Как выполнить координацию изоляции в высоковольтной конструкции подстанции

Координация изоляции является фундаментальной инженерной дисциплиной в конструкции высоковольтной подстанции, которая обеспечивает, чтобы электрооборудование могло выдерживать различные электрические напряжения, возникающие во время нормальной работы и аномальных условий. Этот систематический процесс включает в себя выбор соответствующих уровней изоляции для оборудования, реализацию защитных мер и создание скоординированной основы, которая уравновешивает безопасность, надежность и экономические соображения. Координация изоляции - это процесс обеспечения того, чтобы изоляция электрооборудования могла выдерживать перенапряжения, которые могут произойти в течение срока службы системы, не превышая экономически и экономически обоснованные пределы. Понимание и надлежащее внедрение принципов координации изоляции имеет важное значение для инженеров энергосистемы, ответственных за проектирование, эксплуатацию и обслуживание высоковольтных подстанций.

Что такое изоляция координации?

Координация изоляции - это "Выбор прочности изоляции" и представляет собой серию шагов, используемых для выбора диэлектрической прочности оборудования по отношению к рабочим напряжениям и переходным перенапряжениям, которые могут появляться в системе, для которой предназначено оборудование. Этот процесс требует тщательного рассмотрения нескольких факторов, включая рабочую среду, характеристики изоляции, возможности захвата нарастания, а в некоторых случаях статистическую вероятность потенциальных всплесков.

Основная цель координации изоляции состоит в том, чтобы установить защитный запас между электрическими напряжениями, которые будет испытывать оборудование, и его способностью выдерживать эти напряжения без сбоев. Это требует стратегического баланса между прочностью изоляции компонентов системы и стратегией защиты от перенапряжения, обеспечивая надежность без чрезмерного перепроектирования. Процесс должен учитывать как предсказуемые напряжения, такие как нормальное рабочее напряжение, так и непредсказуемые события, такие как удары молнии и операции переключения.

Очевидно, что было бы неразумно изолировать только рабочее напряжение и тем самым позволить любым переходным процессам вызвать отказ изоляции. Аналогичным образом, кажется не менее неразумным изолировать все переходные события, даже если это было бы возможно. Промежуточное решение, которое требует некоторых разумных инвестиций в изоляцию и защитное оборудование, поэтому наиболее часто принимается компромисс. Эта тщательно подобранная комбинация изоляторов и арестаторов затем называется координацией изоляции.

Международные стандарты, регулирующие координацию изоляции

Практика координации изоляции регулируется всеобъемлющими международными стандартами, которые обеспечивают рамки для определения уровней изоляции и защитных мер. Она регулируется международными стандартами, такими как IEC 60071-1, IEEE C62.82.1 и сопутствующие руководства по проектированию изоляции для конкретного оборудования. Эти стандарты устанавливают согласованные методологии, которые инженеры во всем мире могут применять для обеспечения безопасной и надежной конструкции подстанции.

Серия IEC 60071

Стандарт МЭК для базового уровня изоляции в первую очередь определен в МЭК 60071, озаглавленном «Координация изоляции — Часть 1: Определения, принципы и правила». Настоящий стандарт обеспечивает основу для выбора уровней изоляции в системах электропитания. Серия МЭК 60071 состоит из нескольких частей, которые касаются различных аспектов координации изоляции:

Стандарты IEC, описывающие методы и определения координации изоляции, являются IEC60071-1, 60071-2 и 60071-4. Эти стандарты работают вместе, чтобы обеспечить всеобъемлющую основу, охватывающую теоретические принципы, практическое применение и вычислительные методы.

Стандарты IEEE

Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) разработал параллельные стандарты, которые широко используются, особенно в Северной Америке. BIL формально определен как в IEC 60071-1 (координация изоляции - определения, принципы и правила), так и в IEEE C62.82.1 (стандарт координации изоляции - определения, принципы и правила). Эти стандарты обеспечивают аналогичные рамки стандартам IEC, но могут иметь небольшие изменения в конкретных требованиях и процедурах тестирования.

Стандартный уровень изоляции оборудования, процедуры и руководящие принципы моделирования для исследований ИС представлены в стандартах IEEE/IEC/CIGRE. Сближение этих международных стандартов помогает обеспечить согласованность в проектировании и испытаниях оборудования в различных регионах и производителях.

Понимание перенапряжений в высоковольтных системах

Перенапряжения — это первичные электрические напряжения, на которые должна реагировать координация изоляции. Переходные перенапряжения типичны для энергосистем. Источниками перенапряжений являются прямые или близлежащие удары молнии, переключающие операции, электромагнитные импульсы и электростатические разряды. Понимание различных типов перенапряжений, их характеристик и их потенциальных воздействий имеет важное значение для эффективной координации изоляции.

Классификация перенапряжений

Перенапряжения можно классифицировать по их происхождению, продолжительности и характеристикам.Две основные категории — временные перенапряжения и переходные перенапряжения.

Временные перенапряжения (TOV)

Временное перенапряжение (TOV): Перенапряжение относительно большой частоты, обычно вызванное отказом от неисправности или нагрузки. Эти перенапряжения возникают на частоте мощности системы (50 Гц или 60 Гц) и могут сохраняться в течение секунд или даже минут. Временные перенапряжения обычно возникают из операций переключения или очистки от неисправностей (например, отказ от нагрузки, однофазный отказ, неисправность на заземленной или незаземленной системе) или из нелинейностей (феррорезонансные эффекты, гармоники) или обоих.

Временные перенапряжения особенно важны, поскольку их длительность может напрягать изоляцию оборудования и защитные устройства.Масштабы ТОВ часто характеризуются Земным коэффициентом разлома, который связывает напряжение фазы к земле при неисправности с нормальным рабочим напряжением.

Переходные перенапряжения

По длительности перенапряжения его можно разделить на временные перенапряжения и переходные перенапряжения.Временные перенапряжения относятся к перенапряжению частоты мощности с большой продолжительностью, в то время как переходные перенапряжения длятся короткое время, всего несколько мС, даже уровень УС, которые могут быть сильно затухшими волнами колебаний или неколебательными волнами.Переходные перенапряжения включают в себя несколько подкатегорий, основанных на их происхождении и характеристиках волнообразной формы.

Перенапряжения молнии (Fast-Front Overvoltages)

Напряжения, связанные с перенапряжением, представляют собой некоторые из самых серьезных электрических напряжений, которые должно выдерживать оборудование подстанции. Молния случайна, и всегда существует вероятность того, что удар молнии, минуя щит подстанции, попадает в защищенные цепи внутри или вблизи подстанции. Эти перенапряжения характеризуются чрезвычайно быстрым временем подъема и высокими пиковыми напряжениями.

Стандартный импульс представляет собой волнообразную форму 1,2/50 мкс (T1/T2 мкс), причем гребень указывается в киловольтах. Это означает, что импульс напряжения увеличивается с нуля до значения гребня в 1,2 мкс и снижается до значения 1⁄2 гребня в 50 мкс. Время и продолжительность этой волнообразной формы повторяют всплеск молнии. Эта стандартизированная форма волны используется для тестирования способности оборудования выдерживать перенапряжения, вызванные молнией.

В случае подстанций с воздушной изоляцией, если молния ударяет по этим линиям в пределах одной или двух башен от подстанции, всплеск, вероятно, попадет в станцию вдоль проводников. Даже хорошо экранированные линии передачи могут позволить быстрому подъему всплеска войти в соседнюю станцию, если есть обратная вспышка на проводник во время переключения или всплеска молнии. Это явление делает молниезащиту критически важным фактором даже для хорошо спроектированных подстанций.

Переключение перенапряжений (Slow-Front Overvoltages)

Переключение перенапряжений происходит при нормальных и ненормальных переключательных операциях в энергосистеме. Переключение перенапряжений может происходить при работе выключателя и открывания (отсечения) переключателя и закрытия на одной и той же подстанции. В целом переключения перенапряжений происходят в непосредственной близости от несамовозобновляющегося изоляционного оборудования, такого как генераторы, трансформаторы, выключатели и кабели. Перенапряжения, вызванные переключениями перенапряжений, вызывают беспокойство, поскольку могут повредить изоляцию или вызвать перенапряжение изоляции.

Переключающие скачки беспокоят только системы 245 кВ и выше, поскольку их величины для систем ниже этого уровня обычно не превышают 1,5 п. п. системного напряжения фаза-земля. Для систем более высокого напряжения переключение перенапряжений может стать доминирующим фактором при определении требований к изоляции.

BSL: используется для высоковольтного оборудования (обычно ≥300 кВ), где преобладают переключающие скачки; форма волны обычно составляет 250/2500 мкс. Эта более медленная волновая форма отражает характеристики операций переключения по сравнению с ударами молнии.

Очень быстрые переходные перенапряжения (VFTO)

Когда разъемы используются для работы коротких автобусов в ГИС, перенапряжение очень высокой частоты может возникать из-за множественных поломок и вымирания переключателей, начальный фронт которых обычно составляет от 3 до 200 нс; это называется очень быстрым переходным перенапряжением (VFTO).Кроме того, его частота и крутизна намного выше, чем у перенапряжения молнии, и оксидный арендатор цинка (MOA) не может ограничить это перенапряжение.

Очень быстрое перенапряжение передней части (VFFO) возникает из-за операций разъединения или неисправностей в ГИС из-за быстрого разрушения газового зазора и почти незатухающего распространения всплеска в ГИС. Их амплитуды быстро ослабевают при выходе из ГИС, например, при втулке, и их переднее время обычно увеличивается в диапазоне таковых при перенапряжении передней части. VFTO в первую очередь вызывает озабоченность в газоизолированных подстанциях и требует особого внимания при проектировании оборудования ГИС и подключенного аппарата.

Базовый уровень изоляции (BIL) и изоляция выдерживает напряжения

Базовый уровень изоляции (BIL) является фундаментальным параметром в координации изоляции, который определяет электрическую прочность изоляции оборудования. Он представляет собой пиковое напряжение, которое изоляция может выдерживать без поломки во время стандартного испытания импульса молнии, обычно определяемого с помощью формы волны 1,2/50 мкс. Рейтинг BIL не получен из непрерывных рабочих напряжений, но из импульсного выдерживания испытаний и всегда значительно выше номинального рабочего напряжения системы. Его основная цель состоит в том, чтобы обеспечить, чтобы оборудование могло переносить переходные перенапряжения без диэлектрического отказа.

Понимание рейтингов BIL

Стандарт МЭК для базового уровня изоляции (BIL) играет ключевую роль в проектировании высоковольтного оборудования. Он гарантирует, что электрические системы могут выдерживать перенапряжения без разрушения. Значения BIL стандартизированы для различных классов напряжения, чтобы обеспечить согласованность между оборудованием от разных производителей и облегчить надлежащую координацию между взаимосвязанным оборудованием.

Этот уровень устанавливается с учетом статистической маржи безопасности, которая учитывает допуски к производству, изменчивость установки, условия окружающей среды и присущий недетерминированный характер пробоя изоляции при импульсном напряжении.Маржа безопасности гарантирует, что оборудование может надежно выдерживать ожидаемые перенапряжения в течение всего срока эксплуатации.

Стандартизированные значения BIL

Для обеспечения единообразия как МЭК, так и МЭЭО определяют стандартизированные значения BIL, соответствующие номинальным напряжениям системы. Эти стандартизированные значения упрощают спецификацию оборудования и закупки при обеспечении адекватной защиты. Например, система 400 кВ может иметь стандартный BIL 1425 кВ или 1550 кВ в зависимости от конкретного применения и воздействия перенапряжений.

МЭК определяет стандартные уровни изоляции на основе системного напряжения. Эти уровни направляют инженеров в выборе надлежащих рейтингов изоляции для трансформаторов, выключателей, распределительных устройств и шин. Процесс выбора должен учитывать конкретное применение, условия окружающей среды и защитные устройства, которые будут использоваться.

Взаимосвязь между BIL и физическим дизайном

Рейтинг BIL напрямую влияет на физические размеры высоковольтного оборудования. Расстояние клиренса — кратчайший путь по воздуху между двумя проводящими частями, или между проводящей частью и землей. Для заданного напряжения системы требуемый клиренс увеличивается с более высоким BIL, так как изоляция должна выдерживать пиковые переходные напряжения без флешвера.

Например, на основе МЭК 60071-2 минимальный клиренс для 400 кВ BIL 1425 кВ составляет примерно 3,1-3,4 метра в стандартных атмосферных условиях. Это значение гарантирует, что система выдерживает импульсную форму волны 1,2/50 мкс без поломки. Эти требования к клиренсу значительно влияют на компоновку подстанции и общий след.

Расстояние между двумя проводящими частями на самом коротком расстоянии в воздухе определяется требуемыми напряжениями выдержки (BIL и BSL) для предотвращения перелива воздуха. Помимо зазора, следует также учитывать расстояние скрещивания вдоль поверхностей изолятора, особенно в загрязненных средах.

Роль арестованных за операцию в координации изоляции

Арестаторы сжатия являются основными защитными устройствами, используемыми для ограничения перенапряжений и защиты изоляции оборудования. Стандартным устройством для защиты оборудования на подстанциях от перенапряжений является спешный арестатор. При подключении от каждого фазового проводника к земле, спешный арестатор безопасно передает высокие токи скачка на землю, защищая систему и оборудование - такие как трансформаторы, выключатели и втулки - изолируя от последствий перенапряжений.

Принципы работы арестователей хирургии

Оперативные аресторы защищают силовые подстанции, ограничивая молнии и переключая перенапряжения до заданного уровня защиты ниже уровня изоляции выдерживают напряжение. Оперативные арестеры имеют нелинейные характеристики напряжения и тока, позволяющие им запускать проводимость на заданном уровне напряжения, удерживать напряжение на время перенапряжения и останавливать проводимость, когда напряжение возвращается в стационарные условия. Арестраторы поглощают или рассеивают энергию перенапряжения, а также.

Современные оксидные скачки металлов (MOSA) в значительной степени заменили старые конструкции карбида кремния из-за их превосходных эксплуатационных характеристик. Арестраторы оксидов металлов не требуют серийных зазоров и обеспечивают более последовательные уровни защиты в широком диапазоне текущих величин.

Критерии выбора Arrester

Правильный выбор усилителей напряжения требует рассмотрения нескольких ключевых параметров. Арестаторы могут быть определены в пределах определенного класса по максимальному непрерывному рабочему напряжению (MCOV). При применении арестаторов критически важно, чтобы рейтинг MCOV арестера был больше максимального непрерывного напряжения, которому подвергается арестатор в любое время. Это гарантирует, что арестатор не будет вести себя в нормальных условиях эксплуатации, оставаясь готовым защитить от перенапряжений.

Оперативные арестеры предназначены для ограничения напряжения, достигающего оборудования. Они должны быть оценены чуть ниже BIL, чтобы зажать перенапряжение и защитить систему. Защитный запас между защитным уровнем арестера и BIL оборудования должен быть достаточным для учета эффектов расстояния разделения, длины свинца арестатора и других факторов, которые могут увеличить напряжение на защищенном оборудовании.

Расстояние между Аррестером и расстоянием отделения

Местоположение срабатывающих устройств по отношению к защищенному оборудованию имеет решающее значение для эффективной защиты. По этой причине местоположение и расстояние между критическими точками изоляции на подстанции должны быть известны до завершения надлежащего исследования координации изоляции. Расстояние разделения между арестатором и защищенным оборудованием влияет на напряжение, которое появляется на терминалах оборудования из-за эффектов движущейся волны.

Формула определения максимально возможного расстояния между арендатором и защищаемым им трансформатором приведена в приведенных выше ссылках, а также в МЭК 60099-5. Чем выше напряжение системы, тем короче расстояние разделения становится, поскольку отношение трансформатора выдерживают напряжение к системному напряжению уменьшается. Это соотношение означает, что системы более высокого напряжения требуют более тщательного внимания к размещению арендатора.

Из-за этих двух потенциальных сценариев с открытым выключателем целесообразно применять на входе в линию станции арестеры для устранения удвоения напряжения на выключателе и почти определенной вспышки его изоляции. Стратегическое размещение арестаторов в нескольких местах внутри подстанции обеспечивает многоуровневую защиту и снижает риск повреждения оборудования.

Комплексные шаги по выполнению координации изоляции

Выполнение координации изоляции для высоковольтной подстанции предполагает систематический подход, который учитывает все аспекты защиты от перенапряжения и выбора оборудования.Процесс требует детального анализа, тщательного планирования и проверки с помощью моделирования и тестирования.

Шаг 1: Характеризация системы и сбор данных

Первым шагом в координации изоляции является сбор всеобъемлющей информации о системе и ее условиях эксплуатации.

Стандарт МЭК для базового уровня изоляции описывает несколько факторов, влияющих на выбор BIL: Высота установки: Высота установки: Более высокие высоты снижают способность изоляции воздуха. Уровни загрязнения применяются выше 1000 метров. В промышленных или прибрежных средах для обработки загрязнения поверхности может потребоваться более высокий BIL. Тип перенапряжения: Напряжение и переключение накала имеют разные формы волн и уровни энергии. Напряжения молнии обычно диктуют значения BIL.

Заземление системы: Твердо заземленные системы испытывают более низкие переходные напряжения по сравнению с незаземленными системами.

Шаг 2: Оценка и классификация перенапряжения

Координация изоляции начинается с классификации и количественной оценки перенапряжений (TOV, SFO, FFO, VFFO) для определения электрических напряжений, с которыми система столкнется в течение своего срока службы.

Для каждого типа перенапряжения инженеры должны определить:

Стандарт рассматривает различные условия перенапряжения, включая прямые удары молнии, близлежащие молнии и переключения операций. Он предлагает рекомендации по оценке изоляции системы и выбору правильного BIL для каждого класса напряжения. Эта комплексная оценка формирует основу для всех последующих координационных решений.

Шаг 3: Определение требуемых выдержек

После установления репрезентативных перенапряжений следующим шагом является определение требуемых напряжений выдержки для оборудования. Ключевым параметром в координации изоляции является защитный запас, который определяется как разница между напряжением выдержки изоляции (обычно BIL для импульсов молнии или BSL для переключения нарастаний) и максимальным временным или временным перенапряжением, которое может появиться в данной точке системы.

Расчет требуемого выдерживающего напряжения зависит от того, имеет ли оборудование самореставрационную или несамореставрирующую изоляцию:

Для несамореставрирующей изоляции (детерминированный метод):

Трансформатор имеет несамовозобновляющуюся изоляцию, поэтому необходимо использовать детерминированный метод. Координационный фактор (Кк): Трансформатор находится на уровне моря и имеет внутреннюю масляную изоляцию, поэтому Кк = 1,0. Фактор безопасности (Кс): Для перенапряжения молнии стандартный коэффициент безопасности составляет Кс = 1,25 для учета высокого последствие отказа. Требуемое напряжение выдержки рассчитывается путем умножения репрезентативного перенапряжения на эти коэффициенты безопасности и координации.

Для самореставрирующей изоляции (статистический метод):

Поскольку изоляция линий является самоокупаемой, их характеристики обычно определяются статистическим методом. Такой подход принимает определенную вероятность флешоверов, обычно выражающуюся в флэшверах на 100 км в год для линий электропередачи или флэшверах на 100 лет для оборудования подстанций.

Шаг 4: Выбор стандартных уровней изоляции

После расчета требуемых выдерживаемых напряжений инженеры выбирают стандартные уровни изоляции, которые соответствуют или превышают эти требования.Эти стандарты обеспечивают согласованную основу для определения требуемых уровней изоляции на основе системного напряжения, ожидаемых величин перенапряжения, времени отклика защитного устройства и приемлемой вероятности отказа.

Важно различать BIL, Basic Switching Impulse Level (BSL) и Continuous Operating Voltage (Un): BIL: Rated impulse level for lightning transients (1.2/50 мкс), Expressed in kV (peak). Power-Frequency Withstand: 50/60 Гц применяется в течение 1 минуты; не путать с BIL, но также является частью полной координации изоляции. Вместе эти уровни образуют градуированную изоляционную структуру, при этом BIL выступает в качестве верхней границы для оборудования, подверженного атмосферным перенапряжениям.

Выбор оборудования должен гарантировать, что все три уровня выдержки (частота питания, импульс переключения и импульс молнии) являются адекватными для ожидаемых напряжений. Выбранный BIL должен быть выбран из стандартизированных значений для обеспечения доступности оборудования и функциональной совместимости.

Шаг 5: Нажмите Arrester Выбор и координация

Металлооксидные скачкообразующие устройства выбираются на основе уровней напряжения и перенапряжения системы для отвода опасных скачков, выступая в качестве основной линии защиты критического оборудования.Процесс отбора скачкообразующих устройств должен обеспечивать надлежащую координацию между защитными характеристиками скачкообразующих устройств и возможностями выдерживания оборудования.

Ключевые соображения при выборе арестатора включают:

Их способность к защите от перенапряжения определяет уровни изоляции энергосистемы. Обязанность устройства для остановки перенапряжения заключается в том, чтобы не превышать возможности системы и оборудования. Затем, когда перенапряжение пытается превысить изоляционную мощность, устройство будет удерживать напряжение в приемлемом диапазоне, защищая дорогостоящие электрические устройства.

Шаг 6: Прокладка подстанции и дизайн клиренса

Физическая компоновка подстанции должна обеспечивать адекватные клиренсы на основе выбранных уровней изоляции. Клиренс - это этап-Земля & Фаза-фаза: Оба расстояния должны быть рассчитаны и реализованы для обеспечения безопасности внутри подстанции. Дизайн-торговля: Увеличение клиренсов и расстояний скрещивания повышает надежность, но также увеличивает физический размер (след) и стоимость подстанции.

Конструкция оформления должна учитывать:

Creepage: Самое короткое расстояние вдоль поверхности изолятора. Он предназначен для предотвращения флешверинга из-за загрязнения поверхности и влаги. Уровень загрязнения Диктат Creepage: Требуемое расстояние кремации сильно зависит от уровня загрязнения окружающей среды (легкий, средний, тяжелый или очень тяжелый), как определено в IEC 60815. Изоляторы должны выбираться с соответствующими расстояниями кремации для конкретных условий окружающей среды.

Шаг 7: Переходный анализ и моделирование

Детальный переходный анализ с использованием электромагнитных переходных программ (EMTP) имеет важное значение для проверки координации изоляции.Программное обеспечение переходных процессов (в основном, домен времени) • Примером являются электромагнитные переходные программы (EMTP), такие как ATP, PSCAD, EMTP-RV и т. Д. Эти инструменты моделирования позволяют инженерам моделировать всю систему и оценивать перенапряжения при различных условиях эксплуатации.

Исследования моделирования должны включать:

Исследование подстанции высокого напряжения: Типичные исследования включают анализ подстанции для определения вероятности постизоляционных вспышек. Это обычно измеряется в вспышках на сто лет. Другой важный анализ заключается в определении того, что изоляция, содержащаяся в трансформаторах, имеет приемлемый запас защиты. Поскольку внутренняя изоляция не является самовосстанавливающейся, отказ полностью неприемлем. Исследование координации изоляции подстанции представит все вероятности и пределы для всех потенциальных переходных процессов, входящих в станцию.

Шаг 8: Документация и проверка

Заключительный этап включает в себя всеобъемлющую документацию всех координационных решений и проверку путем тестирования, где это уместно.

Диэлектрические испытания проверяют способность системы и оборудования к изоляции выдерживать различные формы перенапряжений. Заводские приемочные испытания и испытания на ввод в эксплуатацию на месте должны проверять, что установленное оборудование соответствует указанным уровням изоляции и что защитные устройства функционируют в соответствии с проектированием.

Особые соображения для различных типов подстанций

Различные типы подстанций представляют собой уникальные проблемы для координации изоляции. Подход должен быть адаптирован к конкретным характеристикам и ограничениям каждого типа подстанций.

Воздушно-изолированные подстанции (AIS)

На подстанциях с воздушной изоляцией атмосферный воздух используется в качестве первичной изоляционной среды между живыми частями и землей. Исследования по перенапряжению и координации изоляции очень важны для экономичного способа проектирования уровня изоляции оборудования в подстанции с газовой изоляцией (ГИС), газоизолированных подстанциях и системах передачи.

Основные соображения, касающиеся АИС, включают:

Характеристики LIWV внешней самореставрирующей изоляции повсеместно проверяются и проверяются в сухих условиях. Фактическая прямая длина между изоляторными выводами является наиболее значимым фактором при определении этих характеристик быстрых импульсов. Самореставрирующая природа воздушной изоляции позволяет использовать статистические методы координации, которые принимают случайные вспышки на внешней изоляции.

Газоизолированные подстанции (ГИС)

На газоизолированных подстанциях в качестве теплоизоляционной среды используется газ гексафторид серы (SF6), что позволяет создавать гораздо более компактные конструкции, чем АИС. Однако ГИС представляет собой уникальные проблемы, связанные с очень быстрыми переходными перенапряжениями.

VFTO может угрожать безопасности ГИС и прилегающего к ней оборудования, особенно поперечной изоляции трансформатора, а также может вызвать высокочастотные колебания в трансформаторе. Авария VFTO, повреждающая крупный трансформатор, произошла в китайской системе 500 кВ. Это демонстрирует критическую важность правильного анализа VFTO в ГИС-проектировании.

Опыт показывает, что очень быстрые фронтальные перенапряжения не оказывают влияния на выбор номинальных выдерживающих напряжений до системных напряжений 800 кВ. Особую осторожность приходится проявлять для очень быстрых переходных процессов в ГИС УВЧ-систем. Из-за уменьшения соотношения молниеотвода выдерживающих напряжение к системному напряжению, ВФФО может стать ограничивающим диэлектрическим напряжением, определяющим размеры ГИС.

Координация изоляции ГИС должна быть направлена на:

Гибридные подстанции

Многие современные подстанции объединяют как воздухоизолированные, так и газоизолированные участки, создавая гибридные конфигурации.Эти конструкции требуют тщательной координации на интерфейсе между двумя технологиями, чтобы обеспечить надлежащее управление перенапряжениями при переходе между различными изоляционными средами.

Координация гибридных подстанций должна учитывать:

Продвинутые темы в области координации изоляции

Координация линий передачи

Координация изоляции линии передачи также разделена на две категории: молния и переключение. Методы оценки эффективности основаны на ожидаемых перенапряжениях молнии и переключения и соответствующих уровнях изоляции. Координация линии отличается от координации подстанции прежде всего принятием событий вспышки.

Сумма скорости обратной вспышки (BFR) и скорости отказа экранирования (SFR) определяют скорость вспышки (FOR), выраженную в флэшверах / 100 км / год. Скорость задней вспышки является наиболее значительной причиной перебоев в линиях передачи. В то время как быстро растущий всплеск, связанный с обратной вспышкой, редко попадает на подстанцию из-за эффектов короны, результирующий ток разлома и работа выключателя ощущается на всей длине системы.

Скорость отказа экранирования — это количество ударов, которые заканчиваются на фазовых проводниках. Если напряжение, создаваемое ударом по фазовым проводникам, превышает линейный CFO (критическое напряжение флэшвера), происходит флэшвер. Правильная конструкция щитового провода и заземление необходимы для минимизации отказов экранирования.

Скорость обратной вспышки - это количество ударов молнии, которые заканчиваются на башнях или щитовых проводах и приводят к вспышкам изолятора Импульс тока повышает напряжение башни, в свою очередь это генерирует напряжение по линии изоляции. Если напряжение по линии изоляторов превышает прочность изоляции, можно ожидать обратной вспышки от башни на фазовый проводник. Сопротивление опоры башни является критическим параметром, влияющим на скорости обратной вспышки.

Системы сверхвысокого напряжения (UHV)

Системы сверхвысокого напряжения (обычно 800 кВ и выше) представляют уникальные проблемы для координации изоляции. Перенапряжение является решающим фактором в конструкции линий передачи УВЧ. По сравнению с линией передачи 500 кВ линия передачи УВЧ имеет большую распределенную емкость и меньшее волновое сопротивление, а также относительно меньшее отношение мощности короткого замыкания системы к естественной мощности линии (т.е. емкость системы относительно мала, в то время как сопротивление системы относительно велико). Эти характеристики, упомянутые выше, делают переключение перенапряжения УВЧ линий более серьезным, чем у линий 500 кВ.

Для систем УВЧ переключение перенапряжений часто становится доминирующим фактором при определении уровней изоляции, а не перенапряжений молнии.Для этого требуется широкое использование мер контроля переключения перенапряжения, таких как преинсерционные резисторы в выключателях, управляемые системы переключения и стратегически расположенные усилители.

Проектирование системы заземления

Система заземления подстанции играет решающую роль в координации изоляции, обеспечивая путь с низким сопротивлением для токов скачка и устанавливая эталонный потенциал для всей установки. Хорошо спроектированная система заземления:

Импеданс заземляющей системы на высоких частотах (релевантных для молниеносных скачков) может существенно отличаться от сопротивления частот мощности.Транзиентный анализ должен учитывать частотно-зависимое поведение заземляющей системы.

Экологические факторы

Условия окружающей среды существенно влияют на теплоизоляцию и должны быть тщательно рассмотрены в координационных исследованиях. Высота влияет на плотность воздуха и, таким образом, на диэлектрическую прочность изоляции воздуха. Загрязнение из промышленных источников, солевой спрей в прибрежных районах или сельскохозяйственная деятельность могут снизить напряжение внешней изоляции.

Изменения температуры и влажности влияют как на генерацию перенапряжений (через изменения моделей загрузки и переключения системы), так и на способность изоляции выдерживать. Накопление льда и снега на изоляторах может создавать мостовые пути, которые снижают прочность изоляции.

Соображения изменения климата становятся все более важными, поскольку изменение погодных условий может повлиять на молниеносную активность, транспорт загрязнения и экстремальные погодные явления, которые влияют на производительность изоляции.

Общие вызовы и решения

Недостаточная защитная маржа

Одной из наиболее распространенных проблем в координации изоляции является недостаточный защитный запас между напряжениями разряда арестера и оборудованием BIL. Это может произойти из-за:

Результаты требуют увеличения количества срабатывающего устройства. Новые проекты с дополнительным высоким напряжением оказывают значительное влияние на перенапряжение, если выключатели работают в состоянии отказа. Координации изоляции в соответствии со стандартами МЭК 60071 недостаточно, и необходимо больше срабатывающих устройств. Это подчеркивает важность комплексного анализа и потенциальную потребность в дополнительных защитных устройствах сверх минимальных требований.

Решения включают:

Временная продолжительность перенапряжения

Временные перенапряжения могут сохраняться в течение длительных периодов времени, потенциально превышающих возможности форс-рестораторов или изоляцию напряженного оборудования.Продолжительность ТОВ зависит от схем защиты системы и времени, необходимого для устранения неисправностей или восстановления нормальных условий эксплуатации.

Стратегии смягчения включают:

Координация системных интерфейсов

Интерфейсы между системами с различными уровнями напряжения или философиями координации изоляции могут создавать проблемы координации.Трансформаторы, в частности, должны быть защищены с учетом перенапряжений, которые могут появляться как на высоковольтных, так и на низковольтных сторонах.

Эффективная координация на интерфейсах требует:

Стареющая инфраструктура

По мере старения подстанций прочность изоляции может ухудшаться из-за воздействия окружающей среды, электрического напряжения и механического износа. Эта деградация может поставить под угрозу оригинальную конструкцию координации изоляции.

Управление стареющей инфраструктурой требует:

Методы испытаний и проверки

Комплексное тестирование имеет важное значение для проверки выполнения целей проектирования изоляции. Испытания проводятся на нескольких этапах от производства оборудования до установки и ввода в эксплуатацию.

Испытание на прием на заводе

Производители оборудования проводят стандартизированные испытания для проверки соответствия продукции заданным уровням изоляции. BIL тестируется с использованием стандартизированных импульсных волновых форм, генерируемых в высоковольтной лаборатории. Эти испытания включают:

Процедуры испытаний и критерии приемлемости определены в стандартах, касающихся оборудования, которые дополняют общие стандарты координации изоляции.

Испытания на ввод в эксплуатацию на месте

После установки испытания на ввод в эксплуатацию проверяют целостность всей установки, включая соединения, клиренсы и работу защитного устройства.В то время как полное тестирование BIL обычно не выполняется на месте из-за ограничений оборудования, проводится несколько важных испытаний:

Мониторинг внутри службы

Современные подстанции все чаще включают системы мониторинга, которые отслеживают состояние изоляции и перенапряжение во время работы. Эти системы могут предоставить ценные данные для:

Для комплексной оценки уровня изоляции и изоляции оборудования, разработанного в качестве руководства для будущего, измерение и изучение реального перенапряжения напряжения имеет важное значение. До сих пор было мало исследований по фактическим измеренным формам волн перенапряжения на подстанциях. Полевые измерения обеспечивают ценную обратную связь для улучшения будущих конструкций и проверки имитационных моделей.

Экономические соображения

Координация изоляции предполагает балансирование технических требований с экономическими ограничениями. Затраты на изоляцию очень высоки, поэтому изоляция системы и оборудования для сопротивления любому напряжению, которое когда-либо появится, экономически нецелесообразна. Также нецелесообразно изолировать для постоянного напряжения и принимать все перебои, возникающие в результате скачков. Разумно искать баланс между затратами на изоляцию и защитные устройства.

Анализ стоимости жизненного цикла

Эффективная координация изоляции требует анализа затрат на протяжении всего жизненного цикла, который учитывает:

Более высокие уровни изоляции и более комплексная защита увеличивают первоначальные затраты, но снижают вероятность и последствия отказов. Оптимальная конструкция минимизирует общие затраты на жизненный цикл при соблюдении требований к надежности.

Риск-ориентированные подходы

Нет стандартов, требующих завершения исследований. Исследования являются мерами по снижению риска, и не регулируются стандартами, а являются вариантом владельца в рамках управления рисками. Это позволяет коммунальным предприятиям адаптировать свой подход к координации изоляции на основе конкретной толерантности к риску и экономических ограничений.

Координация на основе рисков предусматривает:

Критические подстанции, обслуживающие крупные центры нагрузки или обеспечивающие соединения с ключами передачи, могут оправдывать более высокие уровни защиты, чем менее важные установки.

Будущие тенденции и новые технологии

Продвинутые инструменты моделирования

Электромагнитные переходные инструменты моделирования продолжают развиваться, предлагая улучшенную точность и возможности. Современные программные пакеты могут моделировать:

Эти возможности позволяют более точно прогнозировать перенапряжения и оптимизировать схемы защиты.

Интеграция Smart Grid

Технологии интеллектуальных сетей меняют работу подстанций и вводят новые соображения по координации изоляции.

Эти изменения могут потребовать пересмотра традиционных подходов к координации изоляции и разработки новых стратегий защиты.

Передовые материалы

Новые изоляционные материалы и технологии предлагают потенциальные улучшения в производительности и стоимости:

Эти материалы могут обеспечить более компактные конструкции, повышенную надежность или снижение требований к техническому обслуживанию.

Адаптация к изменению климата

Изменение климата влияет на условия окружающей среды, которые влияют на координацию изоляции:

Будущие проекты по координации изоляции, возможно, должны учитывать эти изменяющиеся условия и включать большую устойчивость к экстремальным явлениям.

Лучшие практики и рекомендации

На основе отраслевого опыта и стандартов при выполнении координации изоляции следует придерживаться нескольких передовых практик:

Фаза проектирования

Выбор оборудования

Установка и ввод в эксплуатацию

Эксплуатация и техническое обслуживание

Заключение

Координация изоляции является критическим и сложным аспектом конструкции высоковольтной подстанции, который требует систематического анализа, тщательного планирования и постоянного внимания на протяжении всего срока службы установки.Исследования координации изоляции - это процесс определения прочности изоляции оборудования в отношении рабочего напряжения и переходного перенапряжения, или это процесс проверки того, что выбранный уровень изоляции оборудования достаточен для безопасной работы при переходном перенапряжении, вызванном переключением и молнией.Основная цель исследований координации изоляции - уменьшить количество отказов, стоимость проектирования, установки и эксплуатации.

Успех в координации изоляции требует понимания различных типов перенапряжений, которые могут возникнуть, характеристик различных изоляционных материалов и конфигураций, возможностей и ограничений защитных устройств, а также экономических компромиссов, связанных с различными вариантами проектирования. Инженеры должны надлежащим образом применять международные стандарты при рассмотрении конкретных характеристик каждого проекта.

Область продолжает развиваться с достижениями в инструментах моделирования, технологиях мониторинга, защитных устройствах и изоляционных материалах. Изменение климата, интеграция возобновляемых источников энергии и технологии интеллектуальных сетей вводят новые проблемы, которые требуют адаптации традиционных подходов. Следуя устоявшимся передовым методам, оставаясь в курсе технологических разработок и обучаясь на опыте эксплуатации, инженеры могут проектировать высоковольтные подстанции, которые обеспечивают надежное обслуживание на протяжении всего срока службы.

Правильная координация изоляции защищает ценное оборудование, обеспечивает надежность системы, повышает безопасность персонала и оптимизирует экономические показатели электрической инфраструктуры.Поскольку энергетические системы продолжают расти в сложности и важности для современного общества, роль эффективной координации изоляции становится все более важной для поддержания безопасного и надежного электротехнического обслуживания.

Дополнительные ресурсы

Для инженеров, стремящихся углубить свои знания в области координации изоляции, доступны многочисленные ресурсы. Международная электротехническая комиссия (IEC) и Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) публикуют фундаментальные стандарты и руководства по применению. CIGRE (Международный совет по крупным электрическим системам) предоставляет технические брошюры и отчеты рабочих групп по передовым темам. Производители оборудования предлагают руководства по применению и техническую поддержку своей продукции. Курсы и конференции по профессиональной разработке предоставляют возможности учиться у опытных практиков и оставаться в курсе отраслевых разработок.

Университетские программы в области энергетики систем инженерии обеспечивают фундаментальное образование, в то время как специализированные учебные курсы адрес конкретных аспектов координации изоляции. Онлайн-ресурсы, включая технические статьи, вебинары и дискуссионные форумы, предлагают доступную информацию о текущей практике и возникающих проблемах. Используя эти ресурсы и сохраняя приверженность непрерывному обучению, инженеры энергосистемы могут развивать и поддерживать опыт, необходимый для выполнения эффективной координации изоляции в проектировании высоковольтных подстанций.