Was ist Isolierungskoordination im Stromnetz?

Was ist Isolierungskoordinierung im Stromnetz?

Definition der Isolierungskoordinierung

Isolierungskoordinierung ist die strategische Anordnung elektrischer Isolationen, um Systembeschädigungen zu minimieren und bei Ausfällen eine einfache Reparatur zu gewährleisten.

Systemspannungen

Das Verständnis von Nenn- und Maximalsystemspannungen ist entscheidend für die Gestaltung der Isolation eines Stromnetzes, um verschiedene Betriebsbedingungen zu bewältigen.

Nennsystemspannung

Die Nennsystemspannung ist die Phasen-zu-Phasen-Spannung des Systems, für das das System normalerweise ausgelegt ist. Beispielsweise 11 kV, 33 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV Systeme.

Maximalsystemspannung

Die Maximalsystemspannung ist die höchste zulässige Netzfrequenzspannung, die während einer längeren Zeit bei Leerlauf oder geringer Last auftreten kann. Sie wird ebenfalls in Phasen-zu-Phasen-Manier gemessen.

Eine Liste verschiedener Nennsystemspannungen und deren entsprechender Maximalsystemspannungen ist unten zur Referenz aufgeführt,

Hinweis – Es lässt sich aus der obigen Tabelle erkennen, dass die Maximalsystemspannung in der Regel 110 % der entsprechenden Nennsystemspannung bis zur Spannungsebene von 220 kV beträgt, und für 400 kV und darüber 105 %.

Erdfaktor

Dies ist das Verhältnis der höchsten Effektivwert-Phasen-zu-Erde-Netzfrequenzspannung an einer intakten Phase während eines Erdfehlers zum Effektivwert-Phasen-zu-Phasen-Netzfrequenzspannung, die an der ausgewählten Stelle ohne den Fehler erzielt werden würde.

Dieses Verhältnis charakterisiert in allgemeinen Begriffen die Erdbedingungen eines Systems, wie sie vom ausgewählten Fehlort aus gesehen werden.

Effektiv geerdetes System

Ein System gilt als effektiv geerdet, wenn der Erdfaktor 80 % nicht überschreitet, andernfalls als nicht effektiv geerdet.

Der Erdfaktor beträgt 100 % für ein isoliertes Neutralsystem, während er 57,7 % (1/√3 = 0,577) für ein fest geerdetes System beträgt.

Isolationsstufe

Jede elektrische Ausrüstung muss während ihrer gesamten Nutzungsdauer unterschiedliche abnorme transiente Überspannungssituationen durchlaufen. Die Ausrüstung muss möglicherweise Blitzeinschläge, Schaltimpulse und/oder kurze Dauer-Netzfrequenzüberspannungen standhalten. Abhängig von dem maximalen Niveau der Impulsspannungen und kurzfristigen Netzfrequenzüberspannungen, die ein Stromnetzkomponente aushalten kann, wird die Isolationsstufe des Hochspannungsstromnetzes bestimmt.

Bei der Bestimmung der Isolationsstufe von Systemen mit weniger als 300 kV werden die Blitzimpulsstandfestigkeit und die kurzfristige Netzfrequenzstandfestigkeit berücksichtigt. Für Geräte mit 300 kV und mehr werden die Schaltimpulsstandfestigkeit und die kurzfristige Netzfrequenzstandfestigkeit berücksichtigt.

Blitzimpulsspannung

Die Systemstörungen, die durch natürlichen Blitz verursacht werden, können durch drei verschiedene grundlegende Wellenformen dargestellt werden. Wenn ein Blitzimpulsspannung einige Entfernung entlang der Übertragungsleitung zurücklegt, bevor sie einen Isolator erreicht, nähert sich ihre Wellenform der Vollwellenform, und diese Welle wird als 1,2/50-Welle bezeichnet. Wenn während des Vorgangs die Blitzstörungswelle einen Durchschlag über einem Isolator verursacht, ändert sich die Form der Welle in eine gekappte Welle. Wenn ein Blitz direkt auf den Isolator trifft, kann die Blitzimpulsspannung steil ansteigen, bis sie durch einen Durchschlag entlastet wird, was zu einem plötzlichen, sehr steilen Spannungsabfall führt. Diese drei Wellen unterscheiden sich in Dauer und Form.

Schaltimpuls

Während des Schaltvorgangs kann es in dem System zu unipolaren Spannungen kommen. Die Wellenform kann periodisch gedämpft oder oszillierend sein. Die Schaltimpuls-Wellenform hat einen steilen Anstieg und einen langen gedämpften oszillierenden Schwanz.

Kurzdauer-Netzfrequenzstandfestigkeit

Die kurzdauernde Netzfrequenzstandfestigkeit ist der vorgeschriebene Effektivwert der sinusförmigen Netzfrequenzspannung, die die elektrische Ausrüstung für eine bestimmte Zeitspanne, normalerweise 60 Sekunden, standhalten muss.

Schutzvorrichtungen

Überspannungsschutzvorrichtungen wie Blitzaufnehmer sind so konstruiert, dass sie ein bestimmtes Niveau transitorischer Überspannungen aushalten können, über welches hinaus die Vorrichtungen die Überspannungsenergie in den Boden ableiten und damit das Niveau der transitorischen Überspannungen auf ein bestimmtes Niveau begrenzen. Somit kann die transitorische Überspannung dieses Niveau nicht überschreiten. Das Schutzniveau der Überspannungsschutzvorrichtung ist der höchste Spitzenwert, der an den Anschlüssen der Überspannungsschutzvorrichtung bei Anwendung von Schalt- und Blitzimpulsen nicht überschritten werden sollte.

Verwendung von Abschirm- oder Erdkabel

Blitzstöße in Freileitungen können durch direkte Blitzschläge verursacht werden. Das Installieren eines Abschirm- oder Erdkabels oberhalb des oberen Leiters in geeigneter Höhe kann diese Leitungen schützen. Wenn dieses Abschirmkabel ordnungsgemäß an den Übertragungsmast angeschlossen und der Mast gut geerdet ist, kann es direkte Blitzschläge auf alle Leiter innerhalb des Schutzwinkels des Erdkabels verhindern. Abschirmkabel schützen auch elektrische Umspannwerke und deren Ausrüstung vor Blitzschlägen.

Konventionelle Methode der Isolierungskoordinierung

Wie bereits besprochen, können Komponenten in einem elektrischen Stromnetz unterschiedliche Grade transitorischer Spannungsspannungen erfahren, einschließlich Schalt- und Blitzimpulsspannungen. Mit Schutzvorrichtungen wie Blitzaufnehmern kann die maximale Amplitude dieser transitorischen Überspannungen begrenzt werden. Indem die Isolationsstufen über dem Schutzniveau der Schutzvorrichtungen gehalten werden, wird die Wahrscheinlichkeit eines Isolationsversagens minimiert. Dies stellt sicher, dass jede transitorische Überspannung, die die Isolierung erreicht, innerhalb der durch das Schutzniveau festgelegten Sicherheitsgrenzen liegt.

Im Allgemeinen wird die Impulsisolationsstufe 15 bis 25 % über dem Schutzniveauspannung der Schutzvorrichtungen festgelegt.

Statistische Methoden der Isolierungskoordinierung

Bei höheren Übertragungsspannungen nehmen die Länge der Isolatorketten und die Luftspaltweite nicht linear mit der Spannung zu, sondern etwa proportional zu V1,6. Die erforderliche Anzahl von Isolatordiskus in der Hängekette für verschiedene Überspannungen ist unten dargestellt. Es ist zu sehen, dass die Zunahme der Diskuszahl nur geringfügig für 220 kV-Systeme ist, wenn der Überspannungsfaktor von 2 auf 3,5 ansteigt, aber es gibt eine schnelle Zunahme im 750 kV-System. Daher mag es wirtschaftlich sinnvoll sein, niedrigere Spannungsleitungen bis zu einem Überspannungsfaktor von 3,5 (sagen wir) zu schützen, es ist jedoch definitiv nicht wirtschaftlich, einen Überspannungsfaktor von mehr als etwa 2 bis 2,5 auf höheren Spannungsleitungen zu haben. In den höheren Spannungssystemen sind es die Schaltüberspannungen, die vorherrschen. Diese können jedoch durch eine geeignete Gestaltung der Schaltgeräte kontrolliert werden.

Wirtschaftliche Effizienz

Die Isolierungskoordinierung muss technische Anforderungen mit wirtschaftlicher Machbarkeit, insbesondere bei höheren Spannungsebenen, in Einklang bringen.