Co to jest koordynacja izolacji w systemie energetycznym

Co to jest koordynacja izolacji w systemie energetycznym?

Definicja koordynacji izolacji

Koordynacja izolacji to strategiczne ułożenie izolacji elektrycznej, które ma na celu minimalizację uszkodzeń systemu i zapewnienie łatwych napraw w przypadku awarii.

Napięcia systemowe

Zrozumienie napięć nominalnych i maksymalnych systemowych jest kluczowe dla projektowania izolacji systemu energetycznego, który będzie radził sobie z różnymi warunkami operacyjnymi.

Napięcie nominalne systemu

Napięcie nominalne systemu to napięcie między fazami systemu, dla którego system jest normalnie zaprojektowany. Na przykład 11 kV, 33 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV.

Maksymalne napięcie systemowe

Maksymalne napięcie systemowe to maksymalne dopuszczalne napięcie częstotliwości sieci, które może wystąpić przez dłuższy czas podczas bezobciążonego lub słabo obciążonego stanu systemu. Jest również mierzone między fazami.

Lista różnych napięć nominalnych systemowych i odpowiadających im maksymalnych napięć systemowych jest podana poniżej do referencji,

Uwaga – Z tabeli wynika, że ogólnie maksymalne napięcie systemowe wynosi 110 % odpowiedniego napięcia nominalnego systemowego do poziomu napięcia 220 kV, a dla 400 kV i powyżej wynosi 105 %.

Współczynnik ziemienia

To stosunek najwyższej skutecznej wartości napięcia między fazą a ziemią przy częstotliwości sieciowej na prawidłowej fazie podczas uszkodzenia do ziemi do skutecznej wartości napięcia między fazami, które uzyskalibyśmy w wybranej lokalizacji bez uszkodzenia.

Ten stosunek charakteryzuje, w ogólnych słowach, warunki ziemienia systemu widziane z wybranej lokalizacji uszkodzenia.

Skutecznie zziemiony system

System jest uznawany za skutecznie zziemiony, jeśli współczynnik ziemienia nie przekracza 80 %, a jeśli przekracza, to jest nieskutecznie zziemiony.

Współczynnik ziemienia wynosi 100 % dla systemu z izolowaną neutralą, natomiast 57,7 % (1/√3 = 0,577) dla solidnie zziemionego systemu.

Poziom izolacji

Każde urządzenie elektryczne musi przejść różne nietypowe sytuacje nadnapięć chwilowych w różnych momentach swojego całkowitego okresu użytkowania. Urządzenie może musieć wytrzymać impulsy błyskawicowe, impulsy przełączania i/lub krótkotrwałe nadnapięcia częstotliwości sieciowej. W zależności od maksymalnego poziomu impulsów napięcia i krótkotrwałych nadnapięć częstotliwości sieciowej, które może wytrzymać dana komponent systemu, określany jest poziom izolacji wysokonapiętego systemu energetycznego.

Podczas określania poziomu izolacji systemu o napięciu mniejszym niż 300 kV, brane są pod uwagę napięcia impulsowe błyskawiczne i krótkotrwałe nadnapięcia częstotliwości sieciowej. Dla sprzętu o napięciu 300 kV i wyższym, brane są pod uwagę napięcia impulsowe przełączania i krótkotrwałe nadnapięcia częstotliwości sieciowej.

Impuls napięcia błyskawicowego

Zaburzenia systemu spowodowane naturalnymi błyskawicami można przedstawić trzema różnymi podstawowymi kształtami fal. Jeśli impuls napięcia błyskawicowego pokona pewną odległość wzdłuż linii przesyłowej, zanim dotrze do izolatora, jego kształt fali zbliża się do pełnej fali, a ta fala nazywana jest falą 1,2/50. Jeśli podczas podróżowania, fala zaburzenia błyskawicowego powoduje przepłynięcie przez izolator, kształt fali staje się obcięty. Jeśli błyskawica uderza bezpośrednio w izolator, napięcie impulsowe błyskawicowe może wzrosnąć stromo, aż zostanie ulżyło poprzez przepłynięcie, powodując nagły, bardzo stromy upadek napięcia. Te trzy fale różnią się znacznie długością i kształtem.

Impuls przełączania

Podczas operacji przełączania w systemie może pojawić się unipolarne napięcie. Kształt tej fali może być okresowo tłumiony lub oscylujący. Kształt impulsu przełączania ma stromy front i długi, tłumiony ogon oscylujący.

Krótkotrwałe nadnapięcie częstotliwości sieciowej

Krótkotrwałe nadnapięcie częstotliwości sieciowej to określona wartość skuteczna sinusoidalnego napięcia częstotliwości sieciowej, którą sprzęt elektryczny musi wytrzymać przez określony okres czasu, zazwyczaj 60 sekund.

Urządzenia ochronne

Urządzenia ochronne przeciwko nadnapięciom, takie jak ograniczniki napięcia czy zasady przeciwblaskowe, są zaprojektowane do wytrzymania pewnego poziomu chwilowych nadnapięć, poza który urządzenia odprowadzają energię impulsu do ziemi, utrzymując tym samym poziom chwilowych nadnapięć na określonym poziomie. Dzięki temu chwilowe nadnapięcia nie mogą przekroczyć tego poziomu. Poziom ochrony urządzenia ochronnego przeciwko nadnapięciom to najwyższa wartość szczytowa napięcia, która nie powinna zostać przekroczona na zaciskach urządzenia ochronnego przeciwko nadnapięciom, gdy zastosowane są impulsy przełączania i impulsy błyskawicowe.

Użycie drutu osłonowego lub drutu ziemnego

Błyskawice w liniach przesyłowych naziemnych mogą wynikać z bezpośrednich uderzeń błyskawic. Instalowanie drutu osłonowego lub drutu ziemnego ponad górnym przewodem na odpowiedniej wysokości może chronić te linie. Jeśli ten drut osłonowy jest prawidłowo połączony z wieżą przesyłową, a wieża jest dobrze zziemiona, może on zapobiegać bezpośrednim uderzeniom błyskawic w dowolne przewody w obrębie kąta ochronnego drutu ziemnego. Druty osłonowe chronią również elektrownie i ich wyposażenie przed błyskawicami.

Konwencjonalna metoda koordynacji izolacji

Jak już wspomniano, komponenty w systemie energetycznym mogą doświadczać różnych poziomów chwilowych napięć, w tym impulsów przełączania i impulsów błyskawicowych. Używając urządzeń ochronnych, takich jak ograniczniki napięcia, można ograniczyć maksymalną amplitudę tych chwilowych nadnapięć. Poprzez utrzymanie poziomu izolacji powyżej poziomu ochronnego urządzeń, zmniejsza się prawdopodobieństwo przepukliny izolacji. To zapewnia, że każde chwilowe nadnapięcie docierające do izolacji jest w granicach bezpiecznych, ustalonych przez poziom ochronny.

Ogólnie, poziom izolacji impulsowej jest ustanawiany na 15-25 % powyżej poziomu ochronnego napięcia urządzeń ochronnych.

Statystyczne metody koordynacji izolacji

Przy wyższych napięciach przesyłowych, długość ciągów izolatorów i odstępy w powietrzu nie zwiększają się liniowo z napięciem, ale proporcjonalnie do V1.6. Wymagana liczba dysków izolatora w ciągu wiszącym dla różnych nadnapięć jest pokazana poniżej. Widoczne jest, że zwiększenie liczby dysków jest tylko niewielkie dla systemu 220 kV, przy zwiększeniu czynnika nadnapięcia z 2 do 3,5, ale jest szybkie zwiększenie w systemie 750 kV. Tak więc, choć może być ekonomicznie opłacalne ochronić linie o niższym napięciu do czynnika nadnapięcia 3,5 (mówiąc), zdecydowanie nie jest ekonomicznie opłacalne mieć czynnik nadnapięcia większy niż około 2-2,5 na liniach o wyższym napięciu. W systemach o wyższym napięciu dominują nadnapięcia przełączania. Mogą one jednak być kontrolowane poprzez właściwy projekt urządzeń przełączających.

Efektywność ekonomiczna

Koordynacja izolacji musi zrównoważyć wymagania techniczne z ekonomiczną wykonalnością, zwłaszcza na wyższych poziomach napięcia.