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Il coordinamento dell'isolamento è una disciplina ingegneristica fondamentale nel design di sottostazione ad alta tensione che assicura che le apparecchiature elettriche possano resistere alle varie sollecitazioni elettriche incontrate durante il normale funzionamento e le condizioni anormali. Questo processo sistematico comporta la selezione di adeguati livelli di isolamento per le attrezzature, l'attuazione di misure protettive e la creazione di un quadro coordinato che bilancia la sicurezza, l'affidabilità e le considerazioni economiche.

Che cosa è il coordinamento dell'isolamento?

Il coordinamento dell'isolamento è "La selezione della resistenza all'isolamento" ed è una serie di passi utilizzati per selezionare la forza dielettrica delle apparecchiature in relazione alle tensioni operative e alle sovratensioni transitorie che possono apparire sul sistema per cui l'apparecchiatura è destinata.

L'obiettivo primario del coordinamento dell'isolamento è quello di stabilire un margine di protezione tra le sollecitazioni elettriche che l'apparecchiatura sperimenterà e la sua capacità di resistere a tali sollecitazioni senza insuccesso. Ciò richiede un equilibrio strategico tra la resistenza all'isolamento dei componenti del sistema e la strategia di protezione contro l'onda, garantendo affidabilità senza eccessivo sovraprogetto.

In questo modo, non sarebbe ragionevole isolare solo la tensione di esercizio e permettere a tutti i transienti di innescare un fallimento dell'isolamento. Allo stesso modo, sembra altrettanto irragionevole isolare per tutti gli eventi transitori, anche se ciò fosse possibile. Una soluzione intermedia che richiede un investimento ragionevole nell'isolamento e nelle attrezzature protettive è quindi il compromesso più spesso assunto.

Standard internazionali che governano il coordinamento dell'isolamento

Le pratiche di coordinamento dell'isolamento sono disciplinate da standard internazionali completi che forniscono strutture per specificare i livelli di isolamento e le misure di protezione. È regolato da standard internazionali come IEC 60071-1, IEEE C62.82.1 e le guide di accompagnamento per la progettazione di isolamento specifico dell'attrezzatura.

Serie IEC 60071

Lo standard IEC per il livello di isolamento di base è definito principalmente nell'IEC 60071, intitolato "Coordinamento isolamento – Parte 1: Definizioni, principi e regole".Questo standard fornisce la base per la scelta dei livelli di isolamento nei sistemi di alimentazione elettrica. La serie IEC 60071 è costituita da più parti che affrontano diversi aspetti del coordinamento dell'isolamento:

  • IEC 60071-1:[] Fornisce definizioni, principi e regole fondamentali per il coordinamento dell'isolamento
  • IEC 60071-2:[ Offre linee guida per l'applicazione dei principi di coordinamento
  • IEC 60071-4:[] Presenta guide computazionali per il coordinamento dell'isolamento e la modellazione delle reti elettriche

Gli standard IEC che descrivono metodi e definizioni di coordinamento dell'isolamento sono IEC60071-1, 60071-2 e 60071-4. Questi standard lavorano insieme per fornire un quadro completo che copra principi teorici, applicazione pratica e metodi computazionali.

Standard IEEE

L'Istituto degli ingegneri elettrici ed elettronici (IEEE) ha sviluppato standard paralleli ampiamente utilizzati, in particolare in Nord America. BIL è formalmente definito sia in IEC 60071-1 (Coordinamento isolamento – Definizioni, principi e regole) sia in IEEE C62.82.1 (Standard for Insulation Coordination – Definizioni, Principi e Regole) che in questi standard forniscono strutture simili alle norme IEC ma possono avere variazioni specifiche.

Il livello di isolamento standard delle apparecchiature, delle procedure e delle linee guida per gli studi IC è presentato negli standard IEEE/IEC/CIGRE. La convergenza di questi standard internazionali contribuisce a garantire la coerenza nella progettazione e nella sperimentazione di attrezzature in diverse regioni e produttori.

Comprensione di sovratensioni nei sistemi ad alta tensione

Le sovratensioni sono le principali sollecitazioni elettriche che il coordinamento dell'isolamento deve affrontare. Le sovratensioni transitorie sono tipiche dei sistemi di alimentazione. Le fonti di sovratensioni sono scioperi di fulmini diretti o vicini, operazioni di commutazione, impulsi elettromagnetici e scarichi elettrostatici. Capire i diversi tipi di sovratensioni, le loro caratteristiche e i loro impatti potenziali è essenziale per un efficace coordinamento dell'isolamento.

Classificazione delle sovratensioni

Le sovratensioni possono essere classificate in base alla loro origine, durata e caratteristiche. Le due categorie principali sono sovratensioni temporanee e sovratensioni transitorie.

Sovratensioni temporanee (TOV)

Sovratensione temporanea (TOV): una sovratensione di frequenza di potenza di durata relativamente lunga, tipicamente causata da un difetto o un rifiuto di carico. Queste sovratensioni si verificano alla frequenza di alimentazione del sistema (50 Hz o 60 Hz) e possono persistere per secondi o addirittura minuti.

Le sovratensioni temporanee sono particolarmente importanti perché la loro durata estesa può sollecitare l'isolamento e i dispositivi protettivi delle apparecchiature. La magnitudine di TOV è spesso caratterizzata dal fattore Terra-Fault, che si riferisce alla tensione di fase-terra durante un guasto alla tensione di funzionamento normale.

Sovratensioni transitorie

Le sovratensioni temporanee si riferiscono a sovratensioni di frequenza di potenza con una lunga durata, mentre le sovratensioni transitorie durano per breve tempo, solo pochi mS, anche il livello di uS, che possono essere onde oscillazioni altamente smorzate o onde non oscillanti. Le sovratensioni transitorie includono diverse onde di sottocategoria basate sulle loro origini.

Sovratensioni fulmine (overvoltagese a ghisa)

Le sovratensioni fulmine rappresentano alcune delle sollecitazioni elettriche più severe che le apparecchiature di sottostazione devono sopportare.Il fulmine è casuale e c'è sempre la possibilità che uno sciopero fulmine, bypassando lo scudo della sottostazione, colpisca i circuiti protetti in o vicino alla sottostazione. Queste sovratensioni sono caratterizzate da tempi di salita estremamente rapidi e alte tensioni di picco.

L'impulso standard è un'onda da 1,2/50 μs (T1/T2 μs), con una cresta specificata in kilovolt. Ciò significa che l'impulso di tensione aumenta da zero a cresta valore in 1,2 μs e declina a 1⁄2 cresta valore in 50 μs. Il tempo di aumento e la durata di questa onda replicano un'onda di fulmine.

Nel caso di sostazioni isolate dall'aria, se il fulmine colpisce queste linee all'interno della durata di una o due torri dalla sottostazione, un'impennata probabilmente entra nella stazione lungo i conduttori. Anche le linee di trasmissione ben schermate possono consentire un rapido aumento per entrare in una stazione vicina se c'è un backflash al conduttore durante un'onda di commutazione o di fulmine.

Sovratensioni di commutazione (Slow-Front Overvoltages)

Le sovratensioni commutatrici si verificano durante le normali e anormali operazioni di commutazione nel sistema di alimentazione. Le sovratensioni di commutazione possono verificarsi durante il funzionamento dell'interruttore di interruttore e dell'apertura di linea (tripping) e chiusura alla stessa sottostazione. In generale, gli interventi di commutazione si verificano nelle vicinanze di apparecchiature isolanti non auto-recuperanti come generatori, trasformatori, rotatori e cavi.

Le sovratensioni di commutazione sono di preoccupazione solo su sistemi di 245 kV e sopra, poiché le loro magnitudine per i sistemi sottostanti a quel livello generalmente non superano 1,5 c della tensione di sistema phase-to-ground.

BSL: Utilizzato per apparecchiature ad alta tensione (di solito ≥300 kV) dove dominano le sovratensioni di commutazione; la forma d'onda è tipicamente 250/2500 μs. Questa onde più lente riflette le caratteristiche delle operazioni di commutazione rispetto agli scioperi di fulmine.

Sovratensioni molto veloci (VFTO)

Quando i discollegatori sono utilizzati per operare autobus brevi in un GIS, può verificarsi sovratensione di frequenza molto elevata a causa di guasti multipli e estinzioni di interruttori, il cui fronte iniziale è generalmente tra 3 e 200 ns; questo è chiamato supertensione transitoria molto veloce (VFTO). Inoltre, la sua frequenza e ripida sono molto più alti di quella di sovratensione fulmine, e ossido di zinco (MOA) non può limitare questo sovratensione.

Le sovratensioni molto veloci (VFFO) provengono da operazioni di disconnessione o guasti all'interno del GIS a causa della rapida ripartizione del divario gas e della propagazione dell'onda quasi non smorzata all'interno del GIS. Le loro ampiezza sono rapidamente dimesse per lasciare il GIS, ad esempio a un'imboscata, e i loro tempi di fronte sono solitamente aumentati nella gamma di quelli di sovratensioni veloci.

Livello di isolamento di base (BIL) e Tensioni di isolamento

Il Livello di Isolamento di base (BIL) è un parametro fondamentale nel coordinamento dell'isolamento che definisce la forza elettrica dell'isolamento delle apparecchiature. Rappresenta la tensione di picco che l'isolamento può resistere senza guasto durante un test di impulso di fulmine standard, solitamente definito con una forma d'onda da 1,2/50 μs. Il rating BIL non è derivato da tensioni operative continue ma da test di resistenza agli impulsi ed è sempre significativamente superiore alla tensione di funzionamento nominale del sistema.

Comprensione delle valutazioni BIL

Lo standard IEC per il livello di isolamento di base (BIL) svolge un ruolo chiave nel design di apparecchiature ad alta tensione, garantendo che i sistemi elettrici possano resistere alle sovratensioni senza abbattere. I valori BIL sono standardizzati per le diverse classi di tensione per garantire la coerenza tra le apparecchiature di diversi produttori e per facilitare il corretto coordinamento tra attrezzature interconnesse.

Questo livello è fissato con un margine di sicurezza statistica che rappresenta tolleranze di produzione, variabilità di installazione, condizioni ambientali, e la natura inerente non-determinativa della ripartizione dell'isolamento in base allo stress di impulso.

Valori standardizzati BIL

Per garantire l'uniformità, sia IEC che IEEE definiscono valori BIL standardizzati che corrispondono a tensioni nominali di sistema. Questi valori standardizzati semplificano le specifiche e gli approvvigionamenti delle apparecchiature garantendo margini di protezione adeguati. Ad esempio, un sistema da 400 kV potrebbe avere un BIL standard di 1425 kV o 1550 kV a seconda dell'applicazione specifica e dell'esposizione a sovratensioni.

L'IEC definisce i livelli standard di isolamento basati sulla tensione del sistema, guidando gli ingegneri nella scelta dei valori di isolamento adeguati per trasformatori, interruttori, interruttori e barre di bus. Il processo di selezione deve considerare l'applicazione specifica, le condizioni ambientali e i dispositivi protettivi che saranno impiegati.

Rapporto tra BIL e Design Fisico

La distanza di compensazione è il percorso più breve attraverso l'aria tra due parti conduttive, o tra una parte conduttiva e il terreno. Per una data tensione di sistema, la clearance richiesta aumenta con maggiore BIL, in quanto l'isolamento deve resistere a tensioni transitorie di picco senza flashover.

Per esempio, sulla base dell'IEC 60071-2, la distanza minima per un BIL da 400 kV di 1425 kV è di circa 3,1-3,4 metri in condizioni atmosferiche standard. Questo valore assicura che il sistema resista alla forma d'onda d'impulso da 1,2/50 μs senza guasto.

E' determinata dalle tensioni di resistenza richieste (BIL e BSL) per evitare il flashover attraverso l'aria. Oltre allo sdoganamento, occorre anche considerare la distanza di strisciamento lungo le superfici isolanti, in particolare in ambienti contaminati.

Il ruolo degli arruolatori di chirurgia nel coordinamento dell'isolamento

Gli arresti di chirurgia sono i dispositivi di protezione primaria utilizzati per limitare le sovratensioni e proteggere l'isolamento delle apparecchiature. Il dispositivo standard per proteggere le apparecchiature nelle sostazioni contro le sovratensioni è l'arresto di sovratensione. Quando collegato da ogni conduttore di fase a terra, l'arresto di sovratensioni trasferisce le correnti di sovratensione in modo sicuro al suolo, proteggendo il sistema e le attrezzature - come trasformatori, interruttori e boccolci - isolanti - isolanti - isolanti contro le conseguenze di sovratensioni.

Principi operativi di chirurgia arrangiatori

Gli arresti di sovratensione proteggono le sostazioni di potenza limitando i fulmini e le sovratensioni di commutazione ad un livello di protezione specificato sotto la tensione di isolamento. Gli arresti di sovratensione hanno caratteristiche non lineari di tensione e di corrente, permettendo loro di avviare la conduzione a un livello di tensione specificato, tenere la tensione per la durata di sovratensione e fermare la conduzione quando la tensione ritorna a condizioni di stato costante.

Gli arresti moderni di ossidi metallici (MOSA) hanno in gran parte sostituito i vecchi disegni di carburo di silicio a causa delle loro caratteristiche di prestazioni superiori.

Criteri di selezione Arrester

La corretta selezione degli arresti di sovratensione richiede una considerazione di diversi parametri chiave. Gli arretrati possono essere specificati in una particolare classe dalla Tensione Operativa Massima Continua (MCOV). Nell'applicazione degli arresti, è fondamentale che il rating MCOV dell'arresto sia maggiore della tensione continua massima a cui l'arresto è esposto in qualsiasi momento.

Gli arresti di chirurgia sono progettati per limitare l'attrezzatura di raggiungimento della tensione. Essi devono essere valutati appena sotto il BIL per bloccare il sovratensione e proteggere il sistema. Il margine protettivo tra il livello di protezione dell'arresto e il BIL dell'apparecchiatura deve essere sufficiente per tenere conto degli effetti della distanza di separazione, della lunghezza del cavo dell'arresto e di altri fattori che possono aumentare la tensione alle apparecchiature protette.

Distanza di separazione e di collocamento dell'arrester

La posizione degli arresti di sovratensione rispetto alle apparecchiature protette è fondamentale per una protezione efficace. Per questo motivo, la posizione e la distanza tra i punti di isolamento critici nella sottostazione devono essere conosciuti prima di un corretto studio di coordinamento dell'isolamento può essere completato. La distanza di separazione tra un arresto e un'apparecchiatura protetta colpisce la tensione che appare ai terminali di apparecchiature a causa di effetti di onda in viaggio.

La formula per determinare la distanza più lontana possibile tra un arresto e il trasformatore che protegge si trova nei riferimenti sopra e in IEC 60099-5. Più alta è la tensione di sistema, più breve la distanza di separazione diventa perché il rapporto di trasformatore resistere alla tensione alla tensione di sistema è ridotto.

A causa di questi due potenziali scenari di rottura aperta, è consigliabile applicare gli arresti all'ingresso della stazione di linea per eliminare la tensione raddoppiando al rompicapo e un lampeggiamento quasi certo del suo isolamento.

Passi completi nel coordinamento dell'isolamento

Il coordinamento dell'isolamento per una sottostazione ad alta tensione comporta un approccio sistematico che affronta tutti gli aspetti della protezione da sovratensione e della selezione delle attrezzature.

Passo 1: Caratterizzazione del sistema e raccolta dati

Il primo passo nel coordinamento dell'isolamento è raccogliere informazioni complete sul sistema e sulle sue condizioni operative, che includono:

  • Livelli di tensione e configurazione del sistema
  • Progettazione del sistema di messa a terra e fattore di caduta
  • Caratteristiche e lunghezze della linea di trasmissione
  • Specifiche e posizioni delle attrezzature
  • Condizioni ambientali (altitudine, livelli di inquinamento, temperatura)
  • Livelli di attività fulmine nella regione
  • Interruttore di frequenze e tipi di funzionamento

Lo standard IEC per il livello di isolamento di base delinea diversi fattori che influenzano la selezione BIL: Altitudine di installazione: Altitudini elevate riducono la capacità di isolamento dell'aria. I fattori di degrado sono applicati sopra i 1000 metri. Livelli di inquinamento: In ambienti industriali o costieri, BIL più alto può essere richiesto per gestire la contaminazione superficiale.

Fase 2: Valutazione e classificazione di sovratensione

Il coordinamento dell'isolamento di sovratensione inizia classificando e quantificare le sovratensioni (TOV, SFO, FFO, VFFO) per definire le sollecitazioni elettriche che un sistema dovrà affrontare durante la sua vita operativa, e questa valutazione deve considerare tutte le potenziali fonti di sovratensioni e le loro caratteristiche.

Per ogni tipo di sovratensione, gli ingegneri devono determinare:

  • Valori di sovratensione rappresentativi:[ I livelli di tensione caratteristici previsti per ogni tipo di sovratensione
  • Probabilità del verificarsi:[ Come spesso ogni tipo di sovratensione è prevista
  • caratteristiche di balene:[ Rischiare il tempo, la durata e la frequenza di oscillazione
  • Contenuto energetico:[ La quantità di energia che i dispositivi protettivi devono assorbire

Lo standard considera diverse condizioni di sovratensione, tra cui gli scioperi diretti dei fulmini, i fulmini nelle vicinanze e le operazioni di commutazione, offrendo linee guida su come valutare l'isolamento del sistema e scegliere il corretto BIL per ogni classe di tensione.

Passo 3: Determinazione delle tensioni necessarie

Una volta che si stabiliscono le sovratensioni rappresentative, il passo successivo è determinare le tensioni di resistenza richieste per l'attrezzatura. Un parametro chiave nel coordinamento dell'isolamento è il margine protettivo, che è definito come la differenza tra la tensione di tenuta dell'isolamento (tipicamente BIL per gli impulsi di fulmine o BSL per le sovratensioni di commutazione) e il massimo sovratensione temporanea o transitoria che può apparire ad un dato punto del sistema.

Il calcolo della tensione di resistenza richiesta dipende dal fatto che l'apparecchiatura abbia isolamento auto-restoring o non auto-restoring:

Per l'isolamento non auto-ristorante (metodo di definizione):

Un trasformatore ha un isolamento non auto-ristorante, quindi dobbiamo usare il metodo deterministico. Fattore di coordinamento (Kc): Il trasformatore è a livello del mare e ha isolamento interno dell'olio, quindi Kc = 1.0. Fattore di sicurezza (Ks): Per la sovratensione del fulmine, un fattore di sicurezza standard è Ks = 1.25 per tenere conto dell'alta conseguenza del fallimento. La tensione di resistenza richiesta è calcolata moltiplicando il coordinamento di tensione rappresentativo di tensione è dovuta a questi fattori di sicurezza e di sicurezza.

Per l'isolamento auto-ristorante (metodo statistico):

Poiché l'isolamento lineare è auto-ricoperta, le loro prestazioni sono solitamente determinate dal metodo statistico. Questo approccio accetta una certa probabilità di flashover, generalmente espresso come flashover per 100 km all'anno per linee di trasmissione o flashover per 100 anni per apparecchiature di sottostazione.

Passo 4: Selezione dei livelli di isolamento standard

Dopo aver calcolato le tensioni di resistenza richieste, gli ingegneri selezionano livelli di isolamento standard che soddisfano o superano questi requisiti, fornendo un quadro coordinato per specificare i livelli di isolamento richiesti in base alla tensione di sistema, le magnitudine di sovratensione previste, i tempi di risposta del dispositivo protettivo e la probabilità di guasto accettabile.

È importante distinguere tra BIL, Basic Switching Impulse Level (BSL), e Continuous Operating Tension (Un): BIL: Grado di impulso nominale per i trasmettitori di fulmine (1.2/50 μs), espresso in kV (peak). Potenza-Frequency Resistere: 50/60 Hz applicato per 1 minuto; non essere confuso con BIL ma anche parte del coordinamento totale dell'isolamento.

La selezione delle attrezzature deve garantire che tutti e tre i livelli di resistenza (frequenza di potenza, impulso di commutazione e impulso di fulmine) siano adeguati per le sollecitazioni previste.

Passo 5: Chirurgia Selezione e Coordinamento Arrester

Gli arresti di sovratensione di anidride carbonica sono scelti in base ai livelli di tensione e sovratensione del sistema per deviare le sovratensioni pericolose, fungendo da linea primaria di difesa per le apparecchiature critiche.

Le considerazioni chiave nella selezione degli arresti includono:

  • Tensione di funzionamento continua:[ Deve superare la tensione di sistema continua massima
  • Capacità di sovratensione temporanea:[ Deve resistere alla durata e alla magnitudine di TOV prevista
  • Caratteristiche di tensione di scarico:[[] Deve limitare le sovratensioni sotto l'attrezzatura BIL con un margine adeguato
  • Capacità di assorbimento energetico:[] Deve gestire i fulmini attesi e le energie di sovratensione di commutazione
  • Capacità di soccorso:[ deve fallire in sicurezza in caso di sovraccarico

La loro capacità di protezione da sovratensione determina i livelli di isolamento del sistema di alimentazione. Il dovere di un arresto di sovratensione è quello di evitare di superare le capacità di sistema e di apparecchiatura. Poi, ogni volta che un'impennata cerca di superare la capacità di isolamento, l'arresto manterrà la tensione nella gamma accettabile, proteggendo costosi dispositivi elettrici.

Passo 6: Layout di sottostazione e progettazione di compensazione

La disposizione fisica della sottostazione deve fornire adeguate autorizzazioni basate sui livelli di isolamento selezionati.La compensazione è fase-arth & fase-to-pase: Entrambe le distanze devono essere calcolate e implementate per garantire la sicurezza all'interno della sottostazione.

Il design di compensazione deve essere considerato:

  • Sdoganamento a terra basato su BIL o BSL
  • Sgomberi fase-fase per le condizioni di commutazione e di guasto
  • Fattori di correzione dell'altitudine per installazioni superiori a 1000 metri
  • Sgomberi di sicurezza per l'accesso e la manutenzione del personale
  • Altalena del conduttore a causa di forze di vento e cortocircuito

Creepage: La distanza più breve lungo la superficie di un isolante. È progettato per prevenire il flashover a causa della contaminazione superficiale e dell'umidità. Dittati di livello di inquinamento Creepage: La distanza di strisciamento richiesta è altamente dipendente dal livello di inquinamento ambientale (luce, medio, pesante, o molto pesante), come definito in IEC 60815.

Passo 7: Analisi transitoria e simulazione

L'analisi dettagliata dei transienti utilizzando programmi transienti elettromagnetici (EMTP) è essenziale per verificare il coordinamento dell'isolamento. Il software Transients (principalmente Time Domain) • Esempio è programmi di transito elettronico-magnotico (EMTP) come ATP, PSCAD, EMTP-RV ecc. Questi strumenti di simulazione permettono agli ingegneri di modellare il sistema completo e valutare le sollecitazioni di sovratensione in varie condizioni operative.

Gli studi di simulazione dovrebbero includere:

  • Analisi di sovratensione fulmine:[] Colpi diretti, backflashover e scenari di schermatura guasti
  • Analisi di sovratensione:[ Energizzazione, de-energizzazione e operazioni di compensazione dei guasti
  • Analisi di sovratensione temporanea:[ Difetti di terra, rifiuto di carico e condizioni di risonanza
  • Debito di energia dell'arrester:[] Verifica che gli arresti possano gestire l'assorbimento di energia previsto
  • Verifica del margine protettivo:[ Conferma dei margini adeguati in tutte le posizioni delle attrezzature

Studio di sottostazione ad alta tensione: studi tipici includono l'analisi di una sottostazione per determinare la probabilità di lampeggianti post isolanti. Questo è generalmente misurato in flashover per cento anni. Un'altra analisi importante è determinare che l'isolamento contenuto all'interno dei trasformatori ha un margine di protezione accettabile. Poiché l'isolamento interno non è auto-rimanente un fallimento è completamente inaccettabile.

Fase 8: Documentazione e verifica

Il passo finale prevede una documentazione completa di tutte le decisioni di coordinamento e di verifica attraverso test, se del caso,.

  • Parametri e ipotesi di sistema
  • Calcoli di sovratensione e risultati di simulazione
  • Specifiche dell'attrezzatura e valutazioni BIL
  • Selezioni di arruolamento e margini di protezione
  • Calcoli di compensazione e disegni di layout
  • Requisiti di prova e criteri di accettazione

I test dielettrici verificano la capacità dell'isolamento del sistema e delle apparecchiature per resistere a varie forme di sovratensioni. I test di accettazione della fabbrica e i test di messa in cantiere dovrebbero verificare che le apparecchiature installate soddisfino i livelli di isolamento specificati e che i dispositivi protettivi funzionino come progettato.

Considerazioni speciali per diversi tipi di sottostazione

Diversi tipi di sottostazioni presentano sfide uniche per il coordinamento dell'isolamento, che devono essere adattate alle caratteristiche specifiche e ai vincoli di ogni tipo di sottostazione.

Sostazioni isolate dall'aria (AIS)

Gli studi di coordinamento di sovratensione e isolamento sono molto importanti per il modo economico di progettare il livello di isolamento delle apparecchiature nella sottostazione isolata ad aria HV (AIS), sottostazioni isolate a gas (GIS), e sistemi di trasmissione.

Tra le considerazioni chiave per AIS:

  • Grandi sgomberi fisici necessari per livelli di alta tensione
  • Effetti ambientali sull'isolamento (inquinamento, umidità, altitudine)
  • Efficienza schermatura fulmine e rischio di backflashover
  • Effetti di spaziatura e configurazione del conduttore su interventi di commutazione
  • Selezione degli isolatori basata sulla gravità dell'inquinamento

Le caratteristiche di isolamento esterno auto-ristorante LIWV sono testate universalmente e verificate in condizioni asciutte. La lunghezza diretta effettiva tra i terminali isolanti è il fattore più significativo nel determinare queste caratteristiche di impulso rapido. La natura auto-ristorante dell'isolamento dell'aria permette di metodi di coordinamento statistico che accettano salti occasionali sull'isolamento esterno.

Sostazioni isolate dal gas (GIS)

Le sottostazioni isolate a gas utilizzano l'esafluoruro di zolfo (SF6) come mezzo isolante, consentendo disegni molto più compatti rispetto all'AIS. Tuttavia, GIS presenta sfide uniche legate a sovratensioni transitorie molto veloci.

VFTO può minacciare la sicurezza di un GIS e delle sue attrezzature adiacenti, in particolare l'isolamento interrottivo del trasformatore, e può anche causare oscillazione ad alta frequenza nel trasformatore. L'incidente di un VFTO che danneggia un grande trasformatore è avvenuto nel sistema 500 kV della Cina, dimostra l'importanza critica della corretta analisi VFTO nel design GIS.

L'esperienza dimostra che le sovratensioni molto veloci non hanno alcuna influenza sulla selezione di tensioni di resistenza nominale fino a tensioni di sistema di 800 kV. Particolare attenzione deve essere presa per transienti molto veloci in GIS di sistemi UHV. A causa del rapporto decrescente di fulmine di impulso resistere alla tensione di sistema, VFFO può diventare la limitazione di stress dielettrico che definisce le dimensioni di GIS.

Il coordinamento dell'isolamento GIS deve affrontare:

  • Generazione VFTO durante le operazioni di disconnessione
  • Protezione dei trasformatori collegati da VFTO
  • Progettazione interna di isolamento per la pressione del gas SF6 e variazioni di temperatura
  • Effetti di contaminazione delle particelle sulla resistenza all'isolamento
  • Interfaccia con apparecchiature isolate dall'aria (bushing, terminazioni via cavo)

Sostazioni ibride

Molte sottostazioni moderne combinano sia sezioni isolate e isolate a gas, creando configurazioni ibride, che richiedono un attento coordinamento nell'interfaccia tra le due tecnologie per garantire che le sovratensioni siano adeguatamente controllate mentre si muovono tra diversi supporti isolanti.

Il coordinamento della sottostazione ibrida deve considerare:

  • Discontinuità di impedenza nelle interfacce AIS-GIS
  • Chiuda il posizionamento dell'arresto per proteggere entrambe le sezioni
  • VFTO propagazione da GIS in sezioni AIS
  • Integrazione del sistema di messa a terra tra sezioni
  • Caratteristiche differenti dell'isolamento di ogni sezione

Argomenti avanzati nel coordinamento dell'isolamento

Coordinamento della linea di trasmissione

Il coordinamento dell'isolamento della linea di trasmissione è separato anche in due categorie: fulmini e commutazione. I metodi di valutazione delle prestazioni si basano su fulmini attesi e sovratensioni di commutazione e i relativi livelli di isolamento.

La somma della velocità di flashover posteriore (BFR) e la velocità di schermatura (SFR) determinano la velocità di flashover (FOR), espressa in flashover/100km/anno. La velocità di flashover posteriore è la causa più significativa di interruzioni sulle linee di trasmissione. Mentre l'onda di fast-rising associata a un backflash raramente lo rende alla sottostazione a causa di effetti corona, la corrente di guasto risultante e l'operazione di rottura è sentito sopra l'intero sistema.

Se la tensione prodotta da uno sciopero ai conduttori di fase supera la linea CFO (tensione di flashover critico), si verifica il flashover.

Il flashover posteriore è il numero di fulmini che terminano su torri o fili di scudo e risultano in flashover isolante L'impulso corrente solleva la tensione della torre, a sua volta questo genera una tensione attraverso l'isolamento della linea. Se la tensione attraverso gli isolatori di linea supera la resistenza di isolamento, un flashover posteriore può essere previsto dalla torre sul conduttore di fase.

Sistemi di tensione ultra-alta (UHV)

I sistemi di tensione ultra-alti (di solito 800 kV e sopra) presentano sfide uniche per il coordinamento dell'isolamento. L'overvoltage è il fattore decisivo nella progettazione delle linee di trasmissione UHV. Rispetto ad una linea 500 kV, una linea di trasmissione UHV ha una capacità distribuita più grande e una minore impedenza d'onda, nonché un rapporto relativamente più piccolo di capacità di cortocircuito del sistema rispetto alla potenza naturale della linea (cio, cioè, la capacità di sistema è relativamente piccola, le linee di impedenza di sistema relativamente di kV.

Per i sistemi UHV, la commutazione di sovratensioni diventa spesso il fattore dominante nella determinazione dei livelli di isolamento piuttosto che delle sovratensioni fulminee. Ciò richiede un ampio uso di misure di controllo dell'onda di commutazione come resistenze pre-inserzione negli interruttori di circuito, sistemi di commutazione controllati e arresti di sovratensione strategicamente posizionati.

Progettazione di sistemi di messa a terra

Il sistema di messa a terra substation svolge un ruolo cruciale nel coordinamento dell'isolamento fornendo un percorso di bassa impedenza per le correnti di sovratensione e stabilendo un potenziale di riferimento per l'intera installazione.

  • Riduce l'aumento potenziale di terra durante le condizioni di sbalzo di guasto e di fulmine
  • Assicura un funzionamento efficace degli arresti di sovratensione
  • Minimizza le potenzialità di passaggio e di contatto per la sicurezza del personale
  • Fornisce un riferimento stabile per i sistemi di controllo e protezione
  • Riduce l'interferenza elettromagnetica

L'impedenza del sistema di messa a terra ad alte frequenze (rilevante per le operazioni di fulmine) può essere significativamente diversa dalla resistenza della frequenza di potenza.

Fattori ambientali

Le condizioni ambientali influiscono significativamente sulle prestazioni di isolamento e devono essere accuratamente considerate negli studi di coordinamento. L'altitudine influisce sulla densità dell'aria e quindi sulla resistenza dielettrica dell'isolamento dell'aria. L'inquinamento da fonti industriali, lo spray al sale nelle zone costiere, o le attività agricole possono ridurre la tensione di lampeggiamento dell'isolamento esterno.

Le variazioni di temperatura e umidità influiscono sia sulla generazione di sovratensioni (tramite le variazioni del carico del sistema e dei modelli di commutazione) che sulla capacità di isolamento.

Le considerazioni sul cambiamento climatico stanno diventando sempre più importanti, poiché i cambiamenti dei modelli meteorologici possono influenzare l'attività dei fulmini, il trasporto di inquinamento e gli eventi meteorologici estremi che influiscono sulle prestazioni di isolamento.

Sfide e soluzioni comuni

Margine protettive adeguate

Uno dei problemi più comuni nel coordinamento dell'isolamento è il margine di protezione insufficiente tra tensioni di scarico e apparecchiature di arresto BIL.

  • Distanza di separazione eccessiva tra gli arrestatori e le attrezzature protette
  • Valutazioni degli arresti inadeguati per le sovratensioni previste
  • Inadempimento di tutte le fonti di sovratensione
  • Modifiche della configurazione del sistema dopo il design iniziale

I nuovi progetti extra ad alta tensione producono in modo significativo le influenze di sovratensione se gli interruttori di circuito operano in una condizione di guasto. Il coordinamento dell'isolamento secondo gli standard IEC 60071 non è sufficiente, e dovrebbero essere richiesti più arresti di sovratensione.

Le soluzioni includono:

  • Installazione di ulteriori arresti più vicino alle apparecchiature critiche
  • Aggiornamento agli arresti con tensioni di scarico inferiori
  • Aumentare le attrezzature rating BIL dove giustificato economicamente
  • Attivazione di commutazione controllata per ridurre le magnitudine di interruttore

Durata di sovratensione temporanea

Le sovratensioni temporanee possono persistere per lunghi periodi, potenzialmente superiori alla capacità di arrestare gli interventi di sovratensione o di isolamento delle apparecchiature di stress. La durata del TOV dipende dai sistemi di protezione e dal tempo necessario per eliminare i difetti o ripristinare le normali condizioni operative.

Le strategie di migrazione includono:

  • Rapido sgombero dei guasti attraverso sistemi di protezione ad alta velocità
  • Responsabili di messa a terra neutri o reattori per limitare la magnitudine di TOV
  • Arrester con una maggiore capacità di sovratensione temporanea
  • Procedure operative del sistema per minimizzare l'esposizione di TOV
  • Schedding automatico del carico o schemi di rifiuto di generazione

Coordinamento alle interfacce di sistema

Le interfacce tra sistemi con livelli di tensione diversi o filosofie di coordinamento dell'isolamento possono creare sfide di coordinamento. I trasformatori, in particolare, devono essere protetti considerando le sovratensioni che possono apparire sia sui lati ad alta tensione che su quelli a bassa tensione.

Un coordinamento efficace alle interfacce richiede:

  • Arresters su entrambi i lati dei trasformatori con valutazioni appropriate
  • Considerazione delle sovratensioni trasferite attraverso la capacità del trasformatore
  • Coordinamento tra protezione del sistema di trasmissione e distribuzione
  • Analisi delle condizioni di risonanza che possono amplificare le sovratensioni

Infrastrutture di invecchiamento

Come età delle sottostazioni, la resistenza all'isolamento può degradarsi a causa dell'esposizione ambientale, dello stress elettrico e dell'usura meccanica.

La gestione delle infrastrutture di invecchiamento richiede:

  • Controllo regolare dell'isolamento e valutazione delle condizioni
  • Monitoraggio delle condizioni di arresto e sostituzione quando degradato
  • Pulizia degli isolatori in ambienti inquinati
  • Miglioramento dei sistemi di protezione come la tecnologia migliora
  • Rivalutazione del coordinamento quando l'attrezzatura viene sostituita o modificata

Metodi di prova e verifica

I test completi sono essenziali per verificare che vengano soddisfatti gli obiettivi di progettazione del coordinamento dell'isolamento, mentre la prova avviene in più fasi dalla produzione di apparecchiature attraverso l'installazione e la messa in servizio.

Test di accettazione della fabbrica

I produttori di apparecchiature effettuano test standardizzati per verificare che i prodotti soddisfino i livelli di isolamento specificati. BIL viene testato utilizzando forme d'onda d'impulso standardizzate generate in un laboratorio ad alta tensione.

  • Test di impulso di illuminazione:[ Applicazione delle forme d'onda standard 1.2/50 μs a livello BIL
  • Switching impulso test:[ Applicazione di forme d'onda da 250/2500 μs a livello BSL (per apparecchiature ad alta tensione)
  • Test di resistenza della frequenza della potenza:[ Applicazione della tensione di 50/60 Hz per durata specificata
  • Test di scarico parziale:[ Verificare che la corona e la scarica parziale siano entro limiti accettabili

Le procedure di prova e i criteri di accettazione sono definiti in standard specifici per le attrezzature che completano gli standard generali di coordinamento dell'isolamento.

Test di Commissioning on-Site

Dopo l'installazione, i test di messa in servizio verificano l'integrità dell'installazione completa, inclusi collegamenti, sdoganamento e funzionamento del dispositivo di protezione.

  • Test di resistenza alla frequenza di potenza a livelli ridotti
  • Misurazioni di resistenza all'isolamento
  • Rilevamento parziale della scarica
  • Chiuda la verifica della tensione di riferimento dell'arresto
  • Misurazioni di resistenza del sistema di messa a terra
  • Verifica della liquidità tramite misura fisica

Monitoraggio del servizio

Le moderne sottostazioni incorporano sempre più sistemi di monitoraggio che tracciano la condizione di isolamento e gli eventi di sovratensione durante il funzionamento, fornendo dati preziosi per:

  • Verifica che le sovratensioni effettive corrispondano alle ipotesi di progettazione
  • Rilevamento precoce del degrado dell'isolamento
  • Contabilità dell'operazione Arrester e monitoraggio dell'assorbimento dell'energia
  • Tendenza di scarico parziale in attrezzature critiche
  • Rilevamento e caratterizzazione dello sciopero fulmine

Per valutare in modo completo il livello di isolamento e l'isolamento delle apparecchiature, concepito come una guida per il futuro, è essenziale misurare e studiare la vera sovratensione. Finora, ci sono stati pochi studi sulle forme d'onda di sovratensione misurate reali nelle sottostazioni. Le misurazioni del campo forniscono un prezioso feedback per migliorare i progetti futuri e convalidare i modelli di simulazione.

Considerazioni economiche

Il coordinamento dell'isolamento comporta il bilanciamento dei requisiti tecnici con vincoli economici. I costi di isolamento sono molto elevati, quindi l'isolamento del sistema e delle attrezzature per resistere a qualsiasi tensione che possa apparire non è economicamente fattibile.

Analisi dei costi del ciclo vitale

Un coordinamento efficace dell'isolamento richiede un'analisi dei costi del ciclo di vita che considera:

  • Costi di capitale iniziale:[ Attrezzature, arresti, strutture e terreni per le autorizzazioni
  • Costi operativi:[] Manutenzione, test e monitoraggio
  • Costi di sicurezza:[ Sostituzione di attrezzature, costi di estrazione e danni conseguenti
  • Valore di affidabilità:[ I costi di interruzione del cliente e i requisiti di affidabilità del sistema

I livelli di isolamento più elevati e la protezione più completa aumentano i costi iniziali, ma riducono le probabilità e le conseguenze dei guasti. Il design ottimale riduce al minimo i costi totali del ciclo di vita, soddisfando i requisiti di affidabilità.

Approcci basati sul rischio

Gli studi sono azioni di riduzione del rischio, non previste dagli standard, ma sono invece l'opzione del proprietario nell'ambito della gestione del rischio, che consente alle utility di adattare il loro approccio di coordinamento dell'isolamento basato su specifiche tolleranze di rischio e vincoli economici.

Il coordinamento basato sui rischi considera:

  • Probabilità di diversi eventi di sovratensione
  • Conseguenze di guasto dell'isolamento in diverse posizioni
  • Critica delle diverse sottostazioni al funzionamento del sistema
  • Disponibilità e costo di attrezzature o circuiti ridondanti
  • Requisiti normativi e standard di prestazioni

Le sottostazioni critiche che servono grandi centri di carico o che forniscono interconnessioni chiave di trasmissione possono giustificare livelli di protezione più elevati rispetto alle installazioni meno critiche.

Tendenze e tecnologie emergenti

Strumenti di simulazione avanzata

Gli strumenti di simulazione transient elettromagnetici continuano ad evolversi, offrendo una maggiore precisione e funzionalità.

  • Parametri della linea di trasmissione dipendente dalla frequenza
  • Caratteristiche di arresto dettagliato, compresi gli effetti termici
  • Effetti Corona sulle onde di viaggio
  • Comportamento complesso del sistema di messa a terra
  • Analisi statistica delle operazioni di commutazione

Queste capacità consentono una predizione più accurata delle sovratensioni e dell'ottimizzazione dei sistemi di protezione.

Integrazione intelligente della griglia

Le tecnologie della rete intelligente stanno cambiando il modo in cui le sottostazioni funzionano e introducono nuove considerazioni per il coordinamento dell'isolamento:

  • Frequenza di commutazione aumentata grazie all'integrazione energetica rinnovabile
  • Flussi di potenza bidirezionali creando nuovi scenari di sovratensione
  • Convertitori elettronici di potenza che introduce componenti armonici e ad alta frequenza
  • Monitoraggio in tempo reale che consente strategie di protezione adattativa
  • Risorse energetiche distribuite che influenzano il sistema di messa a terra e il comportamento di guasto

Tali modifiche possono richiedere il riesame degli approcci tradizionali di coordinamento dell'isolamento e lo sviluppo di nuove strategie di protezione.

Materiali avanzati

Nuovi materiali e tecnologie di isolamento offrono potenziali miglioramenti nelle prestazioni e nei costi:

  • Insulatori compositi con migliori prestazioni di inquinamento
  • Produzioni avanzate di ossido di metallo per gli arresti di sovratensione
  • Aspirapolvere e isolamento solido per apparecchiature compatte
  • Sistemi di isolamento auto-guarigione
  • Dielettriche a nanotecnologia

Questi materiali possono consentire disegni più compatti, una maggiore affidabilità o requisiti di manutenzione ridotti.

Adeguamento climatico

Il cambiamento climatico sta influenzando le condizioni ambientali che influenzano il coordinamento dell'isolamento:

  • Cambiamenti di modelli di attività fulmini e intensità
  • Eventi meteorologici più estremi che influenzano l'inquinamento e la contaminazione
  • Temperatura estrema impatto attrezzature valutazioni
  • Aumento del rischio di incendio in alcune regioni
  • Rialzo del livello del mare che colpisce le sostazioni costiere

I futuri progetti di coordinamento dell'isolamento possono essere necessari per tener conto di queste condizioni di cambiamento e incorporare una maggiore resilienza agli eventi estremi.

Migliori Pratiche e Raccomandazioni

Basato sull'esperienza e sugli standard del settore, diverse migliori pratiche dovrebbero essere seguite durante l'esecuzione del coordinamento dell'isolamento:

Fase di progettazione

  • Condurre studi di sovratensione completi all'inizio del processo di progettazione
  • Utilizzare valori standardizzati BIL per garantire la disponibilità e l'interoperabilità delle attrezzature
  • Fornire margini protettivi adeguati per la contabilizzazione delle incertezze e dell'invecchiamento
  • Considerare sia metodi deterministici che statistici come opportuno
  • Documentare tutte le ipotesi e i calcoli per riferimento futuro
  • Coordinare con i produttori di attrezzature su requisiti speciali
  • Piano per future espansioni e modifiche del sistema

Selezione attrezzature

  • Selezionare gli arresti di sovratensione con i rating MCOV e tensione di scarica appropriati
  • Specificare le apparecchiature con livelli di isolamento costante in tutta la sottostazione
  • Considerare le condizioni ambientali nella selezione di isolanti e arresti
  • Verificare che tutte le attrezzature soddisfino gli standard applicabili
  • Assicurare la compatibilità tra le diverse attrezzature dei produttori
  • Specificare i requisiti di prova appropriati nei documenti di approvvigionamento

Installazione e Commissione

  • Verificare le autorizzazioni relative al design delle partite
  • Assicurare un corretto messa a terra di tutte le attrezzature e strutture
  • Tensioni di riferimento dell'arresto del test e resistenza all'isolamento
  • Verificare le impostazioni di relè protettivo coordinate con i livelli di isolamento
  • Documento come condizioni di riferimento futuro
  • Operazioni e personale di manutenzione dei treni sulla filosofia di protezione

Funzionamento e manutenzione

  • Implementare programmi di ispezione e test regolari
  • Monitorare l'operazione di arresto e sostituire quando degradato
  • Isolatori puliti in ambienti inquinati
  • Tracciare eventi di sovratensione e guasti di attrezzature
  • Rivaluta il coordinamento quando vengono apportate modifiche al sistema
  • Aggiornare gli studi come cambiamento delle condizioni di sistema
  • Mantenere la documentazione di tutti i cambiamenti e i risultati dei test

Conclusioni

Il coordinamento dell'isolamento è un aspetto critico e complesso del design di sottostazione ad alta tensione che richiede analisi sistematiche, pianificazione attenta e attenzione costante durante tutta la vita dell'installazione. Gli studi di coordinamento dell'isolamento sono il processo per determinare la resistenza dell'isolamento delle apparecchiature in relazione alla tensione di funzionamento e al sovratensione transitoria, o è il processo per verificare che il livello di isolamento selezionato dell'apparecchiatura è sufficiente per il funzionamento sicuro sotto lo scopo di sovratensione transitorio causato dagli studi di commutazione.

Il successo del coordinamento dell'isolamento richiede la comprensione dei vari tipi di sovratensioni che possono verificarsi, delle caratteristiche dei diversi materiali isolanti e delle configurazioni, delle capacità e dei limiti dei dispositivi protettivi, e dei compromessi economici coinvolti in diverse scelte di progettazione.

Il campo continua ad evolversi con i progressi negli strumenti di simulazione, nelle tecnologie di monitoraggio, nei dispositivi protettivi e nei materiali isolanti. I cambiamenti climatici, l'integrazione delle energie rinnovabili e le tecnologie della rete intelligente stanno introducendo nuove sfide che richiedono l'adattamento degli approcci tradizionali.

Il corretto coordinamento dell'isolamento protegge le attrezzature preziose, assicura l'affidabilità del sistema, migliora la sicurezza del personale e ottimizza le prestazioni economiche delle infrastrutture elettriche.

Risorse aggiuntive

Per gli ingegneri che cercano di approfondire la loro conoscenza del coordinamento dell'isolamento, sono disponibili numerose risorse. International Electrotechnical Commission (IEC) e Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) pubblicare gli standard fondamentali e le guide di applicazione. CIGRE (International Council on Large Electric Systems) fornisce opuscoli tecnici avanzati e gruppi di lavoro.

I programmi universitari nell'ingegneria dei sistemi di potenza forniscono formazione fondazionale, mentre i corsi di formazione specializzati affrontano aspetti specifici del coordinamento dell'isolamento. Le risorse online, inclusi articoli tecnici, webinar e forum di discussione, offrono informazioni accessibili sulle pratiche attuali e sulle questioni emergenti.