Cosa è la Coordinazione dell'Isolamento nel Sistema Elettrico

Cosa è la Coordinazione dell'Isolamento nel Sistema Elettrico?

Definizione della Coordinazione dell'Isolamento

La coordinazione dell'isolamento è l'organizzazione strategica dell'isolamento elettrico per minimizzare i danni al sistema e assicurare riparazioni facili in caso di guasto.

Tensioni del Sistema

Comprendere le tensioni nominale e massima del sistema è cruciale per progettare l'isolamento del sistema elettrico in modo da gestire diverse condizioni operative.

Tensione Nominale del Sistema

La Tensione Nominale del Sistema è la tensione tra fasi per cui il sistema è normalmente progettato. Ad esempio, sistemi a 11 kV, 33 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV.

Tensione Massima del Sistema

La Tensione Massima del Sistema è la tensione di frequenza di rete massima ammissibile che può verificarsi per un lungo periodo durante condizioni di carico nullo o basso. È misurata anche in maniera tra fasi.

Ecco una lista delle diverse tensioni nominali del sistema e le loro corrispondenti tensioni massime per riferimento,

NB – Si osserva dalla tabella sopra che generalmente la tensione massima del sistema è il 110% della corrispondente tensione nominale del sistema fino a 220 kV, e per 400 kV e superiori è il 105%.

Fattore di Terra

Questo è il rapporto tra la tensione efficace massima fase-terra a frequenza di rete su una fase sana durante un guasto a terra e la tensione efficace fase-fase a frequenza di rete che si otterrebbe nella posizione selezionata senza il guasto.

Questo rapporto caratterizza, in termini generali, le condizioni di terra di un sistema come viste dalla posizione del guasto selezionata.

Sistema Effettivamente Terrato

Un sistema viene definito effettivamente terrato se il fattore di terra non supera l'80% e non effettivamente terrato se lo supera.

Il fattore di terra è del 100% per un sistema con neutro isolato, mentre è del 57,7% (1/√3 = 0,577) per un sistema solidamente terrato.

Livello di Isolamento

Ogni apparecchiatura elettrica deve affrontare diverse situazioni di sovratensione transitoria anomala in diversi momenti durante il suo ciclo di vita. L'apparecchiatura potrebbe dover resistere a impulsi fulminei, impulsi di commutazione e/o sovratensioni a frequenza di rete di breve durata. A seconda del livello massimo di impulsi e sovratensioni a frequenza di rete che un componente del sistema elettrico può sopportare, viene determinato il livello di isolamento del sistema ad alta tensione.

Durante la determinazione del livello di isolamento di un sistema con tensione inferiore a 300 kV, vengono considerate la tensione di resistenza all'impulso fulminante e la tensione di resistenza a breve durata a frequenza di rete. Per apparecchiature con tensione pari o superiore a 300 kV, vengono considerate la tensione di resistenza all'impulso di commutazione e la tensione di resistenza a breve durata a frequenza di rete.

Tensione Impulso Fulminante

Le perturbazioni del sistema dovute ai fulmini naturali possono essere rappresentate da tre forme d'onda di base. Se un impulso fulminante viaggia per una certa distanza lungo la linea di trasmissione prima di raggiungere un isolatore, la sua forma d'onda si avvicina a quella completa, e questo onda è chiamata onda 1,2/50. Se durante il viaggio, l'onda di disturbo causa un flashover attraverso un isolatore, la forma dell'onda diventa troncata. Se un colpo di fulmine colpisce direttamente l'isolatore, la tensione impulso fulminante può salire rapidamente fino a quando non viene attenuata dal flashover, causando un crollo improvviso e molto ripido della tensione. Queste tre onde sono abbastanza diverse in durata e forma.

Impulso di Commutazione

Durante le operazioni di commutazione, può apparire nel sistema una tensione unipolare. La forma d'onda può essere periodicamente smorzata o oscillante. La forma d'onda dell'impulso di commutazione ha un fronte ripido e una coda oscillante smorzata lunga.

Tensione di Resistenza a Breve Durata a Frequenza di Rete

La tensione di resistenza a breve durata a frequenza di rete è il valore efficace prescritto di tensione sinusoidale a frequenza di rete che l'apparecchiatura elettrica deve sopportare per un periodo specifico di tempo, normalmente 60 secondi.

Dispositivi di Protezione

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni, come i parafulmini, sono progettati per resistere a un certo livello di sovratensione transitoria oltre il quale i dispositivi dissipano l'energia dell'impulso al terreno, mantenendo quindi il livello di sovratensione transitoria entro un livello specifico. Così, la sovratensione transitoria non può superare quel livello. Il livello di protezione dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni è il valore di picco di tensione massimo che non deve essere superato ai terminali del dispositivo di protezione quando vengono applicati impulsi di commutazione e impulsi fulminanti.

Uso di Cavi Schermo o Cavi di Terra

Le sovratensioni nei cavi di trasmissione aeree possono risultare da colpi di fulmine diretti. L'installazione di un cavo schermo o cavo di terra sopra il conduttore superiore ad un'altezza adeguata può proteggere queste linee. Se questo cavo schermo è correttamente collegato alla torre di trasmissione e la torre è ben terra, può prevenire colpi di fulmine diretti su qualsiasi conduttore all'interno dell'angolo protetto dal cavo di terra. I cavi schermo proteggono anche le sottostazioni elettriche e le loro apparecchiature dai fulmini.

Metodo Convenzionale di Coordinazione dell'Isolamento

Come discusso, i componenti di un sistema elettrico di potenza possono sperimentare livelli variabili di stress di sovratensione transitoria, inclusi impulsi di commutazione e impulsi fulminanti. Utilizzando dispositivi di protezione come i parafulmini, è possibile limitare l'ampiezza massima di queste sovratensioni transitorie. Mantenendo i livelli di isolamento al di sopra del livello di protezione dei dispositivi di protezione, si riduce la probabilità di rottura dell'isolamento. Ciò assicura che qualsiasi sovratensione transitoria che raggiunge l'isolamento sia entro i limiti di sicurezza stabiliti dal livello di protezione.

In generale, il livello di isolamento impulso è stabilito tra il 15 e il 25% al di sopra del livello di tensione di protezione dei dispositivi di protezione.

Metodi Statistici di Coordinazione dell'Isolamento

A tensioni di trasmissione più elevate, la lunghezza delle catene di isolatori e le distanze in aria non aumentano linearmente con la tensione ma approssimativamente a V^1,6. Il numero richiesto di dischi di isolatori in una catena sospesa per diverse sovratensioni è mostrato di seguito. Si vede che l'aumento del numero di dischi è solo leggero per un sistema a 220 kV, con l'aumento del fattore di sovratensione da 2 a 3,5, ma c'è un rapido aumento per il sistema a 750 kV. Pertanto, mentre può essere economicamente fattibile proteggere le linee a tensione inferiore fino a un fattore di sovratensione di 3,5 (per esempio), non è definitivamente economicamente fattibile avere un fattore di sovratensione superiore a circa 2-2,5 sulle linee a tensione elevata. Nei sistemi a tensione elevata, sono predominanti le sovratensioni di commutazione. Tuttavia, queste possono essere controllate con un progetto appropriato dei dispositivi di commutazione.

Efficienza Economica

La coordinazione dell'isolamento deve bilanciare i requisiti tecnici con la fattibilità economica, specialmente a livelli di tensione elevati.