PROVEDBA KOORDINACIJE IZOLACIJE

1. DEFINICIJE Koordinacija izolacije: Izbor dielektrine vrstoe opreme obzirom na napone koji se mogu javiti na dijelovima sistema uzimajui u obzir uvjete okolia i karakteristike zatitnih ureaja; Vanjska izolacija: Rastojanje u zraku, i povrina u kontaktu sa zrakom vrste izolacije opreme koja je predmetom dielektrikih naprezanja i efekata atmosferskih i ostalih vanjskih uvjeta, kao to je zagaenje, vlanost i dr; Unutranja izolacija: Unutranja vrsta, tena i plinovita izolacija opreme, koja je tiena od atmosferskih efekata i ostalih vanjskih uvjeta; Samo-obnovljiva izolacija: Izolacija koja potpuno obnavlja svoje izolacijske karakteristike nakon razarajueg pranjenja; Nesamo-obnovljiva izolacija: Izolacija koja gubi svoje izolacijske karakteristike, ili ih ne obnavlja u potpunosti nakon razarajueg pranjenja; Osnovni izolacijski nivo na atmosferske impulse (BIL):Osnovni izolacijski nivo na atmosferske impulse je elektrina vrstoa izolacije izraena pomou vrne vrijednosti standardnog atmosferskog impulsa. BIL je vezan za specificirani oblik vala pored toga to je vezan za standardne atmosferske uvjete. BIL moe biti statistiki ili konvencionalni. Statistiki BIL vezan je za samoobnovljivu izolaciju a konvencionalni za nesamoobnovljivu, a obadva vrijede za suhe uvjete. Statistiki BIL ima vrijednost jednaku vrnoj vrijednosti standardnog atmosferskog impulsa kojem je izolacija izloena sa 90% vjerovatnoom podnoenja i 10% vjerovatnoom kvara. Konvencionalni BIL ima vrnu vrijednost jednaku standardnom atmosferskom impulsu za koji izolacija nije izloena razarajuem pranjenju za specificirani broj narinutih impulsa. Karakteristike izolacijske vrstoe mogu se predstaviti kumulativnom Gausian raspodjelom, slika 1. Srednja vrijednost ove raspodjele ili karakteristike definirano je kao kritini preskoni napon ili CFO.

Slika 1. Karakteristika izolacijske vrstoe za samoobnovljivu izolaciju [1] Primjenjujui kritini preskoni napon (CFO) na izolaciju rezultirat e 50% vjerovatnoom preskoka. Definirajui BIL kao 10% vjerovatnoom preskoka, proizilazi da je BIL

=

CFOCFOBIL f

28.11 (1)

f u jedininim vrijednostima od CFO naziva se koeficijent varijacije i definira kao standardna devijacija od CFO. f za atmosferske impulse iznosi 2-3%. Konvencionalni BIL se jednostavnije definira ali ima manje znaenja po izolacijsku vrstou. Za narinute impulse (jedan ili vie) standardnog oblika vala i vrne vrijednosti jednake BIL na izolaciju, ako se ne javi preskok, smatra se da je izolacija ima BIL. Izolacijska vrstoa koja ima karakteristike

na Sl. 2, pretpostavlja se da raste od 0% preskoka ili kvara pri naponu jednakom BIL do 100% vjerovatnoe preskoka pri istoj vrijednosti BIL.

Slika 2. Karakteristika izolacijske vrstoe za nesamoobnovljivu izolaciju [1] Izolacijska vrstoa na atmosferske impulse obino se specificira samo sa CFO. Izolacijska vrstoom na atmosferske impulse smatra se jedna veliina, CFO ili BIL. Izolacijska vrstoa na atmosferske impulse moe se dati i V-t krivom. Jednaina koja ugrubo predstavlja V-t krivu za vremena do proboja jednaka 2-11s je

tCFO

VB 39.158.0 += (2) gdje je VB probojni, preskoni ili vrni napon, t-vrijeme do proboja ili preskoka. Za izolatore i prekidae, pri standardnnim ispitivanjima na odrezani val, koristi za 3s ispitna vrijednost od 1.15xBIL, a za prekidae pri 2s, 1.29xBIL. Ovisnost CFO od preskonog rastojanja je linearna, tako da se CFO moe dati jednom vrijednou gradijenta pri kritinom preskonom naponu, ili CFO gradijent pomou kV po metru. Predloene vrijednosti CFO za zrana iskrita i izolatore mogu se dobiti iz izraza

)(605)(560

SCFOSCFO

==

+ (3)

gdje je S-preskono rastojanje u m, CFO u kV, + i oznaavaju pozitivni i negativni polaritet. Odabrani odvodnici prenapona u postrojenju 110 kV Za zatitu postrojenja od prenapona odabrani su odvodnici proizvoaa OHIO BRASS tipa PVN 84 (za zatitu transformatora, MOP-a i DV izlaza) i tipa PVN 57 (za zatitu neutrala transformatora). Karakteristike odvodnika PVN 84 su: Nazivni napon (kVeff) 108 Maksimalni stalni tadni napon (MCOV) (kVeff) 84 Maksimalni 0.5s napon pranjenja (kV) 288.9 Maksimalni zatitni nivo na sklopne impulse (kV) 205.6 Maksimalni napon pranjenja na impulse oblika strujnog vala 8/20s I (kA) 1.5kA 3kA 5kA 10kA 20kA 40kA U(kV) 221.8 233.2 244.0 262.6 290.7 330.1

2. UTVRIVANJE RADNIH UVJETA POSTROJENJA SA ASPEKTA IZOLACIJE I NIVOA ZAGAENJA

U postrojenjima izloenim zagaenju, odziv vanjske izolacije na napon industrijske frekvencije postaje vaan i moe diktirati dizajn vanjske izolacije. Preskok izolacije se openito javlja u sluajevima kada je povrina izolacije zagaena i ovlaena uslijed slabe kie, snijega, rose ili magle, bez znaajnijih efekata sapiranja povrine. U postojeim propisima definirana su etiri nivoa zagaenja i odgovarajua minimalna puzajua rastojanja preko povrine izolatora izmeu faze i zemlje u mm/kV najvieg meufaznog napona sistema [3]: -I slabo 16,0 mm/kV -II srednje 20,0 mm/kV -III teko 25,0 mm/kV -IV vrlo teko 31,0 mm/kV Ovako odabrani izolatori moraju trajno podnijeti najvii napon sistema u uvjetima zagaenja sa prihvatljivim rizikom od pojave preskoka. S obzirom na radne uvjete koji vladaju na mjestu ugradnje 110kV postrojenja u TE Kakanj (ogranieno podruje izloeno vodljivim esticama i industrijskom dimu koji moe stvoriti posebno tanak vodljivi sloj na povrini izolatora), radni uvjeti kojima je izloena vanjksa izolacija u postrojenju mogu se svrstati u IV nivo zagaenja (31,0 mm/kV najvieg napona sistema-123kV). Za taj nivo zagaenja, potrebno puzajue rastojanje izmeu faze i zemlje iznosi minimalno 31 x 123= 3813mm. Budui da narueni izolatori imaju puzajue rastojanje jednako 3960mm, vidljivo je da zadovoljavaju uvjete Standarda IEC 71-2 [3]. U Standardu IEC 71-1 [2] podnosivi napon opreme u postrojenju na standardni kratkotrajni napon industrijske frekvencije iznosi 230kVeff. Kada su prijelazni prenaponi u pitanju, izolacijska vrstoa keramikih izolatora u uvjetima zagaenja se smanjuje. to prenaponi due traju, izolacijska vrstoa se pribliava onoj pri naponu industrijske frekvencije (AC napon). Kombinirana naprezanja od AC napona i prijelaznih prenapona takoer smanjuje izolacijsku vrstou ovisno o razvoju preskoka izolacije. Preskok pri AC naponu uvjetuje nastanak suhih zona, to znaajno smanjuje izolacijsku vrstou (ostvarenjem moguih preskoka du suhih zona). Za uvjete atmosferskih prenapona, kia se smatra korisnom za ostvarenje efekta spiranja zagaenja s povrine izolatora. S obzirom na sklopne prenapone, najopasniji prenaponi nastaju kao poslijedica automatskog ponovnog uklopa uzrokovanog preskokom iji izvor moe biti atmosfersko pranjenje. S obzirom na navedeno, pri najgorim uvjetima rada izolacije od keramikih materijala u pogonu (vlani uvjeti uz postojanje suhih zona na povrini izolatora), smanjenje izolacijske vrstoe za atmosferske impulse je reda 20-30%, a za sklopne prenapone 30-60% u odnosu na suhe uvjete. Superiorne karakteristike u odnosu na keramike izolatore imaju tzv. kompozitni izolatori od EPDM (Ethylene propylene diene monomer), EPM (Ethylene propylene monomer) ili SiR (Silicone rubber) s rebrima malih dijametara, to doprinosi njihovim izuzetnim performansama u uvjetima zagaenja i vlaenja. Isti tip izolacije koristi se i za MO odvodnike prenapona, bushinge, mjerne transformatore i dr. Jo nisu usvojeni standardi za ispitivanja polimernih izolatora za odreivanje izolacijske vrstoe u uvjetima zagaenja. Neka laboratorijska ispitivanja sa slojem zagaenja na povrini polimernih izolatora pokazuju da se nakon preskoka polimerni izolatori ponaaju isto kao keramiki, jer privremeno gube svoju hidrofobinost. Nakon perioda od 10-70 sati, polimerni izolatori obnavljaju svoju hidrofobinost.

3. DEFINIRANJE ATMOSFERSKIH, SKLOPNIH I PRIVREMENIH PRENAPONA U RAZMATRANOM DIJELU MREE NA 110KV STRANI

3.1 Atmosferski prenaponi Ekvivalentni krug za pogonsko stanje: ukljuen 110kV DV Visoko i generator G6 bez ugraenih MO odvodnika prenapona, dat je na Sl. 3. Atmosfersko pranjenje zavrilo je na DV Visoko. Parametri upadnog vala su t/tz=0.6/50s, S=1200kV/s, U=720kV.

Slika 3. Ekvivalentna shema Naponi u pojedinim takama su: Taka UA UB UC UD UE UF UG UH UI UJ Napon (kV) 1,090 1,095 1,095 1,095 1,095 1,102 1,123 1,101 1,101(Sl. 4) 1,100

Slika 4. Napon u taki I (energetski transformator uz G6)

Ekvivalentni krug za pogonsko stanje:ukljuen 110kV DV Visoko i generator G6 sa ugraenim MO odvodnicima prenapona u taki J (kod energetskog transformatora), dat je na Sl. 5.

Slika 5. Ekvivalentna shema Naponi u pojedinim takama su:

Taka UA UB UC UD UE UF UG UH UI UJ Napon (kV) 728 634 593 554 511 297 335 284 288 237 (Sl. 6) Energija kroz odvodnik prenapona je WJ=22.5KJ Kada bi se narinuo val oblika dvostruko manje strmine, iste vrijednosti amplitude (U=720kV) napon u takama je

Taka UA UB UC UD UE UF UG UH UI UJ Napon (kV) 470 457 452 407 364 277 291 270 290 237 Za narinute valove duine zaelja od 150 s energija kroz odvodnik je WJ=67.5kJ, a za duine zaelja od 300 s, WJ=136kJ.

Slika 6. Napon u taki J a) i energija kroz odvodnik prenapona b)

Ekvivalentni krug za pogonsko stanje: ukljuen 110kV DV Visoko i generator G6 sa ugraenim MO odvodnicima prenapona u taki J (kod energetskog transformatora) i C (na ulazu u postrojenje), dat je na Sl. 7.

Slika 7. Ekvivalentna shema Naponi u pojedinim takama su:

Taka UA UB UC UD UE UF UG UH UI UJ Napon (kV) 387 273 228 226 241 281 308 265 285 234 Energije kroz odvodnik u taki C je WC=13kJ, a u taki J je WJ=8.4kJ.

3.2 Sklopni prenaponi Ekvivalentni krug za pogonsko stanje: uklapa se dionica 110 kV dalekovoda Zenica 1-Te Kakanj, duine 28.6 km, sa strane TS Zenica 1 sa otvorenim krajem u TE Kakanj, dat je na Sl. 8. Simuliraju se slijedea uklapanja: -nesimultani uklop (tropolni), -tropolni ponovni uklop.

Slika 8. Ekvivalentna shema

Fazni faktori prenapona, k, izraavaju se kao,

s

ff

U

Uk

32

max= (j.v.), gdje je Ufmax-maksimalna fazna

vrijednost sklopnog prenapona, Us-nazivni napon na strani izvora. Nakon provedenih prorauna dobijene su slijedee vrijednosti: Nesimultani tropolni uklop (Slika 9) Provedenom analizom dobijene su vrijednosti faktora prenapona na poetku i kraju linije pri tropolnom nesimultanom uklopu u vrhu faznog napona u TS Zenica: k1=1.68 j.v. k2=2.14 j.v. (Slika 10)

Slika 9. Ekvivalentni krug za nesimultani tropolni uklop

Slika 10. Napon u TS Kakanj (k2) pri tropolnom nesimultanom uklopu u TS Zenica,

Tropolni APU (Slika 11) Provedenom analizom dobijene su vrijednosti faktora prenapona na poetku i kraju linije pri tropolnom automatskom ponovnom uklopu u vrhu faznog napona u TS Zenica sa maksimalnim zaostalim naponom od 1.0 j.v. u postrojenju TE Kakanj: k1=2.53 j.v. k2=3.45 j.v. (Slika 12)

Slika 11. Ekvivalentni krug za tropolni automatski ponovni uklop

Slika 12. Napon u TE Kakanj (k2) pri tropolnom APU u TS Zenica 1

3.3 Privremeni prenaponi Privremeni prenapon pri naglom rastereenju dalekovoda TS Zenica 1-TE Kakanj, isklop u TS TE Kakanj. Zamjenska shema uklopnog stanja data je na Sl. 13.

Slika 13. Zamjenska shema Vrijednost faktora privremenog prenapona uslijed rastereenja jedinice transformator-generator G5 u TE Kakanj je k2=1.23 j.v. Trajanje ovih prenapona je reda 1 sec. Privremeni prenapon pri zemljospoju dalekovoda TE Zenica - TE Kakanj, zemljospoj u TE Kakanj. Zamjenska shema uklopnog stanja data je na Sl. 14.

Slika 14. Zamjenska shema Vrijednost faktora privremenog prenapona uslijed zemljospoja u TE Kakanj je k2=1.54 j.v. (Slika 15). Trajanje ovih prenapona je obino krae od 1 sec.

Slika 15. Privremeni prenapon uslijed zemljospoja u TE Kakanj

4. PROCEDURA ZA PROVEDBU KOORDINACIJE IZOLACIJE POSTROJENJA NAPONSKOG NIVOA 123 KV

Za postrojenja naponskih nivoa iz Opsega I (1kV

109=cwU eff kV (fazno), odnosno 151=cwU eff kV (meufazno). Zahtijevani podnosivi napon, Urw, dobije se primjenom dvaju koordinacionih faktora na koordinacione podnosive prenapone, Ucw,: -faktor ka, koji uzima u obzir nadmorsku visinu ugradnje opreme, i -sigurnosni faktor, ks=1.05. Faktor, ka, primjenjuje se samo na vanjsku izolaciju i njegova vrijednost ovisi o obliku prenapona [3]:

- Za podnoenje napona industrijske frekvencije, m=0.5 - Za podnoenje sklopnih prenapona, mfazno=0.95, mmeufazno=1.0 - Za podnoenje atmosferskih prenapona, m=1.0.

Oprema se ugrauje na nadmorskoj visini od 500 m. Odgovarajue vrijednosti faktora, ka, su [3]:

- Za podnoenje napona industrijske frekvencije, ka=1.03, - Za podnoenje sklopnog prenapona, kafazno=1.06 i kameufazno=1.063 - Za podeenje atmosferskog prenapona, ka=1.063

Zahtijevani podnosivi privremeni prenaponi iznose, Urw=1.051.03109=118eff kV (fazno), i Urw=1.051.03151=163eff kV (meufazno). 4.3 Prenaponi brzog porasta ela vala (atmosferski prenaponi) U skladu sa IEC Standardom [3] koordinacioni podnosivi prenapon na atmosferski impuls u bilo kojoj taki postrojenja dobiva se iz izraza,

TnSUU odvt

+= 2 , (4) gdje je T-maksimalno vrijeme puta izmeu odvodnika (ukljuujui duine spojnih i uzemljivakih veza) i tiene opreme, n-broj linija prikljuenih na postrojenje, S-strmina upadnog vala,

)( tsp

c

LLK

S += , (5)

gdje je Lsp-duina raspona linije (m), Lt= ))((1MTBFBFRR

R

km

t = (uobiajene vrijednosti za Rkm (BFR)=1/100km.godina a Rt(MTBF)=1/400godina, Kc=675 kV-km/s [1, 3]. Sigurnosne granice predloene od strane IEC Standarda [3] su 5% za vanjsku izolaciju. Sraunati napon na opremi usporeuje se sa BIL a ne sa ispitnim nivoom odrezanih valova, budui da IEC ne specificiraju ispitivanja odrezanim valom. Koristei vrijednosti proradnog napona na val oblika 8/20s, struje odvoenja 10kA, Uodv= 262 kVvrno , Lsp=300 m, BFR=1/100km.godina, MTBF=400 godina i n=2. Rastojanje izmeu ugraenih odvodnika prenapona i tiene opreme (napr. energetski transformator) iznosi 30 m (T=0.1 s). Iz odabranih vrijednosti za Rt(MTBF)=1/400 god i Rkm(BFR)=1/100 km-god, dobije se

====400100

))((1MTBFBFRR

RL

km

tt 0.25 km

Uz odabrano Lsp=300 m, predpostavljena strmina upadnog atmosferskog prenapona je

1200+= tspc

LLK

S kV/s Vrijednosti konstanti kc i A, dati su u tabeli 4.1 Tabela 4.1 Konstanta priguenja koronom, kc i faktor A

Tip linije kc, kV-km/s A (kV) Distributivne linije (meufazni preskoci): -sa uzemljenim konzolama (preskok prema zemlji pri niskim vrijednostima napona) -sa drvenim stubovima (preskok prema zemlji pri visokim vrijednostima napona)

135 405

900 2700

Prenosne linije (jednofazni preskok prema zemlji) -jedan vodi -dva vodia

675 1050

4500 7000

Atmosferski prenaponi na tienoj opremi, tj. koordinacioni podnosivi prenapon, Ucw, je

kVTnSUU plcw 3821.02

120022622 =+=+= Zahtijevani podnosivi prenapon na atmosferske impulse, Urw, dobije se mnoenjem koordinacionog podnosivog prenapona, Ucw, sa sigurnosnim faktorom ks=1.05 i atmosferskim korekcionim faktorom, ka, koji iznosi 1.063 = 063.105.1rwU 382 = 426vrno kV (fazno i meufazno) Pregled dobijenih zahtijevanih podnosivih napona dat je u tabeli 4.2 Tabela 4.2 Pregled zahtijevanih podnosivih napona

Vrijednosti za Urw su : Vanjska izolacija -u kVeff za kratkotrajni napon industrijske frekvencije -u kVvrno za sklopne i atmosferske impulse

Oprema na ulazu u postrojenje

Ostala oprema

Kratkotrajni napon indust- fazno 118 kVeff 118 kVeff rijske frekvencije meufazno 163 kVeff 163 kVeff Atmosferski impulsi fazno 426 kVeff 426 kVeff meufazno 426 kVeff 426 kVeff Zahtijevani podnosivi napon na sklopni impuls obuhvaen je standardnim kratkotrajnim ispitivanjem na napon industrijske frekvencije ili ispitivanjem na standardni atmosferski impuls. 4.4 Izbor standardnih vrijednosti podnosivih napona Za vanjsku izolaciju postrojenja odabire se standardni kratkotrajni podnosivi napon industrijske frekvencije od 230 kVeff i standardni podnosivi napon na atmosferski impuls od 550 kVvrno. Minimalna zrana rastojanja izmeu faza i izmeu faze i uzemljenih dijelova mora biti jednaka ili vea od 1100 mm [3]. LITERATURA [1] A.R.Hileman, Insulation Coordination for Power Systems, Marcel Dekker, 1999 [2] IEC 71-1 Insulation coordination, Part 1, Definitions, principles and rules, 1993 [3] IEC 71-2 Insulation coordination, Part 2. Application guide, 1996