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Isolationskoordinations- Studien Auswahl der Isolationsfestigkeit für Betriebsmittel
Überblick Isolationskoordination umfasst die Auswahl der elektrischen Isolationsfestigkeit von Betriebsmitteln zur Vermeidung von durch Überspannung verursachten Schäden. Überspannungen können durch Blitzeinschläge, Schalthandlungen oder durch zeitweilige Überspannungen (z.B. Erdfehler) hervorgerufen werden. Siemens Power Technologies International (Siemens PTI) unterstützt Sie mit: · Beratung in allen Isolationskoordinationsthemen über Entwicklung, Ausschreibungen, Angebote zu Auslegung und Anlagenbetrieb. · Berechnung von möglichen maximalen Überspannungen in geplanten Anlagen und Messung von Überspannungen in existierenden Anlagen mit speziellem Equipment. · Entwicklung von Überspannungsschutzkonzepten (z.B. Typ und Einbauort der Überspannungsableiter) unter Berücksichtigung der speziellen Systemkonfiguration und auch wirtschaftlicher Aspekte. Die Herausforderung Ein typisches Mittel- bzw. Hochspannungsnetz besteht aus vielen Betriebsmitteln, wie Kabeln, Transformatoren und Schaltanlagen. Die Anschaffungskosten dieser Betriebsmittel sind be-
trächtlich und übersteigen oftmals die Aufwendungen einer Isolationskoordinationsstudie um einige Größenordnungen. Allerdings kann das Fehlen solch einer Studie große Auswirkungen haben, da den Betriebsmitteln in kürzester Zeit Schaden zugefügt werden kann. Neben den Reparaturkosten können auch zusätzliche wirtschaftliche Verluste wie Strafzahlungen (Lieferausfälle) entstehen. Deshalb sollte die Isolationskoordination eines Netzes in der Planungsphase angemessen berücksichtigt bzw. in einigen Fällen auch ausführlich simuliert werden. Zu späten Zeitpunkten in einem Projekt kann es zu einer verringerten Anzahl an Lösungsmöglichkeiten kommen (weil z.B. die Installation von Ableitern wegen Platzmangels nicht möglich ist). Unsere Lösung In der Isolationskoordination gibt es einige typische Aufgabenstellungen, die in der Planungsphase besondere Beachtung erfordern. Hierzu zählen: · Platzierung und Dimensionierung der Überspannungsableiter in HSSchaltanlagen sowie Bereitstellung von ausreichenden Schutzpegeln der Betriebsmittel gegen Blitzüberspannungen.
· Untersuchung von Schaltüberspannungen nach Schalthandlungen welche durch Fehler oder Zuschaltungen von langen Kabeln, Freileitungen und Transformatoren hervorgerufen werden. · Festlegung von Überspannungsschutz für MS-Schalt-anlagen, vor allem für Spezialanwendungen wie Lichtbogenofenschalter oder Kompensationsdrosseln. Beratung auf Basis von Erfahrung Obwohl Überspannungen meist durch komplexe physikalische Vorgänge hervorgerufen werden, sind ausführliche Studien nicht immer notwendig, da einige typische Szenarien definiert werden können. In diesem Fall bietet Siemens PTI Unterstützung in Basisfragen zu Überspannungsschutz und Isolationskoordination, wodurch Zeit und Geld gespart wird. Ausführliche Studien Falls ausführliche Studien notwendig sind werden passende Simulationsmodelle entsprechend dem zu untersuchenden Frequenzbereich entwickelt. Dies wird meist mit dem Simulationsprogramm PSS ®NETOMAC durchgeführt. Je nach Netztopologie wird eine bestimmte Anzahl an Simulationsfällen festgelegt. Diese beinhalten u.a. Ausfälle von Betriebsmitteln, Arbeitspunkte von Generatoren (unter- und übererregt), Remanenzflüsse bei Transformatorschaltungen sowie Überspannungsanregungen (z.B. verschiedene Arten von Blitzeinschlägen sowie orten).
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Die größten Leiter-Erde und LeiterLeiter Überspannungen welche aus den Simulationen resultieren dienen als Basis für die Isolationskoordination. Isolationskoordination Je nach verwendetem Standard (z.B. IEC 60071 oder IEEE 1313) werden die entsprechenden Isolationskoordinationsabläufe zur Bestimmung des notwendigen Isolationspegels der Betriebsmittel angewendet. Daraus resultiert mindestens eine der folgen-de Isolationspegel: · Isolationspegel bei Blitzüberspannungen (z.B. BemessungsBlitzstoßspannung (Basic InsulationLevel BIL nach IEEE Standards, Lightning Impulse Withstand Voltage LIWV nach IEC Standards). · Isolationspegel bei Schaltüberspannungen (z.B. BemessungsSchaltstoßspannung (Switching Impulse Level SIL nach IEEE Standards, Switching Impulse Withstand Voltage SIWV nach IEC Standards). · Isolationspegel bei zeitweiligen Überspannungen (z.B. BemessungsKurzzeit-Wechselspannung (Power Frequency Withstand Voltage ACWV) nach IEC 60071) Auf Grund von langen Liefervorlaufzeiten ist der Isolationspegel der Betriebsmittel oft schon festgelegt. In diesem Falle werden die vorbestimmten Isolationspegel mit den minimalen geforderten Isolationspegeln verglichen. Diese werden aus den Simulationen und anschließenden Umwandlungen errechnet. Im Falle von Abwei-
chungen werden entsprechende Maßnahmen vorgeschlagen und getestet.
60071 berechnet und mit den vordefinierten Isolationspegeln verglichen.
Dimensionierung und / oder Verifizierung der Überspannungsableiter Überspannungsableiter werden so ausgelegt, dass vordefinierte Isolationspegel nicht überschritten werden. Falls die Isolationspegel durch die Studie festgelegt werden, darf die dielektrische Isolationsfestigkeit auf Grund wirtschaftlicher Anforderungen nicht zu hoch sein. Überdies darf es zu keiner Beeinträchtigung des Ableiters unter normalen Bedingungen kommen (Überlastung des Ableiters im Erdfehlerfall).
Die Ergebnisse zeigen, dass die vordefinierten Isolationspegel im Falle eines Masteinschlags mit rückwärtigem Überschlag nicht ausreichend sind. Deshalb wurde die Installation von Überspannungsableitern an der Oberspannungsseite der Transformatoren vorgeschlagen. Nach deren Dimensionierung wurde diese in die Simulationen eingefügt und die Simulationen wiederholt. Dadurch wurde gezeigt, dass die vordefinierten Isolationspegel nun ausreichend gegen Blitzüberspannungen ausgelegt waren, siehe Abbildung.
Anwendungsbeispiel Nachfolgend werden die Ergebnisse einer Blitzüberspannungsstudie erläutert. Eine GIS wird über zwei Transformatoren sowie über zwei Kabel, welche nach 1.5 km an Freileitungen angebunden sind, gespeist. Drei verschiedene Typen von Blitzeinschlägen werden berücksichtigt: · Direkter Leitereinschlag im Bereich der vier letzten Masten. · Direkter Einschlag in die vier letzten Masten, eventuell gefolgt von einem rückwärtigen Überschlag des Kettenisolators. · Entfernter Leitereinschlag, weiter als vier Masten entfernt. Basierend auf den maximalen Spannungen wurde der notwendige LIWV oder BIL des Betriebsmittels nach IEC
Maximale GIS Überspannungen ohne (obere Grafik) und mit (untere Grafik) zusätzlichen Überspannungsableitern.
Messungen Für die Messung von MittelspannungsÜberspannungen und Transienten verfügen wir über spezielle Messgeräte und die entsprechende langjährige Erfahrung in der Messung von Spannungen und Strömen bis in den MHzBereich. Die Messung transienter Vorgänge im Netz kann gerade bei der Klärung von Geräteausfällen Hinweise auf mögliche Ursachen geben bzw. Schwachstellen aufdecken.
Herausgeber Siemens AG 2016 Energy Management Division Freyeslebenstraße 1 91058 Erlangen, Deutschland Kontaktieren Sie uns:
[email protected] Änderungen und Irrtümer vorbehalten. Die Informationen in diesem Dokument enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsabschluss ausdrücklich vereinbart werden.
