‌تر است و برای مناطق شهری متراکم یا نواحی با هزینه‌ی زمین بالا بسیار ایده‌آل است. در مقابل، AIS به فضای آزاد نیاز دارد و ابعاد آن بسیار بزرگ‌تر است.

هزینه اولیه: هزینه سرمایه‌گذاری (CAPEX) برای GIS بیشتر است؛ چرا که تجهیزات آن ساختار پیچیده‌تری دارند و نیازمند تکنولوژی جوشکاری تخصصی، محفظه‌های فلزی مقاوم و تست‌های فشارقوی در سطح کارخانه هستند. اما در طولانی‌مدت، هزینه‌های تعمیر و نگهداری (OPEX) پایین‌تر در GIS، بخشی از این تفاوت را جبران می‌کند.

تأثیر عوامل محیطی: GIS بسیار در برابر آلودگی محیطی مقاوم است. در AIS، آلودگی و رطوبت می‌تواند باعث تخلیه سطحی (Surface Discharge) و کاهش استقامت عایقی تجهیزات شود.

قابلیت اطمینان: به‌طور کلی GIS از AIS قابل اطمینان‌تر است، زیرا احتمال خطاهای ناشی از عوامل بیرونی کم می‌شود. میزان خاموشی‌های ناخواسته ناشی از صاعقه، گردوغبار و حیوانات در GIS به‌شدت کاهش می‌یابد.

 

7- نحوه عملکرد کلی پست‌های برق عایق گازی

پست GIS نقش کلیدی در تبدیل و توزیع انرژی الکتریکی ایفا می‌کند. انرژی از خطوط ورودی انتقال یا فوق‌توزیع (مثلاً 230 یا 400 کیلوولت) وارد محفظه GIS می‌شود. باسبار‌ها وظیفه توزیع این انرژی را بین فیدرهای مختلف برعهده دارند. کلیدهای قدرت (Circuit Breakers) برای حفاظت در برابر جریان‌های اتصال کوتاه و کلیدزنی بار به‌کار می‌روند. سکسیونرها (Disconnectors) امکان جداکردن بخش‌های مختلف شبکه یا زمین‌کردن (Earth Switch) برای ایمنی پرسنل را مهیا می‌کنند. ترانس‌های اندازه‌گیری برای اندازه‌گیری جریان و ولتاژ و ارسال سیگنال به رله‌های حفاظتی یا سیستم‌های مانیتورینگ دیجیتال استفاده می‌شوند. در نهایت، برق خروجی از طریق کابل‌های قدرت یا خطوط هوایی به شبکه یا مصرف‌کنندگان منتقل می‌شود.

 

8- روش‌های نصب، راه‌اندازی و تعمیرات

نصب ماژولار: اجزای GIS مانند باس‌بارها، بی‌تی‌اِس‌ها (Bay Modules)، ترانس‌های اندازه‌گیری و غیره معمولاً در کارخانه مونتاژ و تست می‌شوند. در محل نصب، این ماژول‌ها به‌صورت خط تولیدی به یکدیگر متصل می‌شوند.

راه‌اندازی (Commissioning): شامل تست فشار گاز، تست استقامت عایقی، تست عملکرد کلیدها و سکسیونرها، تست صحت سیم‌کشی فرمان و کنترل (Wiring Check) و اطمینان از عملکرد صحیح رله‌ها و سیستم‌های حفاظتی است.

تعمیرات و نگهداری پیشگیرانه (Preventive Maintenance): معمولاً به‌صورت دوره‌ای و با نظارت بر تخلیه جزئی (Partial Discharge Monitoring)، اندازه‌گیری رطوبت گاز (Moisture Content)، فشار گاز و عملکرد مکانیزم کلیدها انجام می‌شود. دوره‌های تعمیرات ممکن است نسبت به AIS طولانی‌تر باشد، زیرا GIS معمولاً نیازمند سرویس‌های کم‌تواتر اما تخصصی‌تر است.

تعمیر در صورت خرابی (Corrective Maintenance): در صورت بروز عیب در یک ماژول GIS، معمولاً آن ماژول از مدار جدا و به کارگاه تعمیراتی یا کارخانه ارسال می‌شود تا تحت شرایط ایمن و تمیز، قطعات داخلی بازبینی و یا تعویض شوند.

 

9- استانداردها و مقررات

در سطح بین‌المللی، کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) استانداردهای متعددی برای تجهیزات GIS دارد نظیر IEC 62271)، که شامل مباحث طراحی، آزمون‌های فشارقوی، ایمنی، عملکرد حرارتی و ابعاد فنی مربوط به گاز SF₆ است. همچنین مؤسسات دیگر نظیر IEEE و CIGRÉ راهنماها و گزارش‌های فنی بسیاری منتشر کرده‌اند که در آن‌ها بهترین تجارب عملی (Best Practices)، الزامات تعمیر و نگهداری، و معیارهای طراحی مطرح شده است. رعایت این استانداردها اجباری است تا ایمنی، قابلیت اطمینان و پایداری عملکرد GIS تضمین شود.

 

10- کاربردها و روند آینده

امروزه GIS در ولتاژهای مختلف از سطح توزیع (مثلاً 66 کیلوولت) تا سطوح فوق‌العاده بالا (UHV) به‌کار می‌رود. در نیروگاه‌های برق (Thermal، هسته‌ای یا آبی)، ایستگاه‌های مبدل HVDC و شبکه‌های شهری پرتراکم به‌شدت مورد استقبال است. با پیشرفت فناوری‌های مانیتورینگ آنلاین (Online Monitoring) و هوشمندسازی (Digitalization)، انتظار می‌رود که پست‌های عایق گازی بیش از پیش به سمت سامانه‌های هوشمند و خودکار حرکت کنند و همچنین گازهای جایگزین دوستدار محیط‌زیست توسعه پیدا کنند.

 

11- جمع‌بندی

پست‌های برق عایق گازی (GIS) پاسخی تخصصی به چالش‌های شبکه‌های مدرن برق است. این پست‌ها با کاهش ابعاد، ارتقای قابلیت اطمینان، مقاوم‌بودن در برابر شرایط محیطی سخت و ایمنی بیشتر، راهکاری بهینه برای مناطق پرتراکم شهری و شبکه‌های حساس هستند. اگرچه هزینه اولیه و دغدغه‌های زیست‌محیطی مرتبط با گاز SF₆ از محدودیت‌های مهم GIS به‌شمار می‌روند، اما راه‌حل‌های مدیریت بهینه گاز و توسعۀ جایگزین‌های دوستدار محیط‌زیست به‌طور مداوم درحال رشد است. پست‌های عایق گازی با استمرار تحقیقات در حوزه‌های مختلف—including عایق‌بندی، طراحی مکانیکی، کنترل و حفاظت هوشمند، و روش‌های تعمیر و نگهداری پیشگیرانه—همچنان یکی از مهم‌ترین و پیشروترین فناوری‌ها در صنعت برق خواهند بود.

 

 رضا بابائی قصاب 

مدیر فنی و مهندسی دپارتمانGIS