Co je koordinace izolace v elektrickém systému?

Co je koordinace izolace v elektrickém systému?

Definice koordinace izolace

Koordinace izolace je strategické uspořádání elektrické izolace, které minimalizuje poškození systému a zajišťuje snadné opravy v případě selhání.

Systémové napětí

Rozumění nominálním a maximálním systémovým napětím je klíčové pro návrh izolace elektrického systému, aby mohl zvládat různé provozní podmínky.

Nominální systémové napětí

Nominální systémové napětí je fázové napětí mezi fázemi systému, pro které je systém obvykle navržen. Například 11 kV, 33 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV systémy.

Maximální systémové napětí

Maximální systémové napětí je maximální povolené síťové frekvence, která se může vyskytnout po delší dobu během bezzátěžového nebo nízkého zatěžovacího stavu elektrického systému. Měří se také mezi fázemi.

Seznam různých nominálních systémových napětí a jejich odpovídajících maximálních systémových napětí je uveden níže pro referenci,

Poznámka – Z tabulky lze pozorovat, že obecně maximální systémové napětí činí 110 % odpovídajícího nominálního systémového napětí až do napěťové hladiny 220 kV, a pro 400 kV a vyšší to je 105 %.

Faktor uzemlení

Toto je poměr nejvyššího efektivního hodnoty fázového napětí k zemi na zdravé fázi během zemního poruchy k efektivní hodnotě fázového napětí, kterou by bylo možné dosáhnout na vybraném místě bez poruchy.

Tento poměr charakterizuje obecně podmínky uzemlení systému z pohledu vybraného místa poruchy.

Efektivně uzemlený systém

Systém se označuje jako efektivně uzemlený, pokud faktor uzemlení nepřekračuje 80 %, a neefektivně uzemlený, pokud ano.

Faktor uzemlení je 100 % pro izolovaný neutrální systém, zatímco pro pevně uzemlený systém je 57,7 % (1/√3 = 0,577).

Úroveň izolace

Každé elektrické zařízení musí během své celkové životnosti čelit různým abnormálním přechodovým přetlakům. Zařízení může muset odolat bleskovým impulsům, přepínacím impulsům a/nebo krátkodobým přetlakům síťové frekvence. Úroveň izolace vysokonapěťového elektrického systému se určuje podle maximální úrovně impulsních napětí a krátkodobých přetlaků síťové frekvence, které jedno složení elektrického systému může odolat.

Při stanovování úrovně izolace systému s nominálním napětím nižším než 300 kV se berou v úvahu bleskové impulsní odolnost a krátkodobá odolnost proti přetlaku síťové frekvence. Pro zařízení s nominálním napětím 300 kV a více se berou v úvahu přepínací impulsní odolnost a krátkodobá odolnost proti přetlaku síťové frekvence.

Bleskové impulsní napětí

Poruchy systému způsobené přirozenými blesky lze reprezentovat třemi základními typy vln. Pokud bleskový impulsní napětí cestuje nějakou vzdálenost po vedení před tím, než dorazí k izolátoru, jeho tvar se blíží plné vlně, a tato vlna se nazývá 1,2/50 vlna. Pokud během cesty bleskový impulsní vlna způsobí průnik napětí přes izolátor, tvar vlny se stane ořezaný. Pokud blesk zasáhne izolátor přímo, může bleskové impulsní napětí narůstat strmě, dokud není zmírněno průnikem napětí, což způsobí náhlý, velmi strmý kolaps napětí. Tyto tři vlny se liší v délce a tvaru.

Přepínací impulsní napětí

Během přepínacích operací se v systému může objevit unipolární napětí. Tvar této vlny může být periodicky tlumený nebo oscilující. Přepínací impulsní vlna má strmý přední okraj a dlouhou tlumenou oscilující část.

Krátkodobá odolnost proti přetlaku síťové frekvence

Krátkodobá odolnost proti přetlaku síťové frekvence je předepsaná efektivní hodnota sinusového napětí síťové frekvence, kterou musí elektrické zařízení odolat po specifickou dobu, obvykle 60 sekund.

Zařízení ochrany před přetlakem

Ochranná zařízení proti přetlaku, jako jsou bleskosvodce nebo ochranné zařízení, jsou navržena tak, aby odolala určité úrovni přechodových přetlaků, přičemž zařízení odvádí energii přetlaku do země a tedy udržují úroveň přechodového přetlaku na specifické úrovni. Tím se zajistí, že přechodový přetlak nemůže překročit tuto úroveň. Úroveň ochrany ochranného zařízení proti přetlaku je nejvyšší vrcholová hodnota napětí, kterou by neměly překročit terminály ochranného zařízení při aplikaci přepínacích a bleskových impulsů.

Použití štítového vedení nebo zemního vedení

Bleskové přetlaky v nadzemních vedeních mohou vzniknout v důsledku přímých bleskových zásahů. Instalace štítového vedení nebo zemního vedení nad horní vodičem na vhodné výšce může chránit tyto vedení. Pokud je toto štítové vedení správně spojeno s přenosovou věží a věž je dobře uzemlena, může zabránit přímým bleskovým zásahům na jakékoli vodiče uvnitř ochranného úhlu zemního vedení. Štítová vedení také chrání elektrické podstanice a jejich zařízení před blesky.

Tradiční metoda koordinace izolace

Jak bylo diskutováno, komponenty v elektrickém systému mohou zkušet různé úrovně přechodových přetlaků, včetně přepínacích a bleskových impulsů. Použití ochranných zařízení, jako jsou bleskosvodce, může omezit maximální amplitudu těchto přechodových přetlaků. Udržováním úrovně izolace nad ochrannou úrovní ochranných zařízení se minimalizuje pravděpodobnost probití izolace. To zajišťuje, že jakýkoliv přechodový přetlak, který dosáhne izolace, je v bezpečných mezích stanovených ochrannou úrovní.

Obecně je impulsní úroveň izolace stanovena o 15 až 25 % nad ochrannou úroveň napětí ochranných zařízení.

Statistické metody koordinace izolace

U vyšších přenosových napětí se délka řetězců izolátorů a vzdušná vzdálenost nezvyšují lineárně s napětím, ale přibližně podle V^1,6. Požadovaný počet izolátorových disků v visacím řetězci pro různé přetlaky je uveden níže. Je vidět, že nárůst počtu disků je pouze mírný pro 220 kV systém, s nárůstem faktoru přetlaku od 2 do 3,5, ale že je rychlý nárůst v 750 kV systému. Takže, i když může být ekonomicky možné chránit nižší napěťové vedení až do faktoru přetlaku 3,5 (řekněme), rozhodně není ekonomicky možné mít faktor přetlaku vyšší než asi 2 až 2,5 na vyšších napěťových vedeních. V vyšších napěťových systémech jsou přepínací přetlaky dominantní. Nicméně, tyto mohou být kontrolovány správným návrhem přepínacích zařízení.

Ekonomická efektivita

Koordinace izolace musí vyvážit technické požadavky s ekonomickou možností, zejména u vyšších napěťových hladin.