insulation co-ordination according to iec 60071 and ... · legislation includes in particular a new...

11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK B2-13

1 / 7

Koordinacija izolacije po IEC 60071 in tipizacija DV opreme v ELES-u

mag. Hailu Kifle, u.d.i.e.; Bojan Volk, u.d.i.e.; Valentin Kalin, d.i.e.; Danijela Zimic ELES, d.o.o.

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Referat obravnava koordinacijo izolacije po standardu IEC 60071 ter na podlagi tega izdelano tipizacijo izolatorskih verig za 110, 220 in 400kV daljnovode. Cilj tipizacije je poenotenje izolatorskih verig, kar bistveno poenostavi projektiranje, gradnjo in vzdrževanje VN daljnovodov. Pri tipizaciji smo sledili naslednjim ciljem: izvesti koordinacijo izolacije po IEC 60071, upoštevati novo zakonodajo, uvesti nove tehnologije in standarde za opremo ter bistveno poenostaviti projektiranje, gradnjo in vzdrževanje, kar je posledica minimizacije nabora različnih izolatorskih verig. Tehnološki napredek je bil v zadnjem obdobju zelo intenziven predvsem na področju kompozitnih izolatorjev, ter tudi na področju obešalnega materiala. Nova zakonodaja zajema predvsem nov standard SIST EN 50341, tudi standardizacija za elektro opremo se stalno obnavlja. Dolžine iskrišč tipskih izolatorskih verig so takšne, da pride do preskoka pri višjih napetostih, kot jih določa IEC 60071. Posebna pozornost je namenjena oblikovanju električnega polja na fazni strani izolatorske verige, zaradi česar se ne pojavlja korona, ki ima številne škodljive učinke. Izolatorske verige so oblikovane tako, da omogočajo tako enostavne in hitre zamenjave na obstoječih daljnovodih kot tudi pri novogradnjah.

Insulation co-ordination according to IEC 60071 and unification of HV

OHL equipment in ELES

mag. Hailu Kifle, u.d.i.e.; Bojan Volk, u.d.i.e.; Valentin Kalin, d.i.e.; Danijela Zimic ELES, d.o.o.

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

This paper deals with insulation co-ordination according to IEC 60071. On the basis of this standard, unification of insulator strings for 110, 220 and 400kV HV OHL lines has been made. The aim is to unify insulator strings, which significantly simplifies the design, construction and maintenance of HV OHL. In this unification, the following objectives were followed: to carry out the insulation co-ordination according to IEC 60071, to consider new legislation, to introduce new technologies and standards for equipment and significantly simplify the design, construction and maintenance as a result of minimization of choices of different insulator strings. Technological progress has been very intense in recent years especially in composite insulators, as well as in the field of suspension and jointing equipment. The new legislation includes in particular a new standard SIST EN 50341, while the standardization of electrical equipment is in constant renovation. Spark gaps of type insulator strings have such lengths, that flashover occurs at higher test voltages then defined by IEC 60071. Special attention was paid to the design of an electric field on a phase side of insulator strings. If electric field is properly designed, corona, which has a lot of harmful effects, doesn’t appear. Insulator strings are designed to allow both, simple and rapid replacement of the existing, as well as to be used on new HV OHL


2 / 7

I. UVOD

V referatu je obravnavana tipizacija DV opreme, ki prinaša ELES-u kot upravljalcu omrežja naslednje pridobitve:

- tipizirano koordinacijo izolacije, skladno z IEC 60071;

- minimiziran nabor tipskih izolatorskih verig - stabilno delovanje izolatorskih verig; - uvedba novih tehnologij; - enostavno projektiranje, gradnja in vzdrževanje DV;

Končni cilj gradnje in vzdrževanja DV omrežja ELES-a je zanesljiva oskrba z električno energijo, h kateri lahko prispeva tudi pričujoča tipizacija DV opreme. Tipizacija določa dimenzije in lastnosti elementov izolatorskih verig.

II. POGLED V PRETEKLOST

Pogled v preteklost na področje izolatorskih verig na DV v ELES-ovem omrežju pokaže na določene pomanjkljivosti: 1. Koordinacija izolacije: Koordinacija

izolacije je bila v ELES-u urejena delno. Vzroki za neurejeno koordinacijo izolacije tičijo predvsem v izbiri različnih zaščitnih nivojev za DV iste napetosti. Celo na istih DV, so posamezni odseki, ki imajo med seboj različne izolacijske nivoje, kar je tehnično nedopustno. Drugi vzrok so napake pri gradnji ali vzdrževanju, vse skupaj pa izvira iz prevelikega nabora opreme, še posebej zaščitnih armatur (rogljičev, obročev…);

2. Tehnologija izdelave DV opreme: Problemi se pojavljajo predvsem na DV na stojnih mestih, kjer je vgrajena še porcelanska izolacija, kjer prihaja občasno do izpadov ali celo do pretrgov verig. Prihaja tudi do pokanja kompresijskih napenjalnih sponk zaradi zmrzovanja vode v njih ter drugih problemov;

3. Vzdrževanje: V skladiščih je velik nabor

elementov izolatorskih verig, zaradi česar je potrebna večja zaloga, hkrati pa ni enotnega pregleda nad vsemi možnimi izvedbami izolatorskih verig.

III. CILJ TIPIZACIJE

Cilj tipizacije je navedene pomanjkljivosti odpraviti oz. izboljšati :

1. Koordinacija izolacije: Koordinacijo

izolacije je potrebno izvesti po standardu IEC 60071. Standard določa minimalne zaščitne napetostne nivoje za različne napetosti opreme (110, 220 in 400kV). Potrebno je doseči minimalno vzdržno napetost omrežne frekvence ter udarnega vala, kar se doseže s pravilno nastavitvijo dolžine iskrišč

. Dolžine iskrišč je potrebno določiti in potrditi v VN laboratoriju.

2. Tehnologija izdelave DV opreme: V zadnjem obdobju so kompozitni izolatorji doživeli velik tehnološki napredek. Trend v EU in v svetu je vgradnja kompozitnih izolatorjev, čemur sledi tudi pričujoča tipizacija. Razviti in testirani so tudi novi zaščitni obroči, prilagojeni za uporabo na kompozitnih izolatorjih. Silikonska guma je organski material in je občutljiva na višino električnega polja, zato je potrebno predvsem na fazni strani izolatorskih verig pravilno oblikovati električni potencial. Kompresijsko napenjalno sponko se nadomesti s klinasto, ki ima več prednosti. Za vodnik se uporabi namesto železnega pocinkanega jedra vodnik z železnim jedrom, ki je oplaščen za aluminijem (ACS po standardu SIST EN 61232).

3. Vzdrževanje: Nabor izolatorskih verig se zreducira na en tip EN, ENp, DNp in DZp za napetostne nivoje 110, 220 in 400kV. Skupaj je torej 12 različnih tipskih izolatorskih verig, s katerimi se da skoraj v celoti pokriti vse potrebe omrežja v okviru ELES-a, izjema so specialne izvedbe. Bistveno se zmanjša nabor elementov in predvsem nabor zaščitnih obročev, s čimer se zreducira na minimum možnost napak pri montaži. Zaradi enake skupne dolžine verig, je omogočena zamenjava obstoječih steklenih ali porcelanskih verig s tipskimi verigami brez kakršnihkoli dodatnih posegov.

IV. KOORDINACIJA IZOLACIJE

PO IEC 60071 Standard IEC 60071 določa zaščitne nivoje glede na maksimalno napetost opreme. Izmed vseh možnosti, ki jih ponuja tabela 2, (stran 45) izberemo zaščitne nivoje, ki so primerni za ELES-ovo omrežje:


3 / 7

Nazivna napetost

(kV)

Najvišja napetost opreme

(kV)

Aplikacija (tip verig)

Najvišja vzdržna udarna

prenapetost, temenska vrednost

(kV)

Nazivna kratkotrajna

vzdržna napetost

industrijske frekvence (efektivna vrednost)

(kV) 110 123 EN 185* 450* 110 123 ENp,DNp, DZp 230 550 220 245 EN 395 950 220 245 ENp,DNp, DZp 460 1050 400 420 EN 950 1300 400 420 ENp,DNp, DZp 1050 1425

* samo za rekonstrukcije obstoječih DV

Pri koordinaciji izolacije za 110kV velja posebej omeniti, da je bil v preteklosti izbran kot osnovni izolacijski nivo 230/550kV, električno ojačan pa 275/650kV. Takšen izbor napetostnih nivojev je zgodovinsko pogojen in ga utemeljuje tudi študija EIMV št. 2058 [3] : 'Glede na veljavne pravilnike ob času izgradnje je bil, zaradi faktorja zemeljskega stika k0>1,4, izbran za 110kV daljnovode celoten izolacijski nivo 550kV. Po letu 1990 se je z ozemljitvijo dodatnih nevtralnih točk v 110kV omrežju faktor k0 znižal pod 1,4.' Študija je tudi v svojem zaključku podala ugotovitev, da 'je možno pri zamenjavi izolatorskih verig na 110kV daljnovodih preiti na izolacijski nivo 450kV'. Če se ozremo na sosednje države, lahko ugotovimo, da za 110kV daljnovode ne uporabljajo dveh zaščitnih nivojev, ampak samo enega. Predlog tipizacije je, da se za novogradnje uporabi enoten izolacijski nivo - 230/550kV.

V. KRITERIJI ZA DOLOČITEV ELEMENTOV TIPSKE IZOLATORSKE VERIGE

Določili smo naslednje bistvene dimenzije izolatorske verige:

- skupna dolžina:

mora ostati enaka kot pri obstoječih izolatorskih verigah na DV; taka tipska veriga je uporabna tako za zamenjavo obstoječih verig kot tudi za novogradnje;

- dolžina iskrišč

mora biti taka, da se doseže zaščitni napetostni nivo po standardu IEC 60071;

- zaščitni obroči

morajo biti tako oblikovani, da ščitijo kompozitni izolator pred negativnimi vplivi električnega polja, saj je silikonska guma organski material in je kot

tak občutljiv na višino električnega polja na površni; elekrično polje mora biti ustrezno oblikovano, da ne prihaja do velikih gradientov potenciala, kar je izvor velikih električnih poljskih jakosti;

- zaščita pred negativnimi učinki korone

: pojav korone povzroča odnašanje materiala na površini, povečan hrup, radijske motnje in druge negativne učinke; Zato je potrebno elemente oblikovati tako, da je napetost ugasnitve korone 20% nad fazno napetostjo. Največji napetostni gradient, ki je izvor korone se pojavlja na fazni strani, zato morajo imeti spodnji zaščitni obroči dovolj velik premer, prav tako pa mora biti dovolj velik premer cevi iz katere so izdelani; površina vseh elementov obešalnega materiala mora biti gladka, brez konic in ostrih robov, ter z gladko cinkovo prevleko; še posebej so veliki problemi s korono na 400kV napetostnem nivoju;

VI. TIPSKE VERIGE ZA 110KV Na sliki je prikazana tipska DNp veriga za 110kV:

Za doseganje kriterijev, določenih v V. poglavju, morajo imeti posamezni elementi izolatorske verige naslednje dimenzije:

ELEMENT dimenzija (mm)

dolžina iskrišča EN verig 800 dolžina iskrišča ENp, DNp in DZp verig 946 dolžina izolatorja EN verig 1170 dolžina iskrišča ENp, DNp in DZp verig 1315 širina izolatorja pri DNp in DZp verigah 330 višina/širina spodnjega zaščitnega obroča: 240/240

višina/širina zgornjega zaščitnega obroča: 240/240

premer cevi spodnjega zaščitnega obroča 16


4 / 7

VII. TIPSKE VERIGE ZA 220KV

Na sliki je prikazana tipska DNp veriga za 220kV:



dolžina iskrišča EN verig 1668 dolžina iskrišča ENp, DNp in DZp verig 1980

dolžina izolatorja EN verig 1900 dolžina izolatorja ENp, DNp in DZp verig 2210

širina distančnika pri DNp in DZp verigah 330

višina/širina spodnjega zaščitnega obroča: 190/300


premer cevi spodnjega zaščitnega obroča 41

VIII. TIPSKE VERIGE 400KV

Na sliki je prikazana tipska DZp veriga za 400kV:



dolžina iskrišča EN verig 2500 dolžina iskrišča ENp, DNp in DZp verig 2840 dolžina izolatorja EN verig 2940 dolžina izolatorja ENp, DNp in DZp verig 3280

širina distančnika pri DNp in DZp verigah 400

višina/širina spodnjega zaščitnega obroča: 315/360


premer cevi spodnjega zaščitnega obroča 60,3

IX. OBEŠALNI MATERIAL – OSTALE

ZAHTEVE Elementi obešalnega materiala morajo vzdržati naslednje sile:

NAPETOSTNI NIVO PRETRŽNA SILA

110kV 120kN 220kV 120kN 400kV 160kN

Poleg osnovnih dimenzij, opisanih v prejšnjih poglavjih, mora obešalni material tudi zadostiti zahtevam nekaterih standardov iz tega področja: SIST EN 61284 [10]: (Nadzemni vodi - Zahteve in preskusi za obesno opremo), IEC 60120: 1984 [11]: (dimenzije batiča in ponvice), SIST EN 60372 [12]:


5 / 7

(dimenzija in izvlečna sila razcepk), IEC 60471:1990 [13]: (Dimenzije vilice in očesca), SIST EN ISO 1461:1999 [14]: (debelina cinkove prevleke), BS 1133: section 8:1981 [15]: (pakiranje). X. KOMPOZITNI IZOLATORJI – OSTALE

ZAHTEVE Pretržne sile kompozitnih izolatorjev so enake kot to velja za obešalni material. Jedro izolatorja

mora biti izdelano iz ECR (Electro Corrosive Resistant) steklenih vlaken, prevleka jedra ter krožniki pa iz HTV silikona (High Temperature Vulcanized). HTV silikon je trd, krožniki se ne zvijajo in je primeren za uporabo na daljnovodih. Velikosti kap morajo biti izmenične, v razmerju polmer večjega krožnika/razdalja med enakima krožnikoma =1,4, zaradi boljšega obnašanja v dežju.

Na sliki so prikazani tipski kompozitni izolatorji za električno ojačano izolacijo za 110kV:

za električno ojačano izolacijo za 220kV:

in za električno ojačano izolacijo za 400kV:

Poleg osnovnih dimenzij, opisanih v prejšnjih poglavjih, morajo kompozitni izolatorji zadostiti tudi zahtevam standardov, ki pokrivajo to področje:


6 / 7

IEC 61109 [16]: (Insulators for overhead lines), SIST IEC 60120: 1984 [11]. (Dimenzije batiča in ponvice), SIST EN 60372 [12]: (dimenzije in izvlečna sila razcepk), IEC 60471:1990 [13]: (Dimenzije vilice in očesca), SIST EN ISO 1461:1999 [14]: (debelina cinkove prevleke), IEC 60707 [18]: (Preizkus gorljivosti silikonske gume), SIST EN 61284 [10] :(Mehanski preizkus - pretržna sila). XI. ZAKLJUČKI

Interna tipizacija DV opreme lahko ELES-u kot lastniku DV omrežja prinese veliko koristi. V prvi vrsti je to poenotena koordinacija izolacije v celem omrežju, skladno z IEC 60071. Testirane in v laboratoriju preizkušane tipske izolatorske verige delujejo zanesljivo, na njih se ne pojavlja korona, ker so pravilno dimenzionirane. Zanesljivost tipskih izolatorkih verig je tudi že preizkušena v večletni praksi, saj so bile prve take verige vgrajene v ELES-ovo omrežje že leta 1998. Minimiziran nabor tipskih izolatorskih verig bistveno poenostavi projektiranje, gradnjo in vzdrževanje daljnovodov. Tipizacijo je potrebno upoštevati že pri izdelavi projektne naloge. Minimalno število tipskih izolatorskih verig pomeni tudi manjše zaloge rezervnega materiala na skladiščih in s tem v zvezi manjše stroške skladiščenja. Primer tipske DZp izolatorske verige za 110kV

XII. REFERENCE

[1] Elektro inštitut Milan Vidmar: 'Poročilo o preverjanju ustreznosti izolatorskih verig s kompozitnimi izolatorji proizvajalca CeramTec, Wunsiedel in kovinskimi armaturami proizvajalca Dalekovod, Zagreb za 110kV oz. 220kV Daljnovode' št. 2783/00, Ljubljana, 25.9.2000

[2] Elektro inštitut Milan Vidmar: Določitev konstrukcijskih lastnosti kovinskih armature (rogljiči,

potencialni obroči) pri izolatorskih verigah s kompozitnimi izolatorji za 400kV nadzemne vode' št. 2120, Ljubljana, September 2011

[3] Elektro inštitut Milan Vidmar: 'Analiza kratkostičnih razmer in obravnava izolacijske stopnje pri 110kV nadzemnih vodih', št. 2058, Ljubljana, januar 2011

[4] mag. Hailu Kifle, Simon Skalič: 'Pomembnost klinaste napenjalne sponke v elektroenergetskem sistemu', Ref. ŠK B2-4, CIGRE, 2009;

[5] Sokolija, Kapetanović, Hartings, Hajro: 'Considerations of the design of composite suspension insulators based on experience from natural ageing testing and electric field calculations', Ref. 33-204, SLOKO CIGRE, 2000;

[6] Rado Glavič, Gorazd Kosič: 'Analiza preboja kompozitnega izolatorja na DV 35kV TE Trbovlje- Cementarna', Ref. ŠK1-3, CIRED, 2000

[7] Slovenski inštitut za standardizacijo : SIST EN 50341-1: 'Nadzemni električni vodi za izmenične napetosti nad 45kV- 1. del: Splošne zahteve – Skupna določila', junij 2002

[8] Slovenski inštitut za standardizacijo: SIST EN 50341-3-21: 'Nadzemni električni vodi za izmenične napetosti nad 45kV- 3-21. del: Nacionalno normativna določila (NNA) za državo Slovenijo (na podlagi SIST EN 50341-1:2002)', april 2009

[9] Elektrotehniška zveza Slovenije: 'Pravilnik o tehniških normativih za graditev nadzemnih elektroenergetskih vodov z nazivno napetostjo od 1kV do 400kV ', Ur.l. SFRJ št. 65 , 4.11.1989

[10] Slovenski inštitut za standardizacijo: SIST EN 61284: ' Nadzemni vodi - Zahteve in preskusi za obesno opremo (IEC 61284:1997) ', 1.11.1999

[11] International Electrotechnical Commission: SIST IEC 60120;:1984: ' Dimensions of ball and socket couplings of string insulator units ', 1.1.1984

[12] Slovenski inštitut za standardizacijo: SIST EN 60372: ' Zaklepni mehanizmi za spojke z betičem in ponvico pri členih izolatorskega niza – Mere in preskusi (IEC 60372:1984+A1:1991+A2:2003) ', 1.10.2004

[13] International Electrotechnical Commission: IEC 60471:1990 : ' Dimensions of clevis and tongue couplings of string insulator units ', 1.1.1977

[14] Slovenski inštitut za standardizacijo: SIST EN ISO 1461:1999: ' Prevleke na jeklenih predmetih, nanesene z vročim pocinkanjem – specifikacije in metode preskušanja (ISO 1461:1999) ', oktober 1999

[15] Bitish Standard Institution: BS 1133: ' Packaging code. Wooden boxes, cases and crates ', 29.11.1991

[16] International Electrotechnical Commission: IEC 61109: ' Insulators for overhead lines - Composite suspension and tension insulators for a.c. systems with a nominal voltage greater than 1 000 V - Definitions, test methods and acceptance criteria ', IEC, 27.5.2008

[17] Intenational Electrotechnical Commission : IEC 60383-2: ' Insulators for overhead lines with a nominal voltage above 1000 V - Part 2: Insulator strings and


7 / 7

insulator sets for a.c. systems - Definitions, test methods and acceptance criteria (IEC 383- 2:1993)', 20.4.1993

[18] International Electrotechnical Commission: IEC 60707: ' Flammability of solid non-metallic materials when exposed to flame sources. List of test methods ', 15.9.1999

[19] Intenational Electrotechnical Commission : IEC 60815: ' Guide for the selection and dimensioning of high-voltage insulators for polluted conditions', IEC, 29.10.2008

insulation co-ordination according to iec 60071 and ... · legislation includes in particular a new...

Documents