Wat is Isolatiecoördinatie in een elektriciteitsnetwerk?

Wat is Isolatiecoördinatie in een Energievoorzieningssysteem?

Isolatiecoördinatie Gedefinieerd

Isolatiecoördinatie is de strategische indeling van elektrische isolatie om systeemschade te minimaliseren en eenvoudige reparaties mogelijk te maken in geval van storing.

Systeemspansies

Het begrijpen van nominale en maximale systeemspansies is cruciaal voor het ontwerpen van de isolatie van een energievoorzieningssysteem om verschillende bedrijfsomstandigheden aan te kunnen.

Nominale Systeemspanning

De nominale systeemspanning is de fase-tot-fase spanning van het systeem waarvoor het systeem normaal gesproken is ontworpen. Bijvoorbeeld 11 kV, 33 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV systemen.

Maximale Systeemspanning

De maximale systeemspanning is de maximale toelaatbare netfrequentiespanning die kan optreden, mogelijk voor lange tijd tijdens een lege of lage belastingstoestand van het energievoorzieningssysteem. Het wordt ook in fase-tot-fase manier gemeten.

Een lijst met verschillende nominale systeemspansies en de bijbehorende maximale systeemspansies wordt hieronder gegeven voor referentie,

NB – Uit de bovenstaande tabel blijkt dat de maximale systeemspanning over het algemeen 110 % van de corresponderende nominale systeemspanning is tot een spanningsniveau van 220 kV, en voor 400 kV en hoger is het 105 %.

Aardingfactor

Dit is het verhouding van de hoogste effectieve fase-tot-aarde netfrequentiespanning op een goede fase tijdens een aardfout ten opzichte van de effectieve fase-tot-fase netfrequentiespanning die zou worden verkregen op de geselecteerde locatie zonder de fout.

Dit verhouding karakteriseert in algemene termen de aardingcondities van een systeem gezien vanuit de geselecteerde foutlocatie.

Effectief Geaarde Systeem

Een systeem wordt effectief geaard genoemd als de aardingfactor niet meer dan 80 % bedraagt en niet-effectief geaard als het dat wel doet.

De aardingfactor is 100 % voor een geïsoleerd neutraal systeem, terwijl het 57,7 % (1/√3 = 0,577) is voor een volledig geaard systeem.

Isolatieniveau

Elk elektrisch apparaat ondergaat gedurende zijn hele dienstleven verschillende abnormale tijdelijke overspanningen. Het apparaat moet blikseminpulsen, schakelinpulsen en/of kortdurende netfrequentiesoverspanningen kunnen weerstaan. Afhankelijk van het maximale niveau van de impulsspanningen en de kortdurende netfrequentiesoverspanningen die één component van een energievoorzieningssysteem kan weerstaan, wordt het isolatieniveau van een hoogspanningsenergievoorzieningssysteem bepaald.

Bij het bepalen van het isolatieniveau van een systeem met een rating kleiner dan 300 kV, worden de blikseminpulsweerstandsspanning en de kortdurende netfrequentiesweerstandsspanning in overweging genomen. Voor apparatuur met een rating van 300 kV of hoger, worden de schakelinpulsweerstandsspanning en de kortdurende netfrequentiesweerstandsspanning in overweging genomen.

Blikseminpuls Spanning

De systeemstoornissen veroorzaakt door natuurlijke bliksem, kunnen worden weergegeven door drie verschillende basisgolfvormen. Als een blikseminpuls spanning enkele afstand langs de transportlijn reist voordat hij een isolator bereikt, nadert de vorm van de golf de volledige golf, en deze golf wordt aangeduid als 1,2/50 golf. Als tijdens het reizen de bliksemdisturbance golf een flitsovergang veroorzaakt over een isolator, wordt de vorm van de golf een geknipte golf. Als een bliksem inslaat direct op de isolator, kan de blikseminpuls spanning sterk stijgen totdat hij wordt verlicht door flitsovergang, waardoor een plotselinge, zeer steile ineenstorting in spanning ontstaat. Deze drie golven verschillen aanzienlijk in duur en vorm.

Schakelinpuls

Tijdens schakeloperaties kan er een unipolaire spanning in het systeem verschijnen. De golfvorm hiervan kan periodiek gedempt of oscillerend zijn. De schakelinpulsgolfvorm heeft een steil front en een lang gedempt oscillerend staartdeel.

Kortdurende Netfrequentiesweerstandsspanning

De kortdurende netfrequentiesweerstandsspanning is de voorgeschreven effectieve waarde van sinusvormige netfrequentiespanning die het elektrische apparaat gedurende een specifieke periode, normaal gesproken 60 seconden, moet kunnen weerstaan.

Beschermingsapparaten

Overvoltagescherming zoals bliksemafleiders of bliksemafleiders zijn ontworpen om een bepaald niveau van tijdelijke overspanningen te weerstaan, waarna de apparaten de pulsenergie naar de grond afvoeren en daarmee het niveau van tijdelijke overspanningen binnen een specifiek niveau handhaven. Zo kan de tijdelijke overspanning dit niveau niet overschrijden. Het beschermingsniveau van overvoltagescherming is de hoogste piekspanning die niet mag worden overschreden aan de aansluitingen van de overvoltagescherming wanneer schakelinpulsen en blikseminpulsen worden toegepast.

Gebruik van Schilddraad of Aarddraad

Bliksemschokken in bovengrondse transportlijnen kunnen het gevolg zijn van directe bliksemslagen. Het installeren van een schilddraad of aarddraad boven de bovenste geleider op een geschikte hoogte kan deze lijnen beschermen. Als deze schilddraad goed is verbonden met de transmissietoren en de toren goed is geaard, kan het directe bliksemslagen op elke geleider binnen de beschermhoek van de aarddraad voorkomen. Schilddraden beschermen ook elektrische onderstations en hun apparatuur tegen bliksem.

Conventionele Methode van Isolatiecoördinatie

Zoals besproken, kunnen componenten in een elektrisch energievoorzieningssysteem uiteenlopende niveaus van tijdelijke spanningstress ervaren, inclusief schakel- en blikseminpulsspanningen. Door gebruik te maken van beschermingsapparaten zoals bliksemafleiders, kan het maximale amplitude van deze tijdelijke overspanningen worden beperkt. Door het isolatieniveau boven het beschermingsniveau van de beschermingsapparaten te handhaven, wordt de kans op isolatie-inbraak geminimaliseerd. Dit zorgt ervoor dat elke tijdelijke overspanning die de isolatie bereikt binnen de veilige grenzen ligt die zijn ingesteld door het beschermingsniveau.

Over het algemeen wordt het impulsisolatieniveau vastgesteld op 15 tot 25 % boven het beschermingsniveau van de beschermingsapparaten.

Statistische Methoden van Isolatiecoördinatie

Bij hogere transportspanningen neemt de lengte van de isolatorkettingen en de vrijruimte in de lucht niet lineair toe met de spanning, maar ongeveer tot V1.6. Het benodigde aantal isolatordiscs in een ophangketting voor verschillende overspanningen wordt hieronder getoond. Het blijkt dat de toename van het aantal discs slechts gering is voor een 220 kV-systeem, met de toename van de overspanningsfactor van 2 tot 3,5, maar dat er een snelle toename is in het 750 kV-systeem. Dus, hoewel het economisch haalbaar kan zijn om lagere spanninglijnen te beschermen tot een overspanningsfactor van 3,5 (bijvoorbeeld), is het zeker niet economisch haalbaar om een overspanningsfactor van meer dan ongeveer 2 tot 2,5 te hebben op hogere spanninglijnen. In de hogere spanningssystemen is het de schakeloverspanningen die overheersen. Deze kunnen echter worden gecontroleerd door een juiste ontwerp van schakelapparatuur.

Economische Efficiëntie

Isolatiecoördinatie moet technische vereisten in balans brengen met economische haalbaarheid, vooral bij hogere spanningenniveaus.