آشنایی با پستهای GIS + ساختار آن و ساختمان تجهیزات آن
- حمید زینالی
- شبکه برق, طراحی و تجهیزات پست فشار قوی, وبلاگ
- 1405/02/31
- این مقاله بروزرسانی شده 13 خرداد 1405
چالشهای احداث پستهای معمولی (AIS)
تأمین انرژی الکتریکی در مقیاس بالا برای مراکز شهری و صنعتی با استفاده از پستهای معمولی با ایزولاسیون هوا (AIS)، همواره با دشواریهای بسیاری همراه است. مهمترین این مشکلات، افزایش بیش از حد ابعاد پستهاست. بهدلیل تراکم بالای شهری، موجب افزایش چشمگیر هزینههای خرید زمین میشود. همین موضوع، احداث اینگونه پستها را با ایزولاسیون هوا غیراقتصادی مینماید.
معرفی پستهای با ایزولاسیون گاز (GIS)
یک راهکار کارآمد جهت کاهش ابعاد تجهیزات و صرفهجویی در هزینههای خرید زمین، استفاده از مواد ایزوله با خاصیت دیالکتریک بالا است. تغییر نوع ماده ایزوله و جایگزینی آن با هوا، موجب دگرگونی کامل ساختمان تجهیزات در مقایسه با پستهای فضای باز میگردد.
گاز SF6 ماده ایزوله مناسبی با ولتاژ قابلتحمل بالاست که برای تأمین نیازهای عایقبندی در این پستها مورد استفاده قرار میگیرد. از این رو، این پستها به عنوان «پستهای با ایزولاسیون گاز» (GIS) میشناسند.
مزایای بهرهبرداری از تکنولوژی GIS
استفاده از این گاز بهعنوان ماده عایق، سبب کاهش فواصل هوایی ایزولاسیون تا چندین برابر میشود. در نهایت ابعاد پستها را تا حد بسیار زیادی کاهش میدهد. علاوه بر کاهش ابعاد تجهیزات، قرارگیری هادیهای سهفاز تحت ولتاژ و تجهیزات فشارقوی در داخل محفظه انباشته از گاز، مزایای دیگری همچون افزایش اطمینان بهرهبرداری و جلوگیری از تأثیر عوامل محیطی و تغییرات جوی در روند کارکرد پستها را بهدنبال خواهد داشت.
ضرورت احداث پستهای GIS در شرایط خاص
احداث پستهای GIS دشواریهای مربوط به تأمین انرژی الکتریکی در مراکز شهری، صنعتی، نیروگاههای آبی و زیرزمینی واقع در مناطق کوهستانی و همچنین محدودیتهای ناشی از فضای اندک و هوای آلوده محیط را رفع مینماید.
البته بهرغم مزایای فوق، دگرگونی در پستهای فشار قوی، عوارض و پدیدههایی خاص پستهای GIS را ظاهر مینماید که در ساختار پستهای معمولی مطرح نمیباشند. به همین علت، برخلاف تصور اولیه، قرارگیری هادی در محفظه بسته و تأمین ایزولاسیون هادی تا محفظه توسط گاز به آسانی قابل حصول نبوده و مستلزم مقابله با پدیدهها و عوارض مربوط به خود خواهد بود.
ویژگیهای عایقی گاز SF6 در مقایسه با هوا و روغن
قابل ذکر است که شدت میدان بروز قوس در گاز SF6 در قبال ولتاژهای موجی و فرکانس ۵۰ در فشار اتمسفر، بهطور متوسط به حدود ۵۰ کیلوولت بر سانتیمتر (50kv/cm) بالغ میگردد. این در شرایطی است که شدت میدان بروز قوس در هوا حدود ۵ کیلوولت بر سانتیمتر (5kv/cm) است.
بنابراین ولتاژ قابل تحمل گاز SF6، بالغ بر ده برابر نسبت به هوا و پنج برابر نسبت به روغن افزایش نشان میدهد که با استفاده از این خاصیت، اندازه فواصل هوایی ایزولاسیون در ایستگاههای نوع فضای باز به همین نسبت کاهش مییابد.
بهدلیل خصوصیات قابل توجه گاز SF6 بهعنوان ماده ایزوله و برخورداری از ولتاژ عایقی بالا، استفاده از آن در تجهیزات فشار قوی بهجای ایزولاسیون کاغذ-روغن با مزایای بسیار همراه است؛ بهطوری که اکنون جایگزینی آن با روغن در بسیاری از تجهیزات فشار قوی از جمله ترانسفورماتورهای قدرت در دست بررسی است.
پایداری و ایمنی ایزولاسیون در پستهای GIS
در پستهای GIS هادیهای تحت ولتاژ در محفظه بسته فلزی پر شده از گاز SF6 قرار دارند که برخلاف هادیها در پستهای معمولی و فضای باز، در معرض عوامل محیطی طبیعی و اتفاقی نظیر تخلیه جوی، آلودگی و اشیای خارجی نمیباشند.
با این وجود، پدیدههای دیگر در این نوع پستها، فواصل عایقی گاز را در داخل محفظه تهدید مینماید که پدیدههای مزبور در پستهای نوع فضای باز مشاهده نمیشوند. در هر حال، بهرغم پدیدار شدن این خصوصیات، ایزولاسیون عرضه شده توسط گاز در محفظه بسته، از اطمینان و ایمنی بهمراتب بالاتری برخوردار است.
کاهش ابعاد پستها با استفاده از ایزولاسیون گاز
در پستهای با ایزولاسیون هوا، بهعلت ولتاژ عایقی محدود هوا در مقایسه با ولتاژ عایقی گاز SF6، فواصل ایزولاسیون فاز به فاز و فاز به زمین، تا حدود ۶ تا ۸ برابر فواصل عایقی در گاز SF6 افزایش مییابد.
ساختمان تجهیزات نصب در تأسیسات GIS
مطابق شکل زیر، ساختار یک فیدر با سیستم باسبار (شینبندی) دوبل را مشاهده میکنید. تجهیزات GIS در محفظه ایزوله، عمدتاً شامل بخشهای زیر میباشد:
۱. ترانسفورماتورهای جریان
ساختمان ترانسفورماتورهای جریان مورد استفاده در GIS، مشابه ترانسفورماتورهای جریان نوع بوشینگی است. به این صورت که هادیهای جریان در محفظه GIS بهعنوان سیمپیچ اولیه عمل میکند. هستههای مغناطیسی بهصورت حلقهای با ایزولاسیون قابلقبول بر روی بدنه قرار میگیرند و سیمپیچ ثانویه بر روی آنها پیچیده میشود.
این سیمپیچها با توجه به منحنی مغناطیسیشان به دو دسته «حفاظتی» و «اندازهگیری» تقسیم میشوند. سیمپیچ حفاظتی جهت نمونهگیری جریان و ارسال به رلههای حفاظتی مورد استفاده قرار میگیرد و سیمپیچ اندازهگیری برای نمایش جریان بهکار میرود.
۲. ترانسفورماتور ولتاژ
ترانسفورماتورهای ولتاژ در انتهای شینه یا هر نقطه از آن، با استفاده از هادی ارتباطی به شینه وصل میشوند. این ترانسفورماتورها مجهز به هستهای بهصورت قالب بوده که سیمپیچهای ثانویه ترانس بر روی آنها قرار دارند.
ترانسفورماتورهای ولتاژ با بدنهای از جنس آلومینیوم و با استفاده از فلنجهای مناسب به محفظه اصلی GIS متصل میشوند. معمولاً این ترانسفورماتورها تا ردیف ولتاژ ۳۰۰ کیلوولت از نوع القایی و در ردیف ولتاژهای بالاتر از نوع خازنی پیشبینی میشوند.
۳. کلید قابل قطع زیر بار
قطع و وصل جریان بار بهمنظور جدا نمودن خطوط انشعابی، تجهیزات و ترانسفورماتورها توسط این نوع کلیدها انجام میشود که در امتداد شینه حامل جریان و محفظه GIS قرار دارند. تیغههای متحرک دارای جابهجایی در امتداد محور محفظه (حرکت Axial) میباشند.
این کلید دارای بدنه آلومینیومی استوانهای است و حرکت تیغههای متحرک و فشردهسازی محدود گاز در سیلندر توسط پیستون متصل به تیغهها، بهوسیله یک موتور الکتریکی و فنر متصل به آن تأمین میگردد.
۴. سکسیونر زمین
در این سکسیونر نیز تیغه متحرک با استفاده از محرک الکتریکی جابهجا میشود. حرکت موتور با استفاده از جعبهدنده به تیغه متحرک منتقل میگردد. مکانیزم شامل موتور، اهرم و کنتاکتهای کمکی است که بر روی بدنه محفظه GIS متصل هست و مجهز به نشاندهنده وضعیت کنتاکت و قفل میباشد.
۵. سکسیونرها
سکسیونرها در تأسیسات GIS از نظر امتداد جابهجایی تیغه متحرک متفاوت میباشند. معمولترین نوع آنها بهگونهای است که تیغه متحرک در امتداد شینه حامل جریان جابهجا شده و کورس مناسب را دارا هستند. این نوع بیشتر در ردیف ولتاژ ۲۳۰-۶۳ کیلوولت کاربرد دارد.
نوع دیگر، سکسیونر در نقطه انشعاب از شینه اصلی است که در آن تیغه متحرک در امتداد عمود بر شینه جابهجا میشود. به همین منظور، تیغه متحرک از طریق تیغههای لغزشی با شینه تحت ولتاژ در تماس میباشد.
قطعات و اتصالات جانبی شینههای GIS
شینهها از قطعات متعددی با طول برابر ساخته شدهاند که بر حسب نیاز به یکدیگر متصل گردیده و طول مورد نظر را بهوجود میآورند. هر قسمت شامل یک محفظه بسته با شینه یکپارچه میباشد. دو انتهای محفظه با استفاده از مقرههای نگهدارنده دیسکی بسته شده و محفظه آببندی میگردد.
پیشبینی قسمتهای مختلف (از جمله شینهها با طول بالا) بهصورت محفظههای جداگانه و آببندی شده که با اتصال سری به یکدیگر متصل میشوند، این امکان را فراهم میسازد تا در صورت بروز نقص در یک بخش، تعمیرات یا جایگزینی با سهولت بیشتری انجام گیرد.
در صورت بروز نشتی، نیاز به انجام تعمیرات و یا آسیبدیدگی هر محفظه، تنها بخش مورد نظر پس از تخلیه گاز مورد بازدید واقع میشود. همچنین به منظور مقابله با انبساط بیش از حد متعارف محفظه، تجهیزاتی موسوم به حلقه اطمینان یا سیستم آزادسازی فشار پیشبینی میشود.
جنبههای استفاده از پستهای گازی
کاهش سطح زمین مورد نیاز در پستهای GIS نسبت به پستهای نوع معمول (AIS)، بسیاری از مشکلات موجود در زمینه تأمین انرژی الکتریکی در مراکز مصرف را رفع مینماید. مواردی از قبیل دشواریهای طبیعی در احداث نیروگاهها، آلودگیهای محیطی که اطمینان بهرهبرداری از ایستگاههای معمولی را تحتالشعاع قرار میدهد و یا محدودیتهای زیستمحیطی و امنیتی، از جمله این چالشها هستند.
موارد اصلی توجیهپذیر جهت احداث پستهای GIS به شرح زیر میباشد:
۱. مراکز مصرف با تراکم بالا: در مناطقی با چگالی بار الکتریکی بالا و تراکم قابل ملاحظه مراکز مسکونی و تجاری، احداث پستهای GIS بهدلیل سطح زیربنای کم، مقرونبهصرفه خواهد بود.
۲. صنایع بزرگ با محدودیت فضا: در مراکزی که مصرف انرژی الکتریکی بسیار بالاست، تأمین فضای مورد نیاز برای احداث پستهای معمولی دشوار و در پارهای مواقع غیرممکن است؛ در چنین شرایطی تنها احداث پست GIS راهگشا خواهد بود. کارخانجات تولید آلومینیوم، فولاد و مس نمونههایی از این محیطهای صنعتی هستند.
۳. مناطق تاریخی و گردشگری: در مناطق مسکونی قدیمی با ارزش تاریخی و جاذبههای توریستی که احداث پستهای معمولی موجب انهدام بافت طبیعی و تاریخی محل میشود، استفاده از پستهای GIS بسیار مناسب است.
۴. نیروگاههای برقآبی در مناطق کوهستانی: در این مناطق بهطور معمول فضای کافی برای احداث پست نیروگاهی از نوع معمول (AIS) وجود ندارد. این در حالی است که احداث پست در حداقل فاصله از نیروگاه، جهت اطمینان در مبادله انرژی و کاهش طول شینههای خروجی ژنراتورها، اهمیت بسیار زیادی دارد.
۵. توسعه پستهای موجود: در زمانی که توسعه پست، بهدلیل محدودیتهای طبیعی غیرممکن باشد، احداث پست نوع GIS با استفاده از فضای ناچیز در محدوده پست فعلی یا مجاور آن، تنها راهکار جوابگو خواهد بود.
۶. مناطق با آلودگی بالا: در مناطقی که دارای آلودگیهای طبیعی یا صنعتی شدیدی هستند، استفاده از پستهای مناسب است.
7. محیطهای دارای گازهای قابل احتراق: در مناطقی نظیر پالایشگاهها، مجاورت تصفیهخانهها، پمپبنزینها و …، استفاده از پستهای نوع GIS استفاده میشود.
مزایای عمومی پستهای GIS در مقایسه با پستهای معمولی
۱. تجهیزات GIS بهصورت مجموعههای کمپکت هستند. مراحل نصب و مونتاژ آنها تنها محدود به اتصال بدنههای استوانهای، ارتباط شینهها به یکدیگر و استقرار روی فونداسیون است. به همین دلیل، نصب، تعمیرات و آزمایشهای لازم با سهولت فوقالعاده و در حداقل زمان انجام میگیرد.
۲. در پستهای GIS احتمال بروز اشکال تحت تأثیر عوامل خارجی نظیر شرایط جوی، صاعقه و آلودگی محیطی وجود ندارد. بنابراین درصد بروز عیب در این پستها نسبت به پستهای معمولی بهطور قابل ملاحظهای کاهش مییابد.
۳. پدیدههای جانبی نظیر بروز کرونا، اختلالات رادیویی، تلفنی و تلویزیونی، و همچنین آلودگی صوتی ناشی از قطع و وصل تجهیزات که در پستهای معمول رایج است، در پستهای GIS به حداقل رسیده یا کاملاً حذف میشود.
4. در پستهای نوع گازی، پدیدههایی که پستهای معمولی را تحتالشعاع قرار میدهند مشاهده نمیشوند؛ بنابراین این پستها از ضریب ایمنی بالایی برخوردارند.
با این حال، باید توجه داشت که استفاده از ماده ایزوله SF6 در داخل محفظه بسته، با مسائل و مشکلات متعددی همراه است که به عنوان «پدیدههای خاص پستهای GIS» شناخته میشوند و بایستی با پیشبینیهای مناسب، از تأثیر آنها در بروز اختلال در ایزولاسیون و آسیبدیدگی تجهیزات جلوگیری کرد.
5. تعدیل فضای مورد نیاز در پستهای GIS تا حدود ۱۰ درصد پستهای مشابه با ایزولاسیون هوا، بسیاری از مشکلات تأمین انرژی مراکز صنعتی و تولیدی را رفع مینماید. علاوه بر این، در مواردی که آلودگی محیطی یا ملاحظات امنیتی و زیستمحیطی مانع احداث پستهای باز میشود، پستهای GIS اطمینان بالایی را فراهم میکنند.
چالش هزینهها و چشمانداز آینده
با توجه به جدید بودن تکنولوژی ساخت و تولید پستهای گازی، در حال حاضر احداث اینگونه پستها تنها در موارد خاص از نظر اقتصادی قابل توجیه است. با این حال، پیشبینی میشود در سالهای آینده با پیشرفتهای تکنیکی در این زمینه، احداث پستهای GIS گسترش یافته و حتی بهطور کامل جایگزین پستهای با ایزولاسیون هوا (AIS) گردند.
ظهور گاز SF6 در صنعت برق
گاز SF6 یا «هگزا فلوراید گوگرد» از ترکیب مستقیم فلوئور و گوگرد مذاب بهدست آمده و پس از عملیات تصفیه و خالصسازی، در کپسولهای فولادی با حجمهای مختلف (تا ۶۰۰ کیلوگرم) توزیع میگردد. گاز SF6 در سال ۱۹۰۰ توسط «هنری موایسان» کشف شد و خواص بسیار جالب و غیرعادی این گاز در مدتی کوتاه، توجه محققان را به خود جلب نمود.
امروزه این گاز بهدلیل قدرت بالای دیالکتریک و خاصیت الکترونگاتیویته (الکترونخواهی) در تجهیزات فشار قوی استفاده میشود. این خاصیت باعث میشود گاز SF6 الکترونهای آزاد را جذب نموده و با تشکیل یونهای سنگین، از بروز قوس الکتریکی جلوگیری کند یا قوس را در لحظه عبور جریان از صفر، به سرعت خاموش و استقامت عایقی را مجدداً برقرار سازد.
دلایل کاربرد گاز SF6 در صنعت برق
استقامت عایقی بالا، پایداری شیمیایی فوقالعاده، ظرفیت انتقال حرارت مناسب و عملکرد عالی در خاموش کردن قوس الکتریکی، دلایل اصلی کاربرد این گاز در صنعت برق طی ۴۰ سال گذشته میباشد. خواص فوقالذکر منجر به تولید تجهیزات قدرتی گردیده که نسبت به گذشته کوچکتر و ارزانتر شدهاند.
امروزه «خلاء» و «گاز SF6» دو عامل اصلی در ساخت کلیدهای قدرت محسوب میشوند. اما گاز SF6 بهدلیل خواص عایقی استثنایی، تنها عامل مساعد برای عملکرد در سطوح ولتاژ بسیار بالا (تا سطح ۸۰۰ کیلوولت) میباشد.
مکانیزم خاموشکنندگی قوس الکتریکی در SF6
خاصیت خاموشکنندگی فوقالعاده قوس الکتریکی در گاز SF6 ناشی از ماهیت الکترونگاتیو (الکترونخواهی) بودن مولکولهای آن است. مولکولهای این گاز، الکترونهای آزاد را جذب کرده و به یونهای سنگین با بار منفی تبدیل میشوند.
در زمان قطع کلید و ایجاد قوس الکتریکی، مراحل زیر طی میشود:
۱. تجزیه حرارتی: گاز SF6 تحت تأثیر گرمای شدید قوس، به اتمهای گوگرد (S) و فلوئور (F) تجزیه میشود.
۲. جذب الکترون: در لحظه عبور جریان از صفر، گاز SF6 بهسرعت گرمای هسته قوس را انتقال داده و همزمان اتمهای فلوئور الکترونهای آزاد محیط را جذب میکنند. این فرآیند موجب خاموش شدن سریع قوس میگردد.
۳. بازترکیب: پس از پایان پروسه قطع جریان، اتمهای فلوئور و گوگرد مجدداً با هم ترکیب شده و گاز SF6 را تولید میکنند. در نتیجه، محیط عایقی بهطور کامل به حالت اولیه خود بازمیگردد.
در حدود ۸۰٪ گاز SF6 تولیدی در جهان در تجهیزات قدرت الکتریکی کاربرد دارد. ۲۰٪ باقیمانده بهطور عمده در صنایع متالورژی، بهعنوان عایق صوتی و در پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد.
خواص اساسی گاز SF6
برخی از خواص برجسته SF6 که موجب کاربرد گسترده آن در صنعت برق عبارتند از:
۱. خنثی بودن شیمیایی
۲. پایداری حرارتی
۳. غیرقابل اشتعال بودن
۴. استقامت عایقی فوقالعاده
۵. غیر سمی بودن
۶. غیر خورنده بودن
۷. توانایی بازیابی
خاصیت عالی عایقی SF6 را میتوان به قدرت فوقالعاده الکترونگاتیو بودن مولکولهای آن نسبت داد. این خاصیت ناشی از چند عامل است که مهمترین آنها قطر تصادفی بزرگ مولکول SF6 میباشد.
اگر الکترونهای سرگردان در یک میدان الکتریکی، پیش از آنکه انرژی کافی برای یونیزه کردن ذرات خنثی را از طریق برخورد (تصادف) بهدست آورند، توسط مولکولهای گاز جذب (تسخیر) شوند، مکانیزم شکست عایقی کند شده یا حتی متوقف میشود. در واقع قطر تصادفی بزرگ مولکولهای SF6، بازدهی تسخیر الکترونهای آزاد را بهشدت افزایش میدهد و مانع از تشکیل بهمن الکترونی میگردد.
انرژی میتواند در سطوح نوسانی مولکول ذخیره گردد و منجر به تشکیل یونهای منفی پایدار با قابلیت تحرک پایین شود. این یونهای منفی میتوانند بار فضای مثبت در اطراف یک الکترود را کاهش داده و برای ایجاد قوس در فاصله بین سطوح پتانسیلی، ولتاژ بالاتری را طلب نمایند.
استقامت عایقی بالای SF6 موجب میگردد که پدیده قوس الکتریکی به حداقل برسد و پس از قطع منبع انرژی، محصولات ناشی از تجزیه قوس بهسرعت با هم ترکیب شوند. این خاصیت، قدرت بینظیری به گاز SF6 در خاموش کردن قوس میدهد. همچنین این گاز با تکیه بر خواص حرارتی و دمای یونیزاسیون پایین، مشخصههای برجستهای را در عملیات قطع و وصل از خود نشان میدهد.
خواص فیزیکی SF6
گاز SF6 بهطور کلی گازی بیرنگ، بیبو، غیرقابل اشتعال و غیرسمی است. مولکول آن شامل یک اتم گوگرد و شش اتم فلوئور است. در شرایط عادی، دانسیته آن کیلوگرم بر متر مکعب است که در مقایسه با هوا، بالغ بر ۵ برابر سنگینتر است.
خواص شیمیایی گاز SF6
عمدهترین مزیت این گاز، خنثی بودن و عدم ترکیب آن با مواد مختلف موجود در محفظه (مانند محفظه قطع کلید) است. این خاصیت نتیجه ترکیب شیمیایی ثابت و پایدار این گاز میباشد. با این حال، هنگامی که SF6 بهعنوان ماده دیالکتریک بهکار میرود. برخلاف گاز نیتروژن ممکن است پایداری خود را در شرایط خاصی از دست بدهد. این امر به علت وجود اتمهای فلوئور و گوگرد در مولکول گاز است.
هر یک از این عناصر در صورت جدا شدن از مولکول اصلی، میتوانند موادی با خورندگی بالا ایجاد کنند. به همین علت، شرایطی که گاز SF6 در آن مورد استفاده قرار میگیرد. باید با دقت کافی تعیین شود تا در صورت تجزیه احتمالی، پیشبینیهای لازم برای مقابله با اثرات خورندگی محصولات فرعی صورت گیرد.
خاصیت انتقال حرارتی گاز SF6
گاز SF6 دارای مشخصه انتقال حرارتی بسیار خوبی است که برای عایقهای گازی مزیتی فوقالعاده محسوب میشود. اگرچه هدایت حرارتی گاز هلیم حدود ده برابر SF6 است. اما به علت ظرفیت گرمایی بالای SF6 توأم با ویسکوزیته پایین آن، انتقال حرارت در این گاز موثرتر از هوا، نیتروژن و حتی هلیم صورت میگیرد.
بهطور کلی، قابلیت تبادل حرارت در گازها به گرمای ویژه، ضریب هدایت حرارتی و ویسکوزیته وابسته است. در SF6 علیرغم کمتر بودن هدایت حرارتی نسبت به هلیم، بهدلیل وزن مولکولی بالا و ویسکوزیته ناچیز، «جریان جابهجایی» بهتر انجام میشود. این جابهجایی قوی، کمبود هدایت حرارتی را جبران کرده و قابلیت خنککنندگی تجهیزات را افزایش میدهد.
رفتار SF6 تحت تأثیر قوس الکتریکی
گاز SF6 در مجاورت قوس الکتریکی با دماهای بسیار بالا، با جذب مقدار زیادی از انرژی الکتریکی و حرارتی، بهطور نسبی به اجزای تشکیلدهنده خود تجزیه میشود.
بعد از پایان پدیده قوس و کاهش دما، اجزای تشکیلدهنده مجدداً با یکدیگر ترکیب میشوند. اما باید توجه داشت که این ترکیب مجدد ممکن است همیشه ۱۰۰٪ کامل نباشد. در واقع تعدادی از اتمهای آزاد ممکن است با ذرات فلزی از کنتاکتها یا ناخالصیهای محیط ترکیب شود و محصولات فرعی پایداری ایجاد کنند که نیاز به فیلتراسیون بخواهند.
آیا این مقاله برایتان مفید بود؟
