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Isolationskoordination - Power Systems and High Voltage
Isolationskoordination Folie 1 Isolationskoordination Übersicht 1. Atmosphärische Entladungen Entwicklung von Blitzentladungen Stromkennwerte Blitzableiter 2. Isolationskoordination Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 2 1. Atmosphärische Entladungen P bl Problem Lightning g g has never changed. But structures and systems exposed to it have changed g dramatically. Zürich by Night Photo Keystone Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 3 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Beispiele Parallele Entladung Blitz Wolke-Wolke (70 – 80%) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 4 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Beispiele Blitz abwärts - verzweigt Blitz aufwärts - verzweigt Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 5 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Beispiele Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 6 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Ladungstrennung in Gewitterwolken Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 7 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Leitblitz und Fangentladung (Hasse-Wiesinger S. 19) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 8 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Vorwachsstufen des Blitzes A) Ladungstrennung B) Kanalbildung in Wolke C) Kanalwachstum gegen Erde IInfluenz fl an exponierten i t Stellen Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 9 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Vorwachsstufen des Blitzes D) Ausbildung von Fangentladungen E) Wachstum der Fangentladungen Vorlesung Hochspannungstechnologie F) Kanalverbindung, Kanalverbindung Hauptentladung FS09 Isolationskoordination Folie 10 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Vorwachsstufen des Blitzes G) Lö Löschen h nach h Hauptentladung H) Folgeentladung F l tl d Vorlesung Hochspannungstechnologie I) Löschen Lö h nach h FolgeF l entladung FS09 Isolationskoordination Folie 11 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 12 1. Atmosphärische Entladungen Entwicklung E t i kl von Blitzentladungen Blit tl d Schmierbild eines Leitblitzes vor Hauptentladung Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 13 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Hauptentladung Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 14 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Negativ, abwärts (häufig) I =34 kA Negativ, aufwärts (nur von sehr grossen Strukturen erdseitig) I < 1 kA Positiv, abwärts ( lt d.h. (selten, d h <10%) %) Positiv, aufwärts (häufig bei grossen Strukturen Erdseitig) I > 50 kA I = Mittelwert des Blitzstroms Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 15 1. Atmosphärische Entladungen E t i kl Entwicklung von Blitzentladungen Blit tl d Beispiele Blitzeinschlag in Lugano (Blick vom Monte San Salvatore) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 16 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Monte San Salvatore (Lugano) Wichtige Beiträge zur Blitzforschung (1943 – 1971) unter Karl Berger (ETH Prof. 1948-1969) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 17 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Blitzstromverlauf Erde-Wolke-Blitz aus negativer Erde Wolke-Erde-Blitz (K. Berger, Bulletin SEV, Bd. 57 (1966)) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 18 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Blitzstromverlauf Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 19 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Blitzstromverlauf Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 20 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Beispiel zu Aufbau der Entladung, Hauptentladung und Teilentladungen ((http://www.lightningtech.com/f p g g f_sets/facilities.html) f ) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 21 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Front Shape Parameters Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 22 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Front Shape Parameters Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 23 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Die unterschiedlichen Belastungen durch Blitzschlag 1 i t R Stress S ess Blitzstromparameter s o pa a e e Schweissen Ladung Q idt Hitzeentwicklung Action Integral 2 i dt L Überspannung Stromsteilheit di dt ZW Überspannung Stromscheitelwert Diese 4 Blitzstromparameter sind für die Beurteilung und das Testen von Komponenten zentral Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 i Isolationskoordination Folie 24 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Die unterschiedlichen Belastungen durch Blitzschlag 2 Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 25 1. Atmosphärische Entladungen St Stromkennwerte k t Beispiel Blitzstromparameter: Summenhäufigkeit des Stromscheitelwerts Median: I ≈ 35 kA Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 26 1. Atmosphärische Entladungen Blit i Blitzeinschlag hl Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 27 1. Atmosphärische Entladungen Blit i Blitzeinschlag hl Stromverlauf der Hauptentladung Ist in erster Näherung eine kapazitive Entladung I Q Io Io = 2…300 kA Io mittel = 35 kA U bis zu mehreren 100MV di/dt einige g 10 kA/μs μ i t Io e RB t 350 s U Zo 350 μs RE Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 t Isolationskoordination Folie 28 1. Atmosphärische Entladungen Blit i Blitzeinschlag hl Einfluss der Objektimpedanz grobe Schätzung für RB: 8 Q U 10 RB 5 103 I 0 10 Objektimpedanz Z0: Zo = kΩ…MΩ Überschlag leitfähiges l itfähi Plasma Pl RB U Zo RE Erdwiderstand RE: RE = einige Ω, Der Stromverlauf ist praktisch unabhängig von RE und Zo Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 29 1. Atmosphärische Entladungen Blit i Blitzeinschlag hl Erdwiderstand Erdwiderstand in Abhängigkeit der Erdleitfähigkeit -1 und dem Schutzniveau Geforderter Erdwiderstand für verschiedene Schutzniveaus Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 30 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Fehlender Blitzableiter Annahme: Io = 10 kA Zo = 200 kΩ Uo= 2000 MV RB Durchschlag oder Überschlag und Reduktion von ZO auf einige Ohm (Plasma) Zo RE Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Zo Isolationskoordination Folie 31 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Fehlender Blitzableiter – Beispiele Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 32 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Schutzmassnahme Blitzableiter Uo Zo ~ einige 10 mΩ << RB L ca. 1 μH/m Uo ~ nur einige 100 V Spannung über einer Richtungsänderung ~ 10 μH über die Kante Annahme: A h di/d = 5 kA/µs di/dt kA/ u = L di/dt = 50kV Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 33 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Enddurchschlagstrecke Startende Fangentladung legt den Einschlagspunkt fest Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 34 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Enddurchschlagstrecke Länge der Enddurchschlagstrecke durch empirische Formel hb 2 I max 30 1 e I max /6.8 Imax Blitzstrom peak [kA] hb Enddurchschlagsstrecke [m] Die D e Enddurchschlagstrecke ddu c sc agst ec e hängt ä gt also a so vom o B Blitzstrom t st o ab Beispiele: hb [m] Imax [kA] 20 3.7 30 6.1 45 10.6 Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 35 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Schutzraum beim Fangstab Schutzraum und Schutzraumwinkel – wobei h < hB Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 36 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Beispiele zum Schutzraum beim Fangstab: Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 37 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Schutzraum beim Fangstab Schutzraum – wobei h > hB Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 38 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Schutzraum einer Fangleitung Schutzraum – wobei h > hB Vorlesung Hochspannungstechnologie Fangleitung bzw. Erdseil FS09 Isolationskoordination Folie 39 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Schutzraum zweier horizontaler Fangleitungen Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 40 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Blitzkugel Feststellen der Schutzwirkung der Fangstangen für das Gebäude Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 41 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Beispiel Radar-Nase Flugzeug (Allen Hall, 2005 Int. Conf. on Lightning and Static Electricity ) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 42 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Beispiel Radar-Nase Flugzeug – Funktion Hülle • Sandwich composite • geringe Leitfähigkeit (gegen statische Aufladung) • transparent für das Radar • Muss M ss vor or Blit Blitzeinschlag eins hlag geschützt ges hüt t werden Schutz Metallische Streifen Radome Radar Rumpf (leitend) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 43 1. Atmosphärische Entladungen Blit bl it Blitzableiter Beispiel Radar-Nase Flugzeug – Test im Labor N Negative ti Polarity P l it -909 kV / -5.51 kA Positive Polarity 771 kV / 4.33 kA Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 43 Isolationskoordination Folie 44 1. Atmosphärische Entladungen Üb Überspannungen d durch h Blitzeinschlag Blit i hl Backflash St Stromwerte t ca. > 70kA kA Shielding failure S hi d hd i Schirmdurchdringung bei b i Stromwerten ca. < 5kA Induced Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 45 1. Atmosphärische Entladungen Üb Überspannungen d durch h Blitzeinschlag Blit i hl Berechnungsschema zum Backflash Schematische Darstellung g einer 3-phasigen g Übertragungsleitung g g g incl. Mastgeometrie (Stricken Tower) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 46 1. Atmosphärische Entladungen Üb Überspannungen d durch h Blitzeinschlag Blit i hl Spannungsverlauf an Mast und Leiter beim Backflash Blitzstromverlauf: Spannungsverlauf (T: Spannung am Mast, C: Spannung am Leiter): Spannung am Leiter vor dem Durchschlag kapazitiv eingekoppelt Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 47 1. Atmosphärische Entladungen Üb Überspannungen d durch h Blitzeinschlag Blit i hl Shielding Penetration (Schirmdurchdringung) Spannung p g am Leiter: U I Z 2 Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 48 1. Atmosphärische Entladungen Üb Überspannungen d durch h Blitzeinschlag Blit i hl Shielding Penetration Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 49 1. Atmosphärische Entladungen I k Isokeraunischer i h Pegel P l Gewittertage / Jahr Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 50 2. Isolationskoordination Definition (gemäss IEC 60071-1): The selection of the dielectric strength of equipment in relation to the voltages which can appear on the system for which the equipment is intended and taking into account the service enviroment and the characteristics h t i ti off available il bl protective t ti devices. d i Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 51 2. Isolationskoordination Abl f in Ablauf i 5 Schritten S h itt (IEC 60071 60071-2) 2) 1 . Analyse der Betriebs- und Überspannungen im Netz Repräsentative Spannung Urp 2. Risikoanalyse Wahrscheinlichkeit des Auftretens f von Urp vs. Wahrscheinlichkeit des Versagens der Isolierungen Koordinations-Stehspannung Ucw 3. Sicherheitsfaktor und Faktor für Betriebsbedingungen (Dichte der Luft bei externen Isolationen) Erforderliche Stehspannung Urw 4. Umrechnung von auf Urw genormte Prüfspannungstypen Erforderliche Stehspannung Urw 5. Auswahl normierter Prüfspannungen, welche die b berechneten h t Werte W t aus Schritt S h itt 4 (Urw) abdecken Steh- oder Bemessungsspannung Uw Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 52 2. Isolationskoordination B Bemessungsspannung Genormte Isolationspegel im Bereich Um 300 kV (IEC 60071-1) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 53 2. Isolationskoordination B Bemessungsspannung Graphische Darstellung der genormten Isolationspegel (IEC 60071-1) LI: Blitzstossspannung (lightning g g impulse) p SI: Schaltstossspannung (switching impulse) SD:: KurzzeitS u et Wechselspannung (short duration power frequency) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 54 2. Isolationskoordination B Bemessungsspannung Genorm mte Ste ehspann nungen [[pu] Graphische Darstellung der genormten Isolationspegel per unit (IEC 60071-1) 60071 1) 12 LI: Blitzstossspannung (l h (lightning impulse) l ) SI: Schaltstossspannung (switching impulse) SD: KurzzeitWechselspannung ((short duration p power frequency) 10 8 6 4 2 LI SD SI 0 0 200 400 600 800 Höchste Betriebsspannung [kV] Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 55 2. Isolationskoordination Ri ik b hät Risikoabschätzung Auftrittswa ahrscheiinlichkeiit p Überspannungswahrscheinlichkeit Durchschlagswahrscheinlichkeit pStress pStrength Spannung Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 V Isolationskoordination Folie 56 2. Isolationskoordination Ri ik b hät Risikoabschätzung Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 57 2. Isolationskoordination Üb Überspannungsableiter bl it Ansprechzeit von Überspannungsableitern 15 kA Überspannungsableiter Beim GIS-Eingang: g g Beim Trafo-Eingang: Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 58 3. Gasisolierte Systeme B i i l Beispiele GIS der Eskom (Südafrika) ELK-4 ELK 4 (765 kV) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 59 3. Gasisolierte Systeme B i i l Beispiele GIS der Eskom Überspannungsableiter Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 60 3. Gasisolierte Systeme B i i l Beispiele GIS der Eskom Überspannungsableiter Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 61 3. Gasisolierte Systeme B i i l Beispiele GIS der Eskom Schema: Überspannungsverlauf (Schirmdurchdringung): Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 62 3. Gasisolierte Systeme B i i l Beispiele GIS der Eskom Schema Schema: 1625 kV Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 63 3. Gasisolierte Systeme B i i l Beispiele GIS der Eskom Schema: Spannung am Transformator: 1625 kV Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 64 3. Gasisolierte Systeme B i i l Beispiele GIS der Eskom Schema Schema: 1750 kV Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 65 3. Gasisolierte Systeme B i i l Beispiele GIS der Eskom 2000 kV Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 66 Technologie elektrischer Energiesysteme (7. Sem) (Fröhlich) Inhalt • Grundlegende physikalische Aspekte zum Führen von Strom und Spannung zum Transport und Nutzung elektrischer Energie (Vertiefung aus dem 5. 5 Semester) • Aufkeimende neue Technologien im Bereich der elektrischen Energieübertragung und -verteilung (z.B. Supraleitung, Strombegrenzung, Speicherung, HGUe) • Elektromagnetische Verträglichkeit für Anlagen und Personal • Intelligenz für Einrichtungen der el. el Energieversorgung • Alternative (erneuerbare) Energiequellen • Projektarbeit j • Je eine Exkursion in EVU und Industrie Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Isolationskoordination Folie 67 Literatur Kapitel Küchler: N° Titel Kommentar 6.1.4 Isolationskoordination wichtig 7.4.1 Blit h t Blitzschutz wichtig i hti Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09
