Composite Insulated Instrument Transformers for AC & DC - PowerPoint PPT Presentation

Composite Insulated Instrument Transformers for AC & DC Applications ERIK SPERLING

COMPOSITE ¡INSULATED ¡ INSTRUMENT ¡TRANSFORMERS ¡ FOR ¡AC ¡& ¡DC ¡APPLICATIONS ¡ by ¡Erik ¡Sperling ¡

Presenta?on ¡overview ¡ • Introduc?on ¡ • Basic ¡design ¡criteria ¡for ¡instrument ¡transformer ¡applica?on ¡ • Mechanical ¡discussion ¡ • Electrical ¡field ¡distribu?on ¡ • Heavy ¡rain ¡test ¡performance ¡ • AC ¡applica?on ¡ • DC ¡applica?on ¡– ¡new ¡development ¡of ¡combined ¡unit ¡ RJGF400DC ¡ • Conclusion ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 2 / 8/25/15

Introduc?on ¡ ¡ • AC ¡system ¡voltage ¡market ¡with ¡composite ¡insulator ¡solu?on ¡ 72.5kV ¡ 123kV ¡ 145kV ¡ 170kV ¡ 245kV ¡ 300kV ¡ 362kV ¡ 420kV ¡ 550kV ¡ with ¡HV ¡oil/paper ¡insula?on ¡/ ¡SF 6 -­‑gas ¡(or ¡gas ¡mixtures) ¡insula?on ¡ • DC ¡system ¡voltage ¡market ¡with ¡composite ¡insulator ¡solu?on ¡ ±10kV ¡ ±100kV ¡ ±250kV ¡ ±320kV ¡ ±400kV ¡ ±500kV ¡ ±800kV ¡ with ¡HV ¡SF 6 -­‑gas ¡(or ¡gas ¡mixtures) ¡insula?on ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 3 / 8/25/15

Basic ¡design ¡criteria ¡ ¡ requirements ¡to ¡instrument ¡transformer ¡insulators ¡ ¡ ¡ • arcing ¡distance, ¡depending ¡on ¡voltage ¡levels ¡(test ¡voltage, ¡lightning-­‑ ¡ and ¡switching ¡voltage, ¡tests ¡under ¡wet ¡or ¡dry ¡condi?ons) ¡ • voltage ¡distribu?on ¡along ¡the ¡arcing ¡distance ¡of ¡insulator ¡ • creepage ¡distance, ¡depending ¡on ¡pollu?on ¡level ¡ • installa?on ¡at ¡an ¡al?tude ¡higher ¡than ¡1000 ¡m ¡ • mechanical ¡stresses ¡like ¡bending ¡load, ¡vibra?ons ¡and ¡earthquake ¡ load ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 4 / 8/25/15

Basic ¡design ¡criteria ¡– ¡Mechanical ¡discussion ¡ ¡ 1* : ¡sum ¡of ¡all ¡mechanical ¡load ¡during ¡service ¡ ¡ 2* : ¡sta?c ¡test ¡bending ¡load ¡ ¡ 3* : ¡dynamic ¡bending ¡load ¡ 4* : ¡guaranteed ¡mean ¡value ¡of ¡the ¡breaking ¡strength ¡ ¡ Acc. ¡DIN ¡48113 ¡& ¡IEC ¡61869-­‑1 ¡ 1.0 ¡× ¡MML: ¡Maximum ¡mechanical ¡load ¡(MML) ¡which ¡ is ¡the ¡design ¡load ¡ 1.5 ¡× ¡MML: ¡Damage ¡limit ¡ 2.5 ¡× ¡MML: ¡Type ¡test ¡SML ¡bending ¡load ¡ Acc. ¡IEC ¡61462 ¡& ¡IEC ¡61869-­‑1 ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 5 / 8/25/15

Basic ¡design ¡criteria ¡– ¡Mechanical ¡discussion ¡ ¡ d ¡ Deflec?on ¡ ¡ op?miza?on ¡ ¡ ¡ ¡ Mechanical ¡type ¡test ¡on ¡ a ¡3.43m ¡composite ¡ insulator ¡(D i =150mm) ¡ d a ¡= ¡172 ¡mm ¡ with ¡11kN ¡ l ¡= ¡2000 ¡mm ¡ F ¡= ¡5 ¡kN ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 6 / 8/25/15

Basic ¡design ¡criteria ¡– ¡Electrical ¡field ¡distribu?on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 4.5 ¡kV/cm ¡ fine-­‑grade ¡ linear-­‑grade ¡ low-­‑grade ¡/ ¡ ¡ non-­‑grade ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 7 / 8/25/15

Basic ¡design ¡criteria ¡– ¡Heavy ¡rain ¡test ¡performance ¡ ¡ porcelain ¡insulator ¡for ¡145 ¡kV ¡ ¡ composite ¡insulator ¡for ¡123 ¡kV ¡ ¡ Switching ¡impulse ¡test ¡ at ¡1050kVpeak ¡under ¡ • water ¡conduc?vity ¡ ¡ ¡than ¡IEC ¡ wet ¡condi?ons ¡ • rainfall ¡density ¡ ¡ ¡than ¡IEC ¡ • No ¡internal ¡grading ¡ • Voltage ¡raise ¡up ¡to ¡discharge ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 8 / 8/25/15

AC ¡applica?on ¡– ¡voltage ¡measurement ¡transformers ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 9 / 8/25/15

AC ¡applica?on ¡– ¡current ¡measurement ¡transformers ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 10 / 8/25/15

AC ¡applica?on ¡– ¡combined ¡measuring ¡units ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 11 / 8/25/15

DC ¡applica?on ¡– ¡electrical ¡requirements ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 12 / 8/25/15

DC ¡applica?on ¡– ¡basics ¡ ¡ ¡ Voltage section ¡ U N ¡ ±400 kV DC ¡ Voltage ¡measurement: ¡RC-­‑divider ¡technology ¡ ¡ U M ¡ ±415 kV DC ¡ U 2 ¡ ±5 V DC ¡ 𝒈 →𝟏 ¡ ¡ ¡ I N ¡ ±1 mA ¡ ​𝑉 ↓ 2 /​𝑉 ↓ 1 = ​𝑆↓ 2 /​𝑆↓ 2 + ​𝑆↓ 1 ∙ ​( 1+ 𝑘𝜕​𝐷↓ 2 ​𝑆↓ 2 )/ Acc. up to 1.1 p.u. U N ¡ ≤ ±0.2 % ¡ ¡ ( 1+ 𝑘𝜕​𝐷↓ 1 ​𝑆↓ 1 ) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ​𝑆↓ 2 /​𝑆↓ 2 + ​𝑆↓ 1 ¡ Acc. up to 1.5 p.u. U N ¡ ≤ ±0.5 % ¡ Acc. up to 3 kHz ¡ ±2 % ¡ U BIL ¡ 1175 kV peak ¡ U SIL ¡ 950 kV peak ¡ U Test dry / wet ¡ ±625 kV DC ¡ Current ¡measurement: ¡Shunt ¡technology ¡ PD at: ( ≤ 2pC) ¡ 440 kV rms ¡ U Test AC ¡ 510 kV rms ¡ RIV level: ¡ ≤ 2500 µV ¡ 𝑉 = ​𝑆↓𝑡ℎ𝑣𝑜𝑢 ∙ 𝐽 50 mm/kVDC ¡ Creepage distance factor (cdf) ¡ ¡ Current section I pr ¡ ±2000 A DC ¡ I sc (transient) ¡ ±10000 A DC ¡ Acc. class: ¡ ±0.02 % ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 13 / 8/25/15

DC ¡applica?on ¡– ¡design ¡of ¡composite ¡insulator ¡ ¡ Min. arcing mean ¡outer ¡diameter ¡ Test ¡ Value ¡ ¡ distance l AD ¡ 1. U Test_DC ¡ ±625 kV DC ¡ 2300 mm ¡ ¡ 2. U Test_AC ¡ 510 kV rms ¡ 2200 mm ¡ 3. U BIL ¡ ±1175 kV peak ¡ 2400 mm ¡ ¡ 4. U SIL ¡ +950 kV peak ¡ 3200 mm ¡ 5. cdf ¡ 50 mm/kVDC ¡ 4800 mm ¡ Nominal ¡creepage ¡distance ¡length: ¡ 20750 ¡mm ¡ ¡ U M ¡ = ¡±415 ¡kVDC ¡ Cdf ¡= ¡50 ¡mm/kVDC ¡ • maximum ¡system ¡voltage ¡ U M ¡ • k SP ¡= ¡0.8 ¡-­‑ ¡reduc?on ¡of ¡equivalent ¡porcelain ¡ ¡ creepage ¡distance ¡ • k Lapp ¡= ¡3.5 ¡-­‑ ¡rela?on ¡of ¡shed ¡profile ¡CD/AD ¡ ​𝑚↓𝐵𝐸 = ​𝑉↓𝑁 ∙(50 𝑛𝑛 / 𝑙𝑊 )∙ ​𝑙↓𝑇𝑄 ∕​ 𝑙↓𝑀𝑏𝑞𝑞 PFIFFNER Technology Ltd. / Page 14 / 8/25/15

DC ¡applica?on ¡– ¡external ¡field ¡grading ¡ ¡ ¡ Current ¡measuring ¡system ¡with ¡ shunt ¡technology ¡ ¡ ¡ E-­‑field ¡simula?on ¡result ¡ with ¡lightning ¡impulse ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 15 / 8/25/15

DC ¡applica?on ¡– ¡design ¡of ¡DC ¡combined ¡unit ¡ ¡ Voltage ¡measuring ¡system ¡with ¡ RC-­‑divider ¡ ¡ technology ¡ ¡ RC-­‑divider ¡unit ¡ ¡ ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 16 / 8/25/15

Conclusions ¡ ¡ AC ¡applica?on ¡ ¡ • Solu?ons ¡are ¡on ¡the ¡market ¡for ¡the ¡complete ¡voltage ¡range ¡ ¡ • Mechanical ¡forces ¡and ¡their ¡effect ¡to ¡the ¡deflec?on ¡have ¡to ¡be ¡taken ¡into ¡account ¡ ¡ • Voltage ¡grading ¡has ¡a ¡very ¡important ¡impact ¡to ¡the ¡design ¡of ¡an ¡composite ¡insulator ¡ ¡ DC ¡applica?on ¡ • Solu?ons ¡with ¡composite ¡insulators ¡are ¡on ¡the ¡market ¡for ¡all ¡used ¡voltage ¡levels ¡ ¡ • Voltage ¡and ¡current ¡measurement ¡is ¡available ¡with ¡very ¡high ¡precision ¡ • Pollu?on ¡/ ¡leakage ¡current ¡effects ¡are ¡s?ll ¡in ¡study ¡status ¡ PFIFFNER Technology Ltd. / Page 17 / 8/25/15