Blog

Jun 06, 2023

High Altitude Power: Leitungsisolierung in der Himalaya-Region

Von Swapan K. Bhowmick, Berater, Teestavalley Power Transmission Limited. Bei der Isolationskoordination handelt es sich um den Prozess der Korrelation der Spannungsfestigkeit elektrischer Geräte und deren Eigenschaften

Von Swapan K. Bhowmick, Berater, Teestavalley Power Transmission Limited

Unter Isolationskoordination versteht man den Prozess der Korrelation der Spannungsfestigkeit elektrischer Geräte und der Eigenschaften von Schutzgeräten mit erwarteten Überspannungen. Der gesamte Aspekt der Isolationskoordination basiert auf den statistischen Phänomenen der Überspannungswahrscheinlichkeit sowie der Durchschlagsentladungswahrscheinlichkeit der Isolation aufgrund von Überspannungen. Das Risiko eines Isolationsversagens hängt von den Wahrscheinlichkeiten ab. Obwohl ein gewisses Ausfallrisiko akzeptabel ist, hängt die Höhe des tolerierbaren Risikos von wirtschaftlichen Überlegungen und der Zuverlässigkeit der Dienste ab. Daher bezieht sich der Isolationsgrad eher auf statistische Daten als auf eine mathematische Funktion.

Überspannungen, die die Spannungsfestigkeit der Isolierung beeinträchtigen, können wie folgt klassifiziert werden:

Vorübergehende Überspannungen werden durch Erdschlüsse, plötzliche Lastabweisung, Resonanz oder Feroresonanz oder andere Systemunfälle verursacht und liegen in Form ungedämpfter oder leicht gedämpfter Schwingungen vor, deren Frequenz gleich oder nahe der Netzfrequenz ist und für die Dauer einiger Zyklen anhält auf ein paar Sekunden. Schaltimpulsüberspannungen werden durch das Schalten von Stromleitungen, automatische Wiedereinschaltung mit hoher Geschwindigkeit, phasenverschobenes Schalten von Kabeln, Kondensatorbatterien, Nebenschlussdrosseln und Wiedereinschalten des Leistungsschalters verursacht und dauern im Bereich von tausend Mikrosekunden an. Schaltstoßüberspannungen treten aufgrund des Leitungsladestroms in einer Stromleitung mit einer Spannung von 400 kV und mehr vorherrschend auf und müssen kontrolliert werden, um eine höhere Isolierung zu vermeiden. Blitzstoßüberspannungen sind unabhängig von der Systemspannung, hängen jedoch von der Systemimpedanz ab und werden durch direkte Schläge auf den Leiter verursacht, die für eine Dauer im Mikrosekundenbereich anhalten.

Darüber hinaus können Rücküberschläge und Blitzeinschläge auf die Erde in unmittelbarer Nähe einer Stromleitung zu einem induzierten Blitzimpuls führen. Das Ausmaß von Rücküberschlägen wäre höher, wenn die Erdimpedanz eines Turms aufgrund des felsigen Bodens hoch ist. Bei Sommergewittern kommt es am häufigsten zu negativ geladenen Direktschlägen. Positiv geladene direkte Einschläge treten in der Nähe des Ozeans häufiger auf und kommen bei Wintergewittern sehr häufig vor. Positiv geladene direkte Blitze sind Einzelblitze mit größerer Stromstärke und einer sehr langsamen Wellenfront, während negativ geladene direkte Blitze mit geringerer Stromstärke erscheinen.

Die Spannungsfestigkeit von Geräten basiert auf ihrem Nennisolationsgrad. Die äußere Isolierung einer Stromleitung besteht aus einer selbstheilenden Luft- und Feststoffisolierung in Form von Isolatorsträngen bestehend aus Scheibenisolatoren und Langstabisolatoren. Bei Geräten, die für Systemspannungen unter 400 kV ausgelegt sind, wird der Isolationsgrad durch die Nenn-Blitzstoßfestigkeit und die Netzfrequenz-Spannungsfestigkeit bestimmt. Bei einer Systemspannung von 400 kV und mehr wird die Isolierung durch die Bemessungs-Schaltstoßfestigkeit und die Bemessungs-Blitzstoßfestigkeit bestimmt. Dies wird auch als Grundimpulsniveau bezeichnet. Weitere Faktoren, die die elektrische Isolierung beeinflussen, sind Höhenlage und klimatische Bedingungen wie Verschmutzung und relative Luftfeuchtigkeit. Die Verschmutzung bestimmt die Kriechstrecke der Isolierung. Die Länge des Isolatorstrangs einer Stromleitung basiert auf der Blitzstoßfestigkeit, der Schaltstoßfestigkeit, der Spannungsfestigkeit der Netzfrequenz und den Betriebsbedingungen wie Höhe, Verschmutzung und Luftfeuchtigkeit.

Aus wirtschaftlichen und industriellen Gründen sind Geräte so ausgelegt, dass sie der erforderlichen Spannungsfestigkeit im Bereich normaler Betriebsbedingungen standhalten, d. h. maximale Umgebungstemperatur von 40 °C, Höhe nicht mehr als 1.000 Meter. Dementsprechend wurden die folgenden Standardisolationswerte übernommen, denen 400-kV-Wechselstromgeräte unter normalen Betriebsbedingungen standhalten können:

Bei Höhen über 1.000 Metern wird der notwendige atmosphärische Korrekturfaktor berücksichtigt. Die Durchschlagsfestigkeit der Luft wird von der Luftdichte (Temperatur und Druck) und der Luftfeuchtigkeit beeinflusst. Solche Effekte müssen bei der Planung und Prüfung der Außendämmung berücksichtigt werden. Auch die relative Luftdichte und die absolute Luftfeuchtigkeit haben Einfluss auf die Spannungsfestigkeit der Luft. Als Näherung kann man davon ausgehen, dass die Durchschlagsfestigkeit von Luft bei kürzeren Spalten proportional zur relativen Luftdichte ist und dass die Durchschlagsfestigkeit von Luft bei längeren Spalten weniger als proportional zur Luftdichte ist. Das in IEC 60071-2 empfohlene Höhenkorrekturverfahren ist für die Isolationskoordination und Bestimmung der Typprüfspannung am besten geeignet. Es kann zur Höhenkorrektur für Höhen bis zu 4.000 m eingesetzt werden. Der Höhenkorrekturfaktor (k) für die Luftisolierung sollte für Geräte angewendet werden, um die Höhe (H) über 1.000 m zu korrigieren, wie in der folgenden Formel angegeben:

k=em(H-1000)/8150)

Der Faktor „m“ ist abhängig von der Spaltlänge, der Spaltstruktur, der Spannungsart und der relativen Luftdichte. Für LIWL ist m=1 und für SIWL ist m=0,75.

Für Geräte, die in einer Höhe über 1.000 Metern betrieben werden, erhöhen sich die Abstandsanforderungen alle 100 Meter über 1.000 Metern um 1 Prozent.

Für die Kriechstrecke sollte auch ein Höhenkorrekturfaktor angewendet werden, der auf der Netzfrequenzspannung und dem Verschmutzungsgrad basiert. Die Höhenkorrektur für die Kriechstrecke gilt als die gleiche wie für die Luftisolationskorrektur mit m=0,5.

Teestavalley Power Transmission Limited hat eine zwischenstaatliche 400-kV-Doppelkreis-Vierfach-ACSR-Elchleiter-Stromleitung mit einer Länge von 215 km für die Ableitung von Strom aus einem großen Wasserkraftwerkskomplex in Sikkim mit rund 3.000 MW im Einzugsgebiet des Teesta-Flusses errichtet. Der Strom wird in die östliche Region geliefert und von dort in die nördliche/westliche Region weitergeleitet. Die Stromleitung geht vom 400-kV-Kraftwerk des Wasserkraftprojekts Teesta III (HEP) mit einer Kapazität von 1.200 MW in Mangan im Norden von Sikkim aus, dem zweitgrößten Wasserkraftprojekt in Indien, und endet an der 400-kV-GIS-Pooling-Station Kishanganj im Norden von Bihar . Zwei 400-kV-XLPE-Kabel verbinden den Pothead Yard und die 400-kV-GIS-Schaltanlage des Teesta III HEP, die sich auf einer Höhe von 870 bzw. 792 Metern befinden. Der Damm des Wasserkraftwerks Teesta III am Fluss Teesta liegt am Zusammenfluss der Flüsse Lachung und Lachen auf einer Höhe von 1.590 m. Es liegt in Chungthang nahe der indochinesischen Grenze. Die zwischenstaatliche Freileitung verläuft durch das schwierigste hügelige Gelände im Norden, Osten und Süden von Sikkim. Mehr als die Hälfte der insgesamt 589 Masten der Linie befinden sich in einem steilen Hügelhang mit einer Höhe von bis zu 2.600 Metern, wo harte Felsböden und trockenes, zerklüftetes Gestein vorherrschen. Dadurch erhöht sich der Widerstand des Turmfundaments erheblich. Alle Türme im hügeligen Gelände bestehen aus Schornsteinverlängerungen bis zu 12 Metern sowie Beinverlängerungen mit einer Länge von (-) 9 Metern bis (+) 9 Metern. Viele Türme bestehen auch aus Rumpfverlängerungen bis zu 30 Metern. Die restlichen Türme befinden sich in den Ebenen von Nordbengalen und Nord-Bihar in Höhen von bis zu 1.000 Metern. Die maximale Höhe eines Turms von der stark gewellten untersten Bodenebene im steilen Hügelgebiet einschließlich Schornsteinverlängerungen, Beinverlängerungen und Rumpfverlängerungen beträgt bis zu 117 Meter. Das gesamte Gelände ist sehr anfällig für Blitze mit einer isometrischen Intensität von 50–60 pro Jahr.

Die Überspannung durch Blitzstöße wurde an den Pothead-Yard-Terminals des HEP Teesta III mit direktem Blitzeinschlag auf den ersten Turm der 400-kV-Leitung Teesta III-Kishanganj mit Blitzströmen von 120 kA entsprechend negativen Blitzen und 200 kA entsprechend positiven Blitzen berechnet. Die maximalen Blitzüberspannungen an Pothead-Yard-Terminals mit 120 kA negativen Blitzen und 200 kA positiven Blitzen wurden mit 1.140 kV bzw. 1.240 kV ermittelt. Diese Blitzüberspannungen lagen innerhalb der Sicherheitsmargen von 25–15 Prozent, wobei die Blitzstoßfestigkeitsgrenze bei 1.425 kV lag, wie für Schaltanlagenausrüstung spezifiziert.

Basierend auf dem Grundimpulspegel von 1.550 kV, dem Schaltimpulsfestigkeitswert von 1.050 kV und dem Netzfrequenzfestigkeitswert von 680 kV hat Teestavalley Power Transmission Limited die folgenden Verbund-Langstabisolatoren für den 400-kV-Gleichstrom-Quad-Elch-Teesta ausgewählt III HEP-Kishanganj-Linie in flachem Gelände mit einer Höhe von bis zu 1.000 Metern:

Diese Verbund-Langstabisolatoren für Höhen bis zu 1.000 m wurden wie bereits erwähnt auf die Impulspegel typgeprüft.

Unter Berücksichtigung des entsprechenden atmosphärischen und Höhenkorrekturfaktors, wie im vorstehenden Absatz angegeben, hat Teestavalley Power Transmission Limited die folgenden Verbund-Langstabisolatoren für die 400-kV-D/C-Quad-Elch-Leitung Teesta III HEP – Kishanganj in hügeligem Gelände aufgrund der Höhe ausgewählt bis zu 2.300 Meter.

Diese Verbund-Langstabisolatoren für hügeliges Gelände wurden im Jahr 2011 von Teestavalley Power Transmission Limited am Central Power Research Institute in Bangalore erfolgreich typgeprüft. Diese Isolatoren sind für Höhen bis zu 2.300 m und für die folgenden Impulspegel geeignet:

Obwohl der Entwurf und die Konstruktion der Verbund-Langstabisolatoren wie in der Planungsphase vorgesehen auf der höchsten Höhe von 2.300 m durchgeführt wurden, musste aufgrund der vorherrschenden Standortbedingungen ein Turm auf einer Höhe von 2.600 Metern errichtet werden.

Abschließend hat Teestavalley Power Transmission Limited Verbund-Langstabisolatoren mit einer Länge von 3.770 mm und 4.250 mm, einer Kriechstrecke von 11.900 mm bzw. 11.330 mm und einem Grundimpulspegel von 1.821 kV im 400-kV-Gleichstrom-Vierfach-ACSR-Elchleiter installiert Stromleitung. Es verbindet das HEP Teesta III im Norden von Sikkim mit der Kishanganj Pooling Station in Nord-Bihar über Darjeeling in Nordbengalen mit Höhen von bis zu 2.600 Metern über dem mittleren Meeresspiegel. Die zusammengesetzten Langstabisolatoren beseitigen Unsicherheiten bei der Anwendung der Atmosphären- und Höhenkorrektur in der Himalaya-Region.