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Die Isolationskoordination ist eine grundlegende technische Disziplin im Hinblick auf die Auslegung von Hochspannungsstationen, die sicherstellt, dass elektrische Geräte den verschiedenen elektrischen Belastungen standhalten, die während des normalen Betriebs und unter außergewöhnlichen Bedingungen auftreten. Bei diesem systematischen Prozess werden geeignete Isolationsstufen für Geräte ausgewählt, Schutzmaßnahmen umgesetzt und ein koordiniertes Rahmenwerk eingerichtet, das Sicherheit, Zuverlässigkeit und wirtschaftliche Aspekte in Einklang bringt. Die Isolationskoordination ist der Prozess, bei dem sichergestellt wird, dass die Isolation von elektrischen Geräten den Überspannungen standhält, die während der Lebensdauer des Systems auftreten können, ohne die wirtschaftlich und betrieblich gerechtfertigten Grenzen zu überschreiten.

Was ist Isolationskoordination?

Die Isolationskoordination ist "Auswahl der Isolationsfestigkeit" und ist eine Reihe von Schritten, die zur Auswahl der Spannungsfestigkeit von Geräten in Bezug auf die Betriebsspannungen und transienten Überspannungen verwendet werden, die auf dem System auftreten können, für das die Ausrüstung bestimmt ist.

Das Hauptziel der Isolationskoordination besteht darin, einen Schutzabstand zwischen den elektrischen Spannungen, denen Geräte ausgesetzt sind, und ihrer Fähigkeit, diesen Belastungen störungsfrei zu widerstehen, zu schaffen. Dies erfordert ein strategisches Gleichgewicht zwischen der Isolationsfestigkeit der Systemkomponenten und der Überspannungsschutzstrategie, wobei die Zuverlässigkeit ohne übermäßiges Überdesign gewährleistet ist. Der Prozess muss sowohl vorhersehbare Spannungen wie normale Betriebsspannungen als auch unvorhersehbare Ereignisse wie Blitzeinschläge und Schaltvorgänge berücksichtigen.

Es ist im Grunde genommen eine wirtschaftliche Frage, wie die Isolierung eines Stromsystems geschützt wird, und es wäre natürlich nicht sinnvoll, nur für die Betriebsspannung zu isolieren und damit eventuelle Transienten einen Isolationsausfall auslösen zu lassen, ebenso wenig ist es sinnvoll, für alle Transientenereignisse zu isolieren, auch wenn dies möglich wäre. Eine Zwischenlösung, die eine vernünftige Investition in Isolations- und Schutzausrüstung erfordert, ist daher der Kompromiss, der am häufigsten getroffen wird. Diese sorgfältig ausgewählte Kombination von Isolatoren und Ableitern wird dann als Isolationskoordination bezeichnet.

Internationale Normen für die Koordinierung der Isolierung

Die Koordinationspraktiken für die Isolierung unterliegen umfassenden internationalen Normen, die Rahmenbedingungen für die Festlegung von Isolationsniveaus und Schutzmaßnahmen bieten, internationalen Normen wie IEC 60071-1, IEEE C62.82.1 und den dazugehörigen Leitfäden für gerätespezifische Isolationsplanung. Diese Normen legen einheitliche Methoden fest, die Ingenieure weltweit anwenden können, um eine sichere und zuverlässige Auslegung von Umspannwerken zu gewährleisten.

IEC 60071 Reihe

Die IEC-Norm für die Grundisolierungsstufe wird in erster Linie in IEC 60071 mit dem Titel "Isolationskoordination - Teil 1: Definitionen, Prinzipien und Regeln" definiert. Diese Norm bildet die Grundlage für die Auswahl der Isolationsstufen in elektrischen Energiesystemen. Die Reihe IEC 60071 besteht aus mehreren Teilen, die verschiedene Aspekte der Isolationskoordination behandeln:

  • IEC 60071-1: Enthält grundlegende Definitionen, Prinzipien und Regeln für die Isolationskoordination
  • IEC 60071-2: Bietet Anwendungsleitlinien für die Umsetzung von Koordinationsprinzipien
  • IEC 60071-4: stellt Computerleitfäden für die Isolationskoordination und Modellierung elektrischer Netzwerke vor

Die IEC-Normen, die die Methoden und Definitionen der Isolationskoordination beschreiben, sind IEC60071-1, 60071-2 und 60071-4. Diese Normen arbeiten zusammen, um einen umfassenden Rahmen zu schaffen, der theoretische Prinzipien, praktische Anwendungen und Berechnungsmethoden umfasst.

IEEE-Normen

Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat parallele Normen entwickelt, die insbesondere in Nordamerika weit verbreitet sind. BIL ist sowohl in IEC 60071-1 (Isolationskoordination – Definitionen, Grundsätze und Regeln) als auch in IEEE C62.82.1 (Norm für Isolationskoordination – Definitionen, Prinzipien und Regeln) formal definiert. Diese Normen bieten ähnliche Rahmenbedingungen wie die IEC-Normen, können jedoch geringfügige Abweichungen bei spezifischen Anforderungen und Prüfverfahren aufweisen.

Die Standard-Isolationsstufe der Geräte, die Verfahren und die Modellierungsrichtlinien für IC-Studien werden in IEEE/IEC/CIGRE-Normen dargestellt. Die Konvergenz dieser internationalen Normen trägt dazu bei, die Konsistenz bei der Konstruktion und Prüfung von Geräten in verschiedenen Regionen und Herstellern zu gewährleisten.

Überspannungen in Hochspannungssystemen verstehen

Überspannungen sind die primären elektrischen Spannungen, die die Isolationskoordination angehen muss. Transiente Überspannungen sind typisch für Energiesysteme. Die Quellen von Überspannungen sind direkte oder nahe gelegene Blitzeinschläge, Schaltvorgänge, elektromagnetische Impulse und elektrostatische Entladungen. Das Verständnis der verschiedenen Arten von Überspannungen, ihrer Eigenschaften und ihrer möglichen Auswirkungen ist für eine effektive Isolationskoordination unerlässlich.

Klassifikation von Überspannungen

Überspannungen können nach ihrem Ursprung, ihrer Dauer und ihren Merkmalen klassifiziert werden, wobei die beiden Hauptkategorien vorübergehende Überspannungen und vorübergehende Überspannungen sind.

Vorübergehende Überspannungen (TOV)

Temporäre Überspannung (TOV): Eine Leistungs-Frequenz-Überspannung von relativ langer Dauer, die typischerweise durch eine Störung oder Lastunterdrückung verursacht wird; diese Überspannungen treten bei der Netzleistungsfrequenz (50 Hz oder 60 Hz) auf und können für Sekunden oder sogar Minuten anhalten. Temporäre Überspannungen entstehen üblicherweise durch Schalt- oder Fehlerbeseitigungsvorgänge (z. B. Lastunterdrückung, Einphasenfehler, Fehler an einem hochohmigen geerdeten oder ungeerdeten System) oder durch Nichtlinearitäten (Ferroresonanzeffekte, Oberwellen) oder beides.

Die Größe von TOV wird oft durch den Erdschlussfaktor charakterisiert, der die Phase-Erde-Spannung während eines Fehlers mit der normalen Betriebsspannung in Beziehung setzt.

Transiente Überspannungen

Je nach Dauer der Überspannung kann diese in temporäre Überspannungen und transiente Überspannungen unterteilt werden. Temporäre Überspannungen beziehen sich auf Leistungsfrequenzüberspannungen mit langer Dauer, während transiente Überspannungen kurzzeitig dauern, nur wenige mS, sogar μS-Pegel, was stark gedämpfte Schwingungswellen oder nicht-schwingende Wellen sein kann. Transiente Überspannungen weisen aufgrund ihrer Herkunft und Wellenformcharakteristik mehrere Unterkategorien auf.

Blitzüberspannungen (Fast-Front-Überspannungen)

Blitzüberspannungen stellen einige der schwersten elektrischen Spannungen dar, denen Umspannanlagen standhalten müssen. Blitze sind zufällig, und es besteht immer die Möglichkeit, dass ein Blitzschlag unter Umgehung des Schilds der Umspannstation auf die geschützten Stromkreise in oder in der Nähe der Umspannstation trifft. Diese Überspannungen zeichnen sich durch extrem schnelle Anstiegszeiten und hohe Spitzenspannungen aus.

Der Standardimpuls ist ein Wellenformwert von 1,2/50 μs (T1/T2 μs) mit einem Wellenscheitel in Kilovolt. Das bedeutet, dass der Spannungsimpuls in 1,2 μs von Null auf den Wellenscheitelwert ansteigt und in 50 μs auf den Wellenscheitelwert absinkt. Anstiegszeit und Dauer dieses Wellenscheitels replizieren einen Blitzstoß. Diese standardisierte Wellenform wird für die Prüfung der Fähigkeit von Geräten verwendet, blitzinduzierten Überspannungen standzuhalten.

Bei luftisolierten Unterstationen kann bei einem Blitzschlag auf diese Leitungen innerhalb der Spannweite von ein oder zwei Türmen von der Unterstation aus ein Überspannungsstoß in die Station entlang der Leiter eintreten. Selbst gut abgeschirmte Übertragungsleitungen können es ermöglichen, dass bei einem Rückschlag auf den Leiter während eines Schalt- oder Blitzstoßes ein schnell ansteigender Überspannungsstoß in eine nahe gelegene Station eintritt. Dieses Phänomen macht den Blitzschutz auch für gut konzipierte Unterstationen kritisch.

Schalten von Überspannungen (Langsam-Front-Überspannungen)

Schaltüberspannungen treten bei normalen und anormalen Schaltvorgängen im Netz auf, während Schaltstöße beim Öffnen (Auslösen) und Schließen von Leistungsschaltern und Leitungsschaltern in derselben Unterstation auftreten, im Allgemeinen treten Schaltstöße in der Nähe von nicht selbstwiederherstellenden Isolationsgeräten wie Generatoren, Transformatoren, Leistungsschaltern und Kabeln auf, die durch Schaltstöße verursacht werden, da sie die Isolation beschädigen oder einen Isolationsüberschlag verursachen können.

Schaltstöße sind nur bei Systemen ab 245 kV von Belang, da ihre Größen bei Systemen unterhalb dieses Wertes im Allgemeinen 1,5 pu der Systemphase-Erdspannung nicht überschreiten.

BSL: Wird für Hochspannungsgeräte (normalerweise ≥ 300 kV) verwendet, bei denen Schaltstöße vorherrschen; die Wellenform beträgt typischerweise 250/2500 μs. Diese langsamere Wellenform spiegelt die Eigenschaften von Schaltvorgängen im Vergleich zu Blitzeinschlägen wider.

Sehr schnelle transiente Überspannungen (VFTO)

Wenn Trennschalter zum Betrieb kurzer Busse in einem GIS verwendet werden, kann es zu einer sehr hochfrequenten Überspannung kommen, die durch mehrfache Ausfälle und Löschungen von Schaltern entsteht, deren Anfangsfront im Allgemeinen zwischen 3 und 200 ns liegt; dies wird als sehr schnelle transiente Überspannung (VFTO) bezeichnet, deren Frequenz und Steilheit viel höher sind als die von Blitzüberspannung, und Zinkoxidableiter (MOA) kann diese Überspannung nicht begrenzen.

Sehr schnelle Frontüberspannungen (VFFO) entstehen durch Trennschalter-Betriebe oder Störungen innerhalb des GIS aufgrund des schnellen Durchschlags der Gaslücke und der nahezu ungedämpften Stoßausbreitung innerhalb des GIS, deren Amplituden beim Verlassen des GIS, beispielsweise an einer Durchführung, schnell gedämpft werden und deren Frontzeiten üblicherweise in den Bereich von schnellen Frontüberspannungen erhöht werden. VFTO ist in erster Linie ein Anliegen von gasisolierten Unterstationen und erfordert besondere Berücksichtigung bei der Auslegung von GIS-Geräten und angeschlossenen Geräten.

Grundisolationsniveau (BIL) und Isolationswiderstand gegen Spannungen

Der Grundisolationspegel (BIL) ist ein grundlegender Parameter in der Isolationskoordination, der die elektrische Festigkeit der Geräteisolierung bestimmt. Er stellt die Spitzenspannung dar, der eine Isolierung ohne Ausfall während eines Standard-Blitzimpulstests standhalten kann, der normalerweise mit einer Wellenform von 1,2/50 μs definiert wird. Die BIL-Einstufung wird nicht von kontinuierlichen Betriebsspannungen, sondern von Impulsfestigkeitsprüfungen abgeleitet und ist immer deutlich höher als die nominale Betriebsspannung des Systems. Sein Hauptzweck ist es, sicherzustellen, dass Geräte transiente Überspannungen ohne dielektrischen Ausfall tolerieren können.

BIL Ratings verstehen

Die IEC-Norm für die Grundisolierung (BIL) spielt eine Schlüsselrolle bei der Konstruktion von Hochspannungsgeräten. Sie stellt sicher, dass elektrische Systeme Überspannungen standhalten können, ohne dass sie zusammenbrechen. BIL-Werte sind für verschiedene Spannungsklassen standardisiert, um die Konsistenz zwischen den Geräten verschiedener Hersteller zu gewährleisten und eine ordnungsgemäße Koordination zwischen den miteinander verbundenen Geräten zu ermöglichen.

Dieser Wert wird mit einer statistischen Sicherheitsmarge festgelegt, die Fertigungstoleranzen, Installationsvariabilität, Umweltbedingungen und die inhärente nicht-deterministische Natur des Isolationsausfalls unter Impulsspannung berücksichtigt.

Standardisierte BIL-Werte

Um Gleichförmigkeit zu gewährleisten, definieren IEC und IEEE standardisierte BIL-Werte, die den nominalen Netzspannungen entsprechen, wobei diese standardisierten Werte die Gerätespezifikation und -beschaffung vereinfachen und gleichzeitig ausreichende Schutzmargen gewährleisten. Beispielsweise kann ein 400-kV-System je nach Anwendung und Überspannung eine Standard-BIL von 1425 kV oder 1550 kV aufweisen.

Die IEC definiert Standard-Isolationsstufen auf der Grundlage der Systemspannung, die die Ingenieure bei der Auswahl der richtigen Isolationsstufen für Transformatoren, Leistungsschalter, Schaltanlagen und Sammelschienen leiten.

Beziehung zwischen BIL und Physical Design

Die BIL-Einstufung beeinflusst direkt die physikalischen Abmessungen von Hochspannungsgeräten. Der Abstand ist der kürzeste Luftweg zwischen zwei leitfähigen Teilen oder zwischen einem leitfähigen Teil und Masse. Bei gegebener Systemspannung steigt der erforderliche Abstand mit höherer BIL an, da die Isolierung instationären Spitzenspannungen ohne Überschläge standhalten muss.

Beispielsweise beträgt die Mindestabstandsgrenze für eine 400-kV-BIL von 1425 kV bei Normalatmosphärenbedingungen etwa 3,1 bis 3,4 Meter. Dieser Wert stellt sicher, dass das System der Impulsform von 1,2/50 μs ohne Ausfall standhält. Diese Abstandsanforderungen wirken sich erheblich auf die Anordnung der Umspannstation und die Gesamtabmessung aus.

Freiraum: Der kürzeste Luftabstand zwischen zwei leitfähigen Teilen wird durch die erforderlichen Widerstandsspannungen (BIL und BSL) bestimmt, um einen Überschlag durch die Luft zu verhindern. Neben dem Freiraum muss auch der Kriechabstand entlang der Isolatoroberflächen berücksichtigt werden, insbesondere in kontaminierten Umgebungen.

Die Rolle von Surge Arresters in der Isolationskoordination

Überspannungsableiter sind die Hauptschutzvorrichtungen, die zur Begrenzung von Überspannungen und zum Schutz der Geräteisolierung verwendet werden. Die Standardvorrichtung zum Schutz von Geräten in Umspannwerken vor Überspannungen ist der Überspannungsableiter. Wenn er von jedem Phasenleiter an die Erde angeschlossen wird, überträgt der Überspannungsableiter die hohen Überspannungsströme sicher auf die Erde und schützt das System und die Geräte wie Transformatoren, Leistungsschalter und Durchführungen und isoliert vor den Folgen von Überspannungen.

Funktionsprinzipien von Surge Arresters

Überspannungsableiter schützen die Umspannwerke, indem sie Blitze und Überspannungen auf ein bestimmtes Schutzniveau unterhalb der Isolationsspannung begrenzen. Überspannungsableiter haben nichtlineare Spannungs- und Stromeigenschaften, die es ihnen ermöglichen, die Leitung bei einem bestimmten Spannungsniveau zu beginnen, die Spannung für die Überspannungsdauer zu halten und die Leitung zu stoppen, wenn die Spannung wieder in stationären Zustand gelangt. Die Überspannungsenergie wird ebenfalls absorbiert oder abgebaut.

Moderne Metalloxid-Überspannungsableiter (MOSA) haben aufgrund ihrer überlegenen Leistungseigenschaften ältere Siliziumkarbid-Designs weitgehend ersetzt. Metalloxidableiter erfordern keine Serienlücken und bieten konsistentere Schutzniveaus für einen breiten Bereich von Stromgrößen.

Auswahlkriterien für Festnahme

Die richtige Auswahl der Überspannungsableiter erfordert die Berücksichtigung mehrerer Schlüsselparameter. Ableiter können innerhalb einer bestimmten Klasse durch die maximale Dauerbetriebsspannung (Maximum Continuous Operating Voltage, MCOV) spezifiziert werden. Bei der Anwendung von Ableitern ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Ableiter-MCOV-Einstufung größer ist als die maximale Dauerspannung, der der Ableiter jederzeit ausgesetzt ist. Dies stellt sicher, dass der Ableiter unter normalen Betriebsbedingungen nicht leiten kann und gleichzeitig bereit ist, gegen Überspannungen zu schützen.

Die Schutzspanne zwischen dem Schutzniveau des Ableiters und dem BIL des Geräts muss ausreichen, um die Auswirkungen auf den Abstand, die Länge der Ableiterleitung und andere Faktoren zu berücksichtigen, die die Spannung an dem geschützten Gerät erhöhen können.

Arrester-Platzierung und Trennungsabstand

Aus diesem Grund müssen die Lage und der Abstand zwischen den kritischen Isolationspunkten in der Unterstation bekannt sein, bevor eine ordnungsgemäße Isolationskoordinationsstudie durchgeführt werden kann. Der Abstand zwischen einem Ableiter und geschützten Geräten beeinflusst die Spannung, die an den Geräteanschlüssen aufgrund von Wanderwelleneffekten auftritt.

Die Formel zur Bestimmung des möglichst großen Abstandes zwischen einem Ableiter und dem von ihm geschützten Transformator ist in den obigen Literaturstellen sowie in der IEC 60099-5 zu finden. Je höher die Netzspannung, desto kürzer wird der Abstand, weil das Verhältnis von Transformatorspannung zu Netzspannung verringert wird.

Aufgrund dieser beiden möglichen Offenunterbrecherszenarien ist es ratsam, Ableiter am Leitungseingang der Station anzubringen, um die Spannungsverdopplung am Unterbrecher und einen fast sicheren Überschlag seiner Isolierung zu vermeiden.

Umfassende Schritte bei der Durchführung der Isolationskoordination

Die Durchführung der Isolationskoordination für eine Hochspannungsstation umfasst einen systematischen Ansatz, der alle Aspekte des Überspannungsschutzes und der Geräteauswahl berücksichtigt.

Schritt 1: Systemcharakterisierung und Datenerfassung

Der erste Schritt in der Koordination der Isolierung besteht darin, umfassende Informationen über das System und seine Betriebsbedingungen zu sammeln, darunter:

  • Netzspannungspegel und -konfiguration
  • Auslegung des Erdungssystems und Erdfehlerfaktor
  • Merkmale und Längen der Übertragungsleitung
  • Ausrüstungsspezifikationen und Standorte
  • Umweltbedingungen (Höhe, Verschmutzungsgrad, Temperatur)
  • Blitzaktivität in der Region
  • Schaltfrequenzen und -typen

Die IEC-Norm für die Grundisolierungsstufe beschreibt mehrere Faktoren, die die BIL-Auswahl beeinflussen: Höhe der Installation: Höhere Höhen verringern die Luftisolierungsfähigkeit. Abklingfaktoren werden über 1000 Meter angewendet. Verschmutzungsgrade: In industriellen oder Küstenumgebungen kann eine höhere BIL erforderlich sein, um Oberflächenkontamination zu bewältigen. Überspannungstyp: Blitzstöße und Schaltstöße haben unterschiedliche Wellenformen und Energieniveaus. Blitzstöße diktieren normalerweise BIL-Werte. Systemerdung: Fest geerdete Systeme weisen geringere transiente Spannungen auf als nicht geerdete Systeme.

Schritt 2: Überspannungsbewertung und -klassifizierung

Die Koordination der Isolierung beginnt mit der Klassifizierung und Quantifizierung von Überspannungen (TOV, SFO, FFO, VFFO), um die elektrischen Spannungen zu definieren, denen ein System während seiner Betriebsdauer ausgesetzt ist.

Für jede Art von Überspannung müssen Ingenieure Folgendes bestimmen:

  • Repräsentative Überspannungswerte: Die für jeden Überspannungstyp erwarteten charakteristischen Spannungspegel
  • Wahrscheinlichkeit des Auftretens: Wie häufig wird jede Art von Überspannung erwartet
  • Waveshape-Eigenschaften: Anstiegszeit, Dauer und Schwingungsfrequenz
  • Energiegehalt: Die Menge an Energie, die Schutzvorrichtungen aufnehmen müssen

Die Norm berücksichtigt verschiedene Überspannungszustände, einschließlich direkter Blitzeinschläge, Blitzeinschläge in der Nähe und Schaltvorgänge. Sie bietet Richtlinien zur Beurteilung der Systemisolation und zur Auswahl der richtigen BIL für jede Spannungsklasse. Diese umfassende Bewertung bildet die Grundlage für alle nachfolgenden Koordinationsentscheidungen.

Schritt 3: Ermittlung der erforderlichen Spannungsfestigkeit

Sobald die repräsentativen Überspannungen ermittelt sind, wird im nächsten Schritt die erforderliche Widerstandsspannung für Geräte bestimmt. Ein wichtiger Parameter bei der Isolationskoordination ist der Schutzabstand, der als Differenz zwischen der Isolationswiderstandsspannung (typischerweise BIL für Blitzimpulse oder BSL für Schaltstöße) und der maximalen vorübergehenden oder transienten Überspannung definiert wird, die an einem bestimmten Punkt im System auftreten kann.

Die Berechnung der erforderlichen Widerstandsspannung hängt davon ab, ob das Gerät eine selbstwiederherstellende oder eine nicht selbstwiederherstellende Isolierung aufweist:

Für nicht selbstwiederherstellende Isolierung (deterministische Methode):

Ein Transformator hat eine nicht selbsterstattende Isolierung, daher müssen wir die deterministische Methode verwenden. Koordinationsfaktor (Kc): Der Transformator befindet sich auf Meereshöhe und hat eine interne Ölisolierung, also Kc = 1,0. Sicherheitsfaktor (Ks): Für Blitzüberspannung ist ein Standardsicherheitsfaktor Ks = 1,25, um die hohen Folgen eines Ausfalls zu berücksichtigen. Die erforderliche Widerstandsspannung wird berechnet, indem die repräsentative Überspannung mit diesen Sicherheits- und Koordinationsfaktoren multipliziert wird.

Für die Selbstwiederherstellung der Isolierung (statistische Methode):

Da die Isolierung der Leitungen sich selbst wiederherstellt, werden ihre Leistungen in der Regel mit Hilfe der statistischen Methode bestimmt, wobei eine gewisse Wahrscheinlichkeit eines Überschlags akzeptiert wird, die typischerweise als Überschläge pro 100 km pro Jahr für Übertragungsleitungen oder Überschläge pro 100 Jahre für Umspannwerke ausgedrückt wird.

Schritt 4: Auswahl der Standardisolationsstufen

Nach der Berechnung der erforderlichen Widerstandsspannungen wählen die Ingenieure Standardisolationsstufen aus, die diese Anforderungen erfüllen oder übertreffen. Diese Normen bieten einen koordinierten Rahmen für die Festlegung der erforderlichen Isolationsstufen auf der Grundlage der Systemspannung, der erwarteten Überspannungsgrößen, der Reaktionszeiten der Schutzvorrichtung und der akzeptablen Ausfallwahrscheinlichkeit.

Es ist wichtig, zwischen BIL, Basic Switching Impulse Level (BSL) und Continuous Operating Voltage (Un) zu unterscheiden: BIL: Nennimpulspegel für Blitztransienten (1,2/50 μs), ausgedrückt in kV (Spitze); Leistungs-Frequenz-Ausdauer: 50/60 Hz, 1 Minute lang angelegt; nicht zu verwechseln mit BIL, sondern auch mit einem Teil der totalen Isolationskoordination; zusammen bilden diese Pegel eine abgestufte Isolationsstruktur, wobei BIL als obere Grenze für Geräte dient, die atmosphärischen Überspannungen ausgesetzt sind.

Die Auswahl der Geräte muss sicherstellen, dass alle drei Belastungen (Leistungsfrequenz, Schaltimpuls und Blitzimpuls) den erwarteten Belastungen entsprechen.

Schritt 5: Auswahl und Koordination von Surge Arrester

Metall-Oxid-Überspannungsableiter werden auf der Grundlage der Systemspannung und Überspannungspegel ausgewählt, um gefährliche Überspannungen abzuleiten, die als primäre Verteidigungslinie für kritische Geräte dienen.

Zu den wichtigsten Überlegungen bei der Ableiterauswahl gehören:

  • Kontinuierliche Betriebsspannungsbewertung: Muss die maximale kontinuierliche Netzspannung überschreiten
  • Vorübergehende Überspannungsfähigkeit: Muss der erwarteten TOV-Dauer und -Größe standhalten
  • Entladespannungseigenschaften: Muss Überspannungen unterhalb der BIL-Ausrüstung mit ausreichender Marge begrenzen
  • Energieaufnahmefähigkeit: Muss die erwarteten Blitz- und Schaltstoßenergien bewältigen
  • Druckentlastungsfähigkeit: Muss im Falle einer Überlastung sicher ausfallen

Die Aufgabe eines Überspannungsableiters besteht darin, zu vermeiden, dass das System und die Ausrüstung den Fähigkeiten standhalten. Wenn dann ein Überspannungsversuch die Isolationskapazität überschreitet, hält der Ableiter die Spannung im akzeptablen Bereich und schützt teure elektrische Geräte.

Schritt 6: Layout und Freigabedesign der Unterstation

Die physische Anordnung der Unterstation muss ausreichende Abstände auf der Grundlage der gewählten Isolationsniveaus bieten. Die Abstände sind Phase-zu-Erde & Phase-zu-Phase: Beide Entfernungen müssen berechnet und implementiert werden, um die Sicherheit innerhalb der Unterstation zu gewährleisten. Design-Kompromiss: Die Erhöhung der Abstände und Kriechstrecken erhöht die Zuverlässigkeit, erhöht aber auch die physische Größe (Fußabdruck) und die Kosten der Unterstation.

Clearance Design muss Folgendes berücksichtigen:

  • Phase-Boden-Abstände auf Basis von BIL oder BSL
  • Phasen-zu-Phase-Freigaben für Schalt- und Fehlerzustände
  • Höhenkorrekturfaktoren für Anlagen über 1000 Meter
  • Sicherheitsfreigaben für den Zugang und die Instandhaltung des Personals
  • Leiterschwinge durch Wind- und Kurzschlusskräfte

Kriechung: Der kürzeste Abstand entlang der Oberfläche eines Isolators; er soll einen Überschlag durch Oberflächenverschmutzung und Feuchtigkeit verhindern; der Verschmutzungsgrad bestimmt den Kriechungsgrad: Der erforderliche Kriechweg hängt stark vom Umweltbelastungsgrad (leicht, mittel, schwer oder sehr schwer) gemäß IEC 60815 ab. Isolatoren müssen mit geeigneten Kriechstrecken für die spezifischen Umweltbedingungen ausgewählt werden.

Schritt 7: Transiente Analyse und Simulation

Detaillierte Transientenanalyse mit elektromagnetischen Transientenprogrammen (EMTP) ist für die Überprüfung der Isolationskoordination unerlässlich. Transientensoftware (meist Zeitbereich) • Beispiel sind elektro-magnetische Transientenprogramme (EMTP) wie ATP, PSCAD, EMTP-RV usw. Diese Simulationswerkzeuge ermöglichen es Ingenieuren, das gesamte System zu modellieren und Überspannungsbelastungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bewerten.

Simulationsstudien sollten Folgendes umfassen:

  • Blitzflutanalyse: Direktschläge, Rückschlag und Abschirmungsfehlerszenarien
  • Switching surge analysis: Energization, de-energization, and fault clearing operations
  • Temporäre Überspannungsanalyse: Erdstörungen, Lastunterdrückung und Resonanzbedingungen
  • Arrester-Energiepflicht: Überprüfung, dass Arrester die erwartete Energieabsorption bewältigen können
  • Schutzüberprüfung: Bestätigung der angemessenen Margen an allen Standorten der Ausrüstung

Studie zur Hochspannungsunterstation: Typische Studien umfassen die Analyse einer Unterstation zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeit von Überschlägen nach dem Isolator. Diese wird im Allgemeinen in Überschlägen pro hundert Jahren gemessen. Eine weitere wichtige Analyse ist die Feststellung, dass die in Transformatoren enthaltene Isolierung einen akzeptablen Schutzbereich aufweist. Da die interne Isolierung nicht selbstwiederherstellt, ist ein Ausfall völlig inakzeptabel. Eine Isolationskoordinationsstudie einer Unterstation zeigt alle Wahrscheinlichkeiten und Ränder für alle potenziellen Transienten, die in die Station eintreten.

Schritt 8: Dokumentation und Verifizierung

Der letzte Schritt umfasst die umfassende Dokumentation aller Koordinierungsentscheidungen und gegebenenfalls die Überprüfung durch Tests.

  • Systemparameter und Annahmen
  • Überspannungsberechnungen und Simulationsergebnisse
  • Ausrüstungsspezifikationen und BIL-Berechtigungen
  • Auswahl von Feststellern und Schutzrand
  • Freiraumberechnungen und Layoutzeichnungen
  • Prüfanforderungen und Annahmekriterien

Die dielektrischen Prüfungen belegen, dass die Isolierung des Systems und der Geräte verschiedenen Formen von Überspannungen standhalten kann; die Abnahmeprüfungen im Werk und die Prüfungen vor Ort sollten sicherstellen, dass die installierten Geräte die festgelegten Isolationsniveaus erfüllen und dass die Schutzvorrichtungen wie vorgesehen funktionieren.

Besondere Überlegungen für verschiedene Unterstationstypen

Die verschiedenen Unterwerkstypen stellen besondere Herausforderungen für die Koordination der Isolierung dar, wobei der Ansatz auf die spezifischen Merkmale und Einschränkungen jedes Unterwerkstyps zugeschnitten sein muss.

Luftisolierte Umspannwerke (AIS)

Luftisolierte Umspannwerke verwenden atmosphärische Luft als primäres Isolationsmedium zwischen stromführenden Teilen und Boden. Studien zur Koordination von Überspannungen und Isolierungen sind sehr wichtig für die wirtschaftliche Art und Weise, wie die Isolationshöhe von Geräten in luftisolierten Umspannwerken (AIS), gasisolierten Umspannwerken (GIS) und Übertragungssystemen entworfen werden kann.

Zu den wichtigsten Überlegungen für AIS gehören:

  • Große physikalische Abstände für Hochspannungspegel erforderlich
  • Umweltauswirkungen auf die Isolierung (Verschmutzung, Feuchtigkeit, Höhe)
  • Blitzschutz-Wirksamkeit und Backflashover-Risiko
  • Leiterabstand und Konfigurationseffekte auf Schaltstöße
  • Isolatorauswahl auf der Grundlage der Schwere der Verschmutzung

Die LIWV-Eigenschaften der externen Selbstwiederherstellungsisolation werden universell unter trockenen Bedingungen getestet und verifiziert. Die tatsächliche direkte Länge zwischen den Isolatorklemmen ist der wichtigste Faktor für die Bestimmung dieser schnellen Impulseigenschaften. Die Selbstwiederherstellungscharakteristik der Luftisolation ermöglicht statistische Koordinierungsmethoden, die gelegentliche Überschläge auf die externe Isolierung akzeptieren.

Gasisolierte Unterwerke (GIS)

Gasisolierte Umspannwerke verwenden Schwefelhexafluorid (SF6) als Isolationsmedium, was viel kompaktere Designs als AIS ermöglicht.

Die VFTO kann die Sicherheit eines GIS und seiner angrenzenden Geräte, insbesondere die Windungsisolierung des Transformators, gefährden und auch hochfrequente Schwingungen im Transformator verursachen. Der Unfall eines VFTO, der einen großen Transformator beschädigt, ist in Chinas 500-kV-System aufgetreten. Dies zeigt die entscheidende Bedeutung einer ordnungsgemäßen VFTO-Analyse bei der GIS-Konstruktion.

Die Erfahrung zeigt, dass sehr schnelle Frontüberspannungen keinen Einfluss auf die Auswahl von Nennspannungen bis zu Netzspannungen von 800 kV haben. Besondere Aufmerksamkeit ist auf sehr schnelle Transienten in GIS von UHV-Systemen zu richten. Aufgrund des abnehmenden Verhältnisses von Blitzimpulsspannung zur Netzspannung kann VFFO die begrenzende dielektrische Spannung werden, die die Dimensionen von GIS definiert.

Die Koordination der GIS-Isolation muss Folgendes umfassen:

  • VFTO-Generierung während des Trennschalterbetriebs
  • Schutz angeschlossener Transformatoren vor VFTO
  • Innenisolierungsdesign für SF6-Gasdruck- und Temperaturschwankungen
  • Partikelkontaminationseffekte auf die Isolationsfestigkeit
  • Schnittstelle zu luftisolierten Geräten (Buchsen, Kabelanschlüsse)

Hybrid-Unterstationen

Viele moderne Umspannwerke kombinieren sowohl luftisolierte als auch gasisolierte Abschnitte und schaffen so Hybridkonfigurationen. Diese Konstruktionen erfordern eine sorgfältige Koordination an der Schnittstelle zwischen den beiden Technologien, um sicherzustellen, dass Überspannungen beim Übergang zwischen verschiedenen Isolationsmedien ordnungsgemäß gesteuert werden.

Die Koordination der Hybrid-Unterstation muss Folgendes berücksichtigen:

  • Impedanz-Diskontinuitäten an AIS-GIS-Schnittstellen
  • Platzierung des Überspannungsableiters zum Schutz beider Abschnitte
  • VFTO-Verbreitung von GIS in AIS-Abschnitte
  • Integration des Erdungssystems zwischen den Abschnitten
  • Unterschiedliche Isolationseigenschaften jedes Abschnitts

Fortgeschrittene Themen in der Isolationskoordination

Koordinierung der Übertragungsleitungen

Die Koordination der Übertragungsleitungsisolation wird auch in zwei Kategorien unterteilt: Blitzschlag und Schalten. Die Leistungsbewertungsmethoden basieren auf den erwarteten Blitzschlag- und Schaltüberspannungen und den entsprechenden Isolationsniveaus. Die Leitungskoordination unterscheidet sich von der Koordination der Unterstationen in erster Linie durch die Akzeptanz von Überschlagereignissen.

Die Summe aus Rückschlagrate (BFR) und Abschirmungsausfallrate (SFR) bestimmt die Rückschlagrate (FOR), ausgedrückt in Überschlägen/100 km/Jahr. Die Rückschlagrate ist die wichtigste Ursache für Ausfälle auf Übertragungsleitungen. Während der mit einem Rückschlag verbundene schnelle Anstieg aufgrund von Koronaeffekten selten zur Unterstation gelangt, sind der resultierende Fehlerstrom und der Unterbrecherbetrieb über die gesamte Länge des Systems zu spüren.

Die Abschirmfehlerrate ist die Anzahl der Schläge, die auf den Phasenleitern enden. Überschreitet die durch einen Schlag auf die Phasenleiter erzeugte Spannung die Leitung CFO (critical flashover voltage), so tritt ein Überschlag auf. Eine geeignete Abschirmdrahtkonstruktion und Erdung ist wesentlich, um Abschirmfehler zu minimieren.

Die Rückschlagrate ist die Anzahl der Blitzeinschläge, die an Türmen oder Schirmdrähten enden und zu einem Isolatorüberschlag führen. Der Stromimpuls erhöht die Turmspannung, wodurch wiederum eine Spannung über der Leitungsisolation erzeugt wird. Überschreitet die Spannung über den Leitungsisolatoren die Isolationsfestigkeit, so ist ein Rückschlag vom Turm auf den Phasenleiter zu erwarten.

Ultrahochspannungssysteme (UHV)

Ultrahochspannungssysteme (typischerweise 800 kV und höher) stellen eine einzigartige Herausforderung für die Isolationskoordination dar. Überspannung ist der entscheidende Faktor bei der Auslegung von UHV-Übertragungsleitungen. Im Vergleich zu einer 500-kV-Leitung hat eine UHV-Übertragungsleitung eine größere verteilte Kapazität und eine kleinere Wellenimpedanz sowie ein relativ geringeres Verhältnis von Systemkurzschlusskapazität zur Eigenleistung der Leitung (d.h. die Systemkapazität ist relativ klein, während die Systemimpedanz relativ groß ist). Diese Eigenschaften machen die Schaltüberspannung von UHV-Leitungen schwerwiegender als die von 500-kV-Leitungen.

Bei UHV-Systemen werden häufig Schaltüberspannungen anstelle von Blitzüberspannungen zum dominierenden Faktor bei der Bestimmung der Isolationsniveaus, was einen umfangreichen Einsatz von Schaltüberspannungsregelungsmaßnahmen wie Voreinstellwiderständen in Leistungsschaltern, gesteuerten Schaltsystemen und strategisch platzierten Überspannungsableitern erfordert.

Auslegung des Erdungssystems

Das Erdungssystem der Unterstation spielt eine entscheidende Rolle bei der Koordination der Isolation, indem es einen niederohmigen Pfad für Stoßströme bereitstellt und ein Bezugspotential für die gesamte Anlage bildet.

  • Reduziert den Anstieg des Erdpotentials während der Störung und der Blitzflutbedingungen
  • Gewährleistung eines effektiven Betriebs von Überspannungsableitern
  • Minimiert Schritt- und Berührungspotenziale für die Sicherheit des Personals
  • Bietet eine stabile Referenz für Steuerungs- und Schutzsysteme
  • Verringert elektromagnetische Störungen

Die Erdungsimpedanz bei hohen Frequenzen (relevant für Blitzstöße) kann sich deutlich vom Leistungsfrequenzwiderstand unterscheiden, wobei die Transientenanalyse das frequenzabhängige Verhalten des Erdungssystems berücksichtigen sollte.

Umweltfaktoren

Umweltbedingungen beeinflussen die Isolationsleistung erheblich und müssen bei Koordinierungsstudien sorgfältig berücksichtigt werden. Höhenlagen beeinflussen die Luftdichte und damit die dielektrische Festigkeit der Luftisolation. Verschmutzung durch industrielle Quellen, Salzspray in Küstengebieten oder landwirtschaftliche Tätigkeiten können die Überschlagspannung der externen Isolierung verringern.

Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen beeinflussen sowohl die Erzeugung von Überspannungen (durch Änderungen der Systembelastung und Schaltmuster) als auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Isolierung.

Klimawandel Überlegungen werden immer wichtiger, da wechselnde Wettermuster Blitzaktivität, Verschmutzung Transport und extreme Wetterereignisse beeinflussen können, die Isolation Leistung beeinflussen.

Gemeinsame Herausforderungen und Lösungen

Unzureichende Schutzspannen

Eines der häufigsten Probleme bei der Koordination der Isolierung ist der unzureichende Schutzabstand zwischen Ableiterentladungsspannungen und BIL.

  • Übermäßiger Abstand zwischen Ableitern und geschützten Geräten
  • Unzureichende Ableiter-Einstufungen für die zu erwartenden Überspannungen
  • Nichtverrechnung aller Überspannungsquellen
  • Änderungen der Systemkonfiguration nach der ersten Konstruktion

Die Ergebnisse erfordern eine Erhöhung der Anzahl des Überspannungsableiters. Die neuen Hochspannungsprojekte bewirken erhebliche Auswirkungen auf die Überspannung, wenn Leistungsschalter im Störungsfall arbeiten. Die Isolationskoordination nach den IEC-Normen 60071 reicht nicht aus, und es sollten mehr Überspannungsableiter benötigt werden. Dies unterstreicht die Bedeutung einer umfassenden Analyse und den potenziellen Bedarf an zusätzlichen Schutzvorrichtungen, die über die Mindestanforderungen hinausgehen.

Zu den Lösungen gehören:

  • Installation zusätzlicher Ableiter näher an kritischen Geräten
  • Upgrade auf Ableiter mit niedrigeren Entladespannungen
  • Erhöhung der BIL-Einstufungen für Ausrüstungen, wenn dies wirtschaftlich gerechtfertigt ist
  • Implementieren von kontrolliertem Schalten zur Reduzierung von Schaltstoßgrößen

Vorübergehende Überspannungsdauer

Die Dauer des TOV hängt von den Systemschutzsystemen und der Zeit ab, die zum Beseitigen von Fehlern oder zur Wiederherstellung normaler Betriebsbedingungen erforderlich ist.

Zu den Minderungsstrategien gehören:

  • Schnelle Fehlerbeseitigung durch Hochgeschwindigkeitsschutzsysteme
  • Neutrale Erdungswiderstände oder Reaktoren zur Begrenzung der TOV-Größe
  • ABSCHALTUNGSEINRICHTUNGEN MIT ERWEITERTER ÜBERSPANNUNGSFÄHIGKEIT
  • Systembetriebsverfahren zur Minimierung der TOV-Exposition
  • Automatische Systeme zur Lastabwurf- oder -abweisung

Koordination an Systemschnittstellen

Schnittstellen zwischen Systemen mit unterschiedlichen Spannungspegeln oder Isolationskoordinationsphilosophien können Koordinationsherausforderungen schaffen, insbesondere müssen Transformatoren unter Berücksichtigung von Überspannungen geschützt werden, die sowohl auf der Hochspannungs- als auch auf der Niederspannungsseite auftreten können.

Eine effektive Koordinierung an den Schnittstellen erfordert:

  • Ableiter auf beiden Seiten von Transformatoren mit entsprechenden Nennwerten
  • Berücksichtigung übertragener Überspannungen durch Transformatorkapazität
  • Koordinierung zwischen Übertragungsnetz- und Verteilernetzschutz
  • Analyse von Resonanzbedingungen, die Überspannungen verstärken können

Alternde Infrastruktur

Wenn Unterstationen altern, kann sich die Isolationsfestigkeit aufgrund von Umweltbelastungen, elektrischer Belastung und mechanischem Verschleiß verschlechtern, was das ursprüngliche Isolationskoordinationsdesign beeinträchtigen kann.

Die Verwaltung der alternden Infrastruktur erfordert:

  • Regelmäßige Isolationsprüfungen und Zustandsbewertung
  • Überwachung des Zustands des Ableiters und des Austauschs bei gestörtem Zustand
  • Reinigung von Isolatoren in verschmutzten Umgebungen
  • Upgrade von Schutzsystemen, wenn sich die Technologie verbessert
  • Neubewertung der Koordinierung bei Austausch oder Änderung von Ausrüstung

Test- und Verifizierungsmethoden

Um die Ziele der Isolationskoordination zu überprüfen, sind umfassende Tests unerlässlich, die in mehreren Phasen von der Herstellung der Ausrüstung bis zur Installation und Inbetriebnahme durchgeführt werden.

Factory Acceptance Testing

Die Hersteller von Geräten führen standardisierte Tests durch, um zu überprüfen, ob die Produkte die festgelegten Isolationsniveaus erfüllen. BIL wird mit standardisierten Impulsformen getestet, die in einem Hochspannungslabor erzeugt werden.

  • Blitzimpulstests: Anwendung von Standard-Wellenformen von 1,2/50 μs auf BIL-Ebene
  • Schaltimpulstests: Anwendung von Wellenformen von 250/2500 μs auf BSL-Ebene (für Hochspannungsgeräte)
  • Leistungsfrequenz hält Tests stand: Anwendung von 50/60 Hz Spannung für eine bestimmte Dauer
  • Teilentladungstests: Überprüfung, dass Korona und Teilentladung innerhalb akzeptabler Grenzen liegen

Testverfahren und Abnahmekriterien werden in gerätespezifischen Normen definiert, die die allgemeinen Normen zur Koordination der Isolierung ergänzen.

Vor-Ort-Inbetriebnahmetests

Nach der Installation wird durch Inbetriebnahmeprüfungen die Integrität der gesamten Anlage einschließlich Anschlüssen, Abständen und Schutzvorrichtung überprüft.

  • Leistungsfrequenzprüfungen bei reduziertem Leistungsniveau standhalten
  • Isolationswiderstandsmessungen
  • Teilentladungserkennung
  • Überspannungsableiter-Referenzspannungsüberprüfung
  • Messungen des Erdungswiderstands
  • Clearance-Verifikation durch physikalische Messung

Betriebsüberwachung

Moderne Umspannwerke verfügen zunehmend über Überwachungssysteme, die den Isolationszustand und Überspannungsereignisse während des Betriebs verfolgen und wertvolle Daten liefern für:

  • Überprüfung, ob die tatsächlichen Überspannungen den Auslegungsannahmen entsprechen
  • Früherkennung des Isolationsabbaus
  • Zählung des Bremssystems und Nachverfolgung der Energieaufnahme
  • Teilentladungen in kritischen Geräten
  • Blitzschlagerkennung und -charakterisierung

Um den Grad der Isolierung und Geräteisolierung, die als Leitfaden für die Zukunft konzipiert sind, umfassend bewerten zu können, sind Messungen und Untersuchungen des realen Überspannungsüberschusses unerlässlich. Bisher gab es nur wenige Studien zu den tatsächlich gemessenen Überspannungswellenformen in Umspannwerken. Feldmessungen liefern wertvolle Rückmeldungen für die Verbesserung zukünftiger Designs und die Validierung von Simulationsmodellen.

Wirtschaftliche Überlegungen

Die Koordination der Isolierung erfordert einen Ausgleich der technischen Anforderungen mit wirtschaftlichen Zwängen. Die Isolationskosten sind sehr hoch, so dass die Isolierung des Systems und der Geräte, um jeder auftretenden Spannung standzuhalten, nicht wirtschaftlich ist. Es ist auch nicht praktikabel, für stationäre Spannungen zu isolieren und alle Ausfälle zu akzeptieren, die von Überspannungen herrühren. Es ist sinnvoll, ein Gleichgewicht zwischen den Kosten für Isolation und Schutzvorrichtungen zu suchen.

Lebenszykluskostenanalyse

Eine effektive Isolationskoordination erfordert eine Lebenszykluskostenanalyse, die Folgendes berücksichtigt:

  • Anfangskapitalkosten: Ausrüstung, Ableiter, Strukturen und Land für Räumungen
  • Betriebskosten: Wartung, Test und Überwachung
  • Ausfallkosten: Geräteaustausch, Ausfallkosten und Folgeschäden
  • Zuverlässigkeitswert: Kundenunterbrechungskosten und Systemzuverlässigkeitsanforderungen

Höhere Isolationsgrade und umfassenderer Schutz erhöhen die Anschaffungskosten, verringern aber die Wahrscheinlichkeit und die Folgen von Ausfällen. Das optimale Design minimiert die Gesamtlebenszykluskosten bei gleichzeitiger Erfüllung der Zuverlässigkeitsanforderungen.

Risikobasierte Ansätze

Es gibt keine Normen, die Studien erfordern, Studien sind Maßnahmen zur Risikominderung, die nicht durch Normen vorgeschrieben sind, sondern vom Eigentümer als Teil des Risikomanagements gewählt werden können.

Risikobasierte Koordinierung berücksichtigt:

  • Wahrscheinlichkeit unterschiedlicher Überspannungsereignisse
  • Folgen von Isolationsversagen an verschiedenen Standorten
  • Kritizität verschiedener Unterstationen für den Systembetrieb
  • Verfügbarkeit und Kosten von redundanten Geräten oder Schaltungen
  • Regulierungsanforderungen und Leistungsstandards

Kritische Umspannstationen, die große Lastzentren bedienen oder wichtige Übertragungsverbindungen bereitstellen, können höhere Schutzniveaus rechtfertigen als weniger kritische Anlagen.

Fortgeschrittene Simulationswerkzeuge

Elektromagnetische transiente Simulationswerkzeuge entwickeln sich weiter und bieten verbesserte Genauigkeit und Leistungsfähigkeit. Moderne Softwarepakete können folgende Modelle erstellen:

  • Frequenzabhängige Übertragungsleitungsparameter
  • Detaillierte Ableitereigenschaften einschließlich thermischer Effekte
  • Corona-Effekte auf Wanderwellen
  • Komplexes Erdungsverhalten
  • Statistische Analyse von Schaltvorgängen

Diese Fähigkeiten ermöglichen eine genauere Vorhersage von Überspannungen und die Optimierung von Schutzsystemen.

Integration intelligenter Netze

Smart-Grid-Technologien verändern die Funktionsweise von Umspannwerken und führen neue Überlegungen zur Koordination der Isolierung ein:

  • Erhöhte Schaltfrequenz durch Integration erneuerbarer Energien
  • Bidirektionale Stromflüsse schaffen neue Überspannungsszenarien
  • Leistungselektronische Wandler mit harmonischen und hochfrequenten Komponenten
  • Echtzeit-Überwachung ermöglicht adaptive Schutzstrategien
  • Verteilte Energieressourcen, die die Erdung des Systems und das Fehlerverhalten beeinflussen

Diese Änderungen können eine Neubewertung der traditionellen Isolationskoordinationsansätze und die Entwicklung neuer Schutzstrategien erfordern.

Fortgeschrittene Materialien

Neue Isolationsmaterialien und -technologien bieten potenzielle Verbesserungen bei Leistung und Kosten:

  • Verbundisolatoren mit verbesserter Verschmutzungsleistung
  • Fortschrittliche Metalloxidformulierungen für Überspannungsableiter
  • Vakuum und feste Isolierung für kompakte Geräte
  • Selbstheilende Isolationssysteme
  • Nanotechnologie-verbesserte Dielektrika

Diese Materialien können kompaktere Konstruktionen, eine verbesserte Zuverlässigkeit oder reduzierte Wartungsanforderungen ermöglichen.

Klimaanpassung

Der Klimawandel beeinflusst die Umweltbedingungen, die die Koordination der Isolierung beeinflussen:

  • Veränderungen der Blitzaktivitätsmuster und der Intensität
  • Weitere extreme Wetterereignisse, die sich auf Verschmutzung und Kontamination auswirken
  • Temperaturextreme, die sich auf die Gerätebewertungen auswirken
  • Erhöhtes Waldbrandrisiko in einigen Regionen
  • Meeresspiegelanstieg bei Küstenumspannwerken

Zukünftige Isolationskoordinationsdesigns müssen möglicherweise diese sich ändernden Bedingungen berücksichtigen und eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Extremereignissen berücksichtigen.

Best Practices und Empfehlungen

Basierend auf Branchenerfahrung und Standards sollten bei der Durchführung der Isolationskoordination mehrere bewährte Verfahren befolgt werden:

Entwurfsphase

  • Führen Sie umfassende Überspannungsstudien früh im Designprozess durch
  • Verwendung standardisierter BIL-Werte zur Sicherstellung der Verfügbarkeit und Interoperabilität der Geräte
  • Bereitstellung angemessener Schutzmargen, die Unsicherheiten und Alterung berücksichtigen
  • Sowohl deterministische als auch statistische Methoden als angemessen betrachten
  • Dokumentieren Sie alle Annahmen und Berechnungen für zukünftige Referenz
  • Abstimmung mit den Geräteherstellern auf spezielle Anforderungen
  • Plan für zukünftige Systemerweiterung und -modifikationen

Auswahl der Ausrüstung

  • Überspannungsableiter mit geeigneten MCOV- und Entladespannungsmessungen auswählen
  • Ausrüstung mit gleichbleibenden Isolationsniveaus im gesamten Unterwerk angeben
  • Berücksichtigen Sie die Umweltbedingungen bei der Auswahl von Isolatoren und Ableitern
  • Überprüfen Sie, ob alle Geräte den geltenden Normen entsprechen
  • Kompatibilität zwischen den Geräten verschiedener Hersteller sicherstellen
  • Anzugeben sind die geeigneten Prüfanforderungen in den Auftragsunterlagen

Installation und Inbetriebnahme

  • Überprüfung der Spezifikationen für die Übereinstimmung der Freigaben
  • Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Erdung aller Geräte und Strukturen
  • Referenzspannungen des Prüfableiters und Isolationswiderstand
  • Überprüfen Sie die Einstellungen des Schutzrelais auf der Grundlage der Isolationsniveaus
  • Dokument als gebaute Bedingungen für zukünftige Referenz
  • Zugbetriebs- und Instandhaltungspersonal zur Schutzphilosophie

Betrieb und Instandhaltung

  • Implementieren Sie regelmäßige Inspektions- und Testprogramme
  • Überwachung des Ableiterbetriebs und des Austauschs bei gestörtem Zustand
  • Reinigen Sie Isolatoren in verschmutzten Umgebungen
  • Überspannungsereignisse und Geräteausfälle verfolgen
  • Neubewertung der Koordination bei Systemänderungen
  • Update-Studien als Systembedingungen ändern
  • Dokumentation aller Änderungen und Testergebnisse

Schlussfolgerung

Die Isolationskoordination ist ein kritischer und komplexer Aspekt des Baus von Hochspannungsstationen, der eine systematische Analyse, sorgfältige Planung und kontinuierliche Aufmerksamkeit während der gesamten Lebensdauer der Anlage erfordert. Die Isolationskoordinationsstudien sind der Prozess zur Bestimmung der Isolationsfestigkeit von Geräten in Bezug auf die Betriebsspannung und die vorübergehende Überspannung oder es ist der Prozess zur Überprüfung, ob das gewählte Isolationsniveau der Geräte für den sicheren Betrieb unter vorübergehender Überspannung, die durch das Schalten und den Blitz verursacht wird, ausreicht. Der Hauptzweck der Isolationskoordinationsstudien besteht darin, die Anzahl der Ausfälle, die Kosten für Konstruktion, Installation und Betrieb zu reduzieren.

Erfolgreiche Koordination der Isolierung erfordert das Verständnis der verschiedenen Arten von Überspannungen, die auftreten können, die Eigenschaften der verschiedenen Isolationsmaterialien und -konfigurationen, die Fähigkeiten und Grenzen der Schutzvorrichtungen und die wirtschaftlichen Kompromisse, die mit unterschiedlichen Designentscheidungen verbunden sind.

Das Gebiet entwickelt sich weiter mit Fortschritten bei Simulationswerkzeugen, Überwachungstechnologien, Schutzvorrichtungen und Isolationsmaterialien. Klimawandel, Integration erneuerbarer Energien und intelligente Netztechnologien stellen neue Herausforderungen dar, die eine Anpassung traditioneller Ansätze erfordern. Durch die Einhaltung bewährter Verfahren, die Gleichgültigkeit mit technologischen Entwicklungen und das Lernen aus Betriebserfahrungen können Ingenieure Hochspannungs-Umspannwerke entwerfen, die während ihrer gesamten vorgesehenen Lebensdauer zuverlässig arbeiten.

Die richtige Isolationskoordination schützt wertvolle Geräte, gewährleistet die Zuverlässigkeit des Systems, erhöht die Sicherheit des Personals und optimiert die wirtschaftliche Leistung der elektrischen Infrastruktur. Da die Stromversorgungssysteme für die moderne Gesellschaft immer komplexer und wichtiger werden, wird die Rolle einer effektiven Isolationskoordination für die Aufrechterhaltung eines sicheren und zuverlässigen elektrischen Dienstes immer wichtiger.

Zusätzliche Mittel

Für Ingenieure, die ihr Wissen über die Koordination der Isolierung vertiefen möchten, stehen zahlreiche Ressourcen zur Verfügung. Die International Electrotechnical Commission (IEC) und Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) veröffentlichen die grundlegenden Standards und Anwendungsleitfäden. CIGRE (International Council on Large Electric Systems) stellt technische Broschüren und Berichte von Arbeitsgruppen zu fortgeschrittenen Themen zur Verfügung. Gerätehersteller bieten Anwendungsleitfäden und technische Unterstützung für ihre Produkte. Professionelle Entwicklungskurse und Konferenzen bieten die Möglichkeit, von erfahrenen Praktikern zu lernen und mit den Entwicklungen in der Industrie auf dem Laufenden zu bleiben.

Universitätsprogramme in der Energiesystemtechnik bieten grundlegende Ausbildung, während spezialisierte Schulungen spezifische Aspekte der Isolationskoordination behandeln. Online-Ressourcen, einschließlich technischer Artikel, Webinare und Diskussionsforen, bieten zugängliche Informationen über aktuelle Praktiken und aufkommende Probleme. Durch die Nutzung dieser Ressourcen und die Aufrechterhaltung eines Engagements für kontinuierliches Lernen können Stromsystemingenieure das Fachwissen entwickeln und pflegen, das für eine effektive Isolationskoordination bei der Konstruktion von Hochspannungs-Umspannwerken erforderlich ist.