Coordinamento di isolamento nel sistema elettrico

La coordinazione dell'isolamento nel sistema elettrico è stata introdotta per organizzare i livelli di isolamento elettrico delle diverse componenti del sistema elettrico, inclusa la rete di trasmissione, in modo tale che, se si verifica un guasto dell'isolatore, questo sia confinato al luogo dove causerà il minor danno al sistema, sarà facile da riparare e sostituire, e causerà il minore disturbo alla fornitura di energia. Quando si verifica un sovravoltaggio nel sistema elettrico, esiste la possibilità di un guasto del sistema di isolamento. La probabilità di guasto dell'isolamento è alta nel punto più debole dell'isolamento vicino alla sorgente del sovravoltaggio. Nel sistema elettrico e nelle reti di trasmissione, l'isolamento è fornito a tutte le apparecchiature e componenti.

Gli isolatori in alcuni punti sono facilmente sostituibili e riparabili rispetto ad altri. L'isolamento in alcuni punti non è così facilmente sostituibile e riparabile e la sostituzione e la riparazione possono essere molto costose e richiedere lunghe interruzioni di energia. Inoltre, il guasto di un isolatore in questi punti può causare una parte più grande della rete elettrica a rimanere fuori servizio. Pertanto, è desiderabile che, in caso di guasto dell'isolatore, fallisca solo l'isolatore facilmente sostituibile e riparabile. L'obiettivo generale della coordinazione dell'isolamento è ridurre a un livello economicamente e operativamente accettabile il costo e il disturbo causati dal guasto dell'isolamento. Nel metodo di coordinazione dell'isolamento, l'isolamento delle varie parti del sistema deve essere graduato in modo che, se si verifica un arco elettrico, avvenga nei punti previsti. Per comprendere correttamente la coordinazione dell'isolamento, dobbiamo prima comprendere alcune terminologie di base del sistema elettrico. Discutiamone.

Tensione nominale del sistema

La tensione nominale del sistema è la tensione fase-fase del sistema 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 industriale massima consentita che può verificarsi, potenzialmente per lunghi periodi, durante condizioni di carico nullo o basso carico del sistema elettrico. Viene misurata anche in modo fase-fase. Ecco un elenco delle diverse tensioni nominali del sistema e le loro corrispondenti tensioni massime del sistema per riferimento,

NB – Si osserva dalla tabella sopra che generalmente la tensione massima del sistema è l'110% della corrispondente tensione nominale del sistema fino al livello di tensione di 220 kV, e per 400 kV e superiore è il 105%.

Fattore di terra

Questo è il rapporto tra la tensione sinusoidale di frequenza industriale massima fase-terra su una fase sana durante un cortocircuito a terra e la tensione sinusoidale di frequenza industriale fase-fase 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 efficacemente collegato a terra

Un sistema viene definito efficacemente collegato a terra se il fattore di terra non supera l'80%, e non efficacemente collegato a terra 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 collegato a terra.

Livello di isolamento

Ogni apparecchiatura elettrica deve affrontare diverse situazioni di sovravoltaggi transitori anomali in diversi momenti durante il suo periodo di servizio. L'apparecchiatura potrebbe dover resistere a impulsi fulminosi, impulsi di commutazione e/o sovravoltaggi di breve durata a frequenza industriale. A seconda del livello massimo degli impulsi di tensione e dei sovravoltaggi di breve durata a frequenza industriale che un componente del sistema elettrico può resistere, viene determinato il livello di isolamento del sistema ad alta tensione. Durante la determinazione del livello di isolamento del sistema con una tensione nominale inferiore a 300 kV, vengono considerate la tensione di resistenza agli impulsi fulminosi e la tensione di resistenza ai sovravoltaggi di breve durata a frequenza industriale. Per le apparecchiature con una tensione nominale pari o superiore a 300 kV, vengono considerate la tensione di resistenza agli impulsi di commutazione e la tensione di resistenza ai sovravoltaggi di breve durata a frequenza industriale.

Tensione impulso fulminoso

Le perturbazioni del sistema dovute a fulmini naturali possono essere rappresentate da tre forme d'onda di base diverse. Se un impulso fulminoso viaggia per una certa distanza lungo la linea di trasmissione prima di raggiungere un isolatore, la sua forma d'onda si avvicina all'onda completa, e questa onda è chiamata onda 1.2/50. Se durante il viaggio, l'onda di perturbazione fulminosa causa un arco elettrico attraverso un isolatore, la forma dell'onda diventa un'onda troncata. Se un colpo di fulmine colpisce direttamente l'isolatore, la tensione impulso fulminoso può salire bruscamente fino a quando non viene sollevata da un arco elettrico, causando un crollo improvviso e molto brusco 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 di tale tensione può essere periodicamente smorzata o oscillante. La forma d'onda dell'impulso di commutazione ha un fronte ripido e una coda oscillante smorzata.

Tensione di resistenza ai sovravoltaggi di breve durata a frequenza industriale

La tensione di resistenza ai sovravoltaggi di breve durata a frequenza industriale è il valore effettivo prescritto della tensione sinusoidale a frequenza industriale che l'apparecchiatura elettrica deve resistere per un periodo di tempo specifico, normalmente 60 secondi.

Tensione di protezione del dispositivo di protezione

Dispositivi di protezione contro i sovravoltaggi come parafalde o parafalde fulminosi sono progettati per resistere a un certo livello di sovravoltaggi transitori oltre il quale i dispositivi scaricano l'energia dell'impulso a terra e quindi mantengono il livello di sovravoltaggio transitorio fino a un livello specifico. Così, il sovravoltaggio transitorio non può superare quel livello. Il livello di protezione del dispositivo di protezione contro i sovravoltaggi è il valore massimo di picco di tensione che non dovrebbe essere superato ai terminali del dispositivo di protezione quando vengono applicati impulsi di commutazione e impulsi fulminosi.

Ora discutiamo i metodi di coordinazione dell'isolamento uno per uno-

Utilizzo di filo schermo o filo di terra

Il sovravoltaggio fulminoso sulla linea di trasmissione aeree può essere causato da colpi di fulmine diretti. Può essere protetto fornendo un filo schermo o filo di terra a un'altezza adeguata dal conduttore superiore della linea di trasmissione. Se il filo schermo conduttore è correttamente collegato al corpo della torre di trasmissione e la torre è correttamente collegata a terra, i colpi di fulmine diretti possono essere evitati su tutti i conduttori sotto l'angolo protettivo del filo di terra. Il filo di terra aereo o filo di terra o filo schermo è anche utilizzato per coprire la sottostazione elettrica per proteggere le diverse apparecchiature elettriche dai colpi di fulmine.

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