معرفی جامع پست‌های برق عایق گازی (GIS)

1. مقدمه

اهمیت پست‌های برق

پست‌های برق به عنوان زیرساخت‌های حیاتی در سیستم‌های قدرت، وظیفه دریافت، تبدیل، اندازه‌گیری و توزیع انرژی الکتریکی را بر عهده دارند. با افزایش تقاضا برای قابلیت اطمینان و ایمنی، فناوری‌های جدیدی مانند پست‌های برق عایق گازی (GIS) جایگزین پست‌های  برق عایق هوا (AIS) شده‌اند.

مزایای GIS

• فضای کمتر: GIS تا ۷۰ درصد فضای کمتری نسبت به AIS نیاز دارد.
• قابلیت اطمینان بالا: تجهیزات محصور شده در برابر عوامل محیطی مقاوم‌تر هستند.
• کاهش هزینه‌های نگهداری: هزینه‌های عملیاتی بلندمدت به دلیل کاهش خرابی‌ها کمتر است.

2. تعریف و ضرورت GIS

تعریف کلی

GIS شامل تجهیزات سوئیچینگ، ترانسفورماتورهای ابزاری (CT و VT)، باسبارها، برقگیرها و سایر تجهیزات در محفظه‌های فلزی مهر و موم شده است. عایق‌بندی این تجهیزات توسط گاز SF₆ انجام می‌شود.

اهمیت GIS

• محدودیت فضایی: GIS برای مناطق شهری و محیط‌های حساس مناسب است.
• ایمنی و قابلیت اطمینان: تجهیزات محصور شده در برابر آلودگی، رطوبت و حیوانات مقاوم‌تر هستند.
• کاهش هزینه‌های عملیاتی: هزینه‌های نگهداری به دلیل کاهش خرابی‌ها کمتر است.

3. ساختار کلی GIS

3.1. محفظه‌های فلزی

• مواد استفاده‌شده: آلومینیوم یا فولاد ضد زنگ برای مقاومت در برابر خوردگی و استحکام مکانیکی.
• طراحی داخلی: سطح داخلی برای کاهش تخلیه جزئی (Partial Discharge) و نشت گاز بهینه‌سازی شده است.

3.2. گاز SF₆

• استحکام دی‌الکتریک: گاز SF₆ دارای استحکام دی‌الکتریکی حدود ۲.۵ برابر هوا است.
• شرایط عملیاتی: فشار گاز معمولاً بین ۵ تا ۸ بار است و در دمای پایین (تا -۴۰ درجه سانتی‌گراد) عملکرد خود را حفظ می‌کند.

3.3. تجهیزات سوئیچینگ

• بریکرها: شامل بریکرهای خودفشار (self-blast) یا اتوپافر (auto-puffer).
• جداکننده‌ها: شامل جداکننده‌های سه‌موقعیتی برای سوئیچینگ و اتصال زمین.
• سوئیچ‌های اتصال زمین: برای ایمنی در طول تعمیرات استفاده می‌شوند.

3.4. باسبارها

• پیکربندی: باسبارها در داخل محفظه‌های گازی قرار دارند و از طریق بوشینگ‌های داخلی به سایر ماژول‌ها متصل می‌شوند.
• افزایش قابلیت اطمینان: عدم قرارگیری در معرض هوای آزاد باعث کاهش تخلیه جزئی و افزایش قابلیت اطمینان می‌شود.

3.5. ترانسفورماتورهای ابزاری

• انواع: ترانسفورماتورهای جریان (CT) و ولتاژ (VT) در داخل محفظه‌های گازی قرار دارند.
• طراحی مدرن: در برخی موارد از ترانسفورماتورهای نوری برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی استفاده می‌شود.

3.6. برقگیرها

• هدف: محافظت از GIS در برابر اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه یا سوئیچینگ.

4. اصول عایق‌بندی و طراحی

مدیریت تنش الکتریکی

• فاصله و عایق‌بندی: طراحی دقیق برای جلوگیری از شکست عایقی با استفاده از روش المان محدود (FEM).
• بهینه‌سازی توزیع میدان: استفاده از حلقه‌های گرادیان و پوشش‌های نیمه‌هادی برای کاهش میدان‌های الکتریکی اوج.

نظارت بر فشار گاز

• نظارت مداوم: فشار و چگالی گاز SF₆ به‌طور مداوم کنترل می‌شود تا از یکپارچگی عایقی اطمینان حاصل شود.

پیکربندی مدولار

• ماژول‌های پیش‌مونتاژ: GIS به صورت ماژول‌های پیش‌مونتاژ شده تولید می‌شود که امکان انعطاف‌پذیری در طراحی و گسترش را فراهم می‌کند.

5. نقش گاز SF₆ و ملاحظات زیست‌محیطی

گاز SF₆ به عنوان گاز گلخانه‌ای

• پتانسیل گرمایش جهانی (GWP): SF₆ یک گاز گلخانه‌ای قوی است و نشت آن اثرات زیست‌محیطی قابل توجهی دارد.

راهکارهای کاهش اثرات زیست‌محیطی

• مدیریت چرخه عمر گاز: جمع‌آوری، بازیابی، تصفیه و استفاده مجدد از گاز SF₆.
• توسعه گازهای جایگزین: تحقیقات بر روی گازها یا مخلوط‌های گازی با GWP پایین‌تر.
• رعایت استانداردهای بین‌المللی: استانداردهای IEC و CIGRÉ برای مدیریت گاز و نرخ نشت.

6. مقایسه با پست‌های برق عایق هوا (AIS)

• استفاده از زمین: GIS فضای کمتری نسبت به AIS نیاز دارد.
• هزینه اولیه: هزینه اولیه GIS بالاتر است اما هزینه‌های عملیاتی بلندمدت کمتر است.
• عوامل محیطی: GIS در برابر آلودگی و رطوبت مقاوم‌تر است.
• قابلیت اطمینان: GIS به دلیل کاهش تأثیرات خارجی، قابل اطمینان‌تر است.

7. اصول عملیاتی GIS

• توزیع برق: GIS برق را از خطوط ورودی دریافت کرده و از طریق باسبارها توزیع می‌کند.
• حفاظت و اندازه‌گیری: ترانسفورماتورهای ابزاری داده‌ها را به سیستم‌های حفاظت و نظارت ارسال می‌کنند.

8. نصب، راه‌اندازی و نگهداری

8.1. نصب مدولار

• مونتاژ در کارخانه: اجزای GIS در کارخانه مونتاژ و آزمایش می‌شوند.
• نصب در محل: ماژول‌ها در محل نصب به‌طور هماهنگ کنار هم قرار می‌گیرند.

8.2. راه‌اندازی

• تأیید فشار گاز: بررسی فشار گاز SF₆.
• بررسی عملکرد تجهیزات: تست عملکرد بریکرها، جداکننده‌ها و سیستم‌های حفاظتی.

8.3. نگهداری پیشگیرانه

• نظارت بر تخلیه جزئی: بررسی تخلیه جزئی (Partial Discharge).
• اندازه‌گیری رطوبت: کنترل میزان رطوبت در سیستم.
• بررسی فشار گاز: نظارت بر فشار گاز SF₆.

8.4. نگهداری اصلاحی

• مدیریت خرابی: در صورت خرابی، ماژول مربوطه ایزوله شده و برای تعمیر به مرکز تعمیرات منتقل می‌شود.

9. استانداردها و مقررات

استانداردهای بین‌المللی

• IEC 62271: استانداردهای طراحی، آزمون‌های ولتاژ بالا و مدیریت گاز SF₆.
• رعایت استانداردها: تضمین قابلیت اطمینان، ایمنی و انطباق با محیط‌زیست.

10. کاربردها و روندهای آینده

کاربردهای فعلی

• ولتاژهای متوسط تا فوق‌العاده بالا: GIS در نیروگاه‌ها، پست‌های تبدیل HVDC و شبکه‌های شهری استفاده می‌شود.

روندهای آینده

• فناوری‌های هوشمند: ادغام سیستم‌های نظارت آنلاین و کنترل دیجیتال.
• گازهای جایگزین: تحقیقات بر روی گازهای با GWP پایین‌تر.

11. نتیجه‌گیری

GIS به عنوان یک فناوری پیشرفته در صنعت برق، مزایای قابل توجهی از جمله کاهش فضای مورد نیاز، افزایش قابلیت اطمینان و کاهش هزینه‌های عملیاتی ارائه می‌دهد. با وجود چالش‌های زیست‌محیطی مرتبط با گاز SF₆، پیشرفت‌ها در مدیریت گاز و توسعه گازهای جایگزین، آینده روشنی را برای این فناوری رقم می‌زند.