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

Composite Insulated Instrument Transformers for AC & DC Applications

ERIK SPERLING

by ¡Erik ¡Sperling ¡

COMPOSITE ¡INSULATED ¡ INSTRUMENT ¡TRANSFORMERS ¡ FOR ¡AC ¡& ¡DC ¡APPLICATIONS ¡

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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 ¡

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Introduc?on ¡ ¡ • AC ¡system ¡voltage ¡market ¡with ¡composite ¡insulator ¡solu?on ¡

72.5kV ¡ 123kV ¡ 145kV ¡ 170kV ¡ 245kV ¡ 300kV ¡ 362kV ¡ 420kV ¡ 550kV ¡

• DC ¡system ¡voltage ¡market ¡with ¡composite ¡insulator ¡solu?on ¡

±10kV ¡ ±100kV ¡ ±250kV ¡ ±320kV ¡ ±400kV ¡ ±500kV ¡ ±800kV ¡ with ¡HV ¡oil/paper ¡insula?on ¡/ ¡SF6-­‑gas ¡(or ¡gas ¡mixtures) ¡insula?on ¡ with ¡HV ¡SF6-­‑gas ¡(or ¡gas ¡mixtures) ¡insula?on ¡

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Basic ¡design ¡criteria ¡ ¡ ¡

• 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 ¡ requirements ¡to ¡instrument ¡transformer ¡insulators ¡ ¡

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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 ¡

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Basic ¡design ¡criteria ¡– ¡Mechanical ¡discussion ¡

¡

¡ ¡ ¡

Mechanical ¡type ¡test ¡on ¡ a ¡3.43m ¡composite ¡ insulator ¡(Di=150mm) ¡ with ¡11kN ¡ d ¡ Deflec?on ¡

• p?miza?on ¡ ¡

da ¡= ¡172 ¡mm ¡ l ¡= ¡2000 ¡mm ¡ F ¡= ¡5 ¡kN ¡

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Basic ¡design ¡criteria ¡– ¡Electrical ¡field ¡distribu?on ¡

¡

¡ ¡ ¡

4.5 ¡kV/cm ¡

low-­‑grade ¡/ ¡ ¡ non-­‑grade ¡ fine-­‑grade ¡ linear-­‑grade ¡

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Basic ¡design ¡criteria ¡– ¡Heavy ¡rain ¡test ¡performance ¡ ¡ ¡

porcelain ¡insulator ¡for ¡145 ¡kV ¡ composite ¡insulator ¡for ¡123 ¡kV ¡ ¡

• water ¡conduc?vity ¡ ¡ ¡than ¡IEC ¡
• rainfall ¡density ¡ ¡ ¡than ¡IEC ¡
• No ¡internal ¡grading ¡
• Voltage ¡raise ¡up ¡to ¡discharge ¡

Switching ¡impulse ¡test ¡ at ¡1050kVpeak ¡under ¡ wet ¡condi?ons ¡

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AC ¡applica?on ¡– ¡voltage ¡measurement ¡transformers ¡

¡

¡ ¡ ¡

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AC ¡applica?on ¡– ¡current ¡measurement ¡transformers ¡

¡

¡ ¡ ¡

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AC ¡applica?on ¡– ¡combined ¡measuring ¡units ¡

¡

¡ ¡ ¡

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DC ¡applica?on ¡– ¡electrical ¡requirements ¡

¡

¡ ¡ ¡

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DC ¡applica?on ¡– ¡basics ¡

¡

¡ ¡ ¡

¡ Voltage section ¡ UN ¡ ±400 kV DC ¡ UM ¡ ±415 kV DC ¡ U2 ¡ ±5 V DC ¡ IN ¡ ±1 mA ¡

• Acc. up to 1.1 p.u. UN ¡

≤ ±0.2 % ¡

• Acc. up to 1.5 p.u. UN ¡

≤ ±0.5 % ¡

• Acc. up to 3 kHz ¡

±2 % ¡ UBIL ¡ 1175 kV peak ¡ USIL ¡ 950 kV peak ¡ UTest dry / wet ¡ ±625 kV DC ¡ PD at: (≤ 2pC) ¡ 440 kV rms ¡ UTest AC ¡ 510 kV rms ¡ RIV level: ¡ ≤ 2500 µV ¡ Creepage distance factor (cdf) ¡ 50 mm/kVDC ¡ ¡ Current section Ipr ¡ ±2000 A DC ¡ Isc (transient) ¡ ±10000 A DC ¡

• Acc. class: ¡

±0.02 % ¡

Voltage ¡measurement: ¡RC-­‑divider ¡technology ¡ Current ¡measurement: ¡Shunt ¡technology ¡

​𝑉 ↓2 /​𝑉 ↓1 =​𝑆↓2 /​𝑆↓2 +​𝑆↓1 ∙​(1+𝑘𝜕​𝐷↓2 ​𝑆↓2 )/ (1+𝑘𝜕​𝐷↓1 ​𝑆↓1 ) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡​𝑆↓2 /​𝑆↓2 +​𝑆↓1 ¡ 𝒈→𝟏 ¡

¡

𝑉=​𝑆↓𝑡ℎ𝑣𝑜𝑢 ∙𝐽

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DC ¡applica?on ¡– ¡design ¡of ¡composite ¡insulator ¡

¡

¡ ¡ ¡

Test ¡ Value ¡

• Min. arcing

distance lAD ¡

• 1. UTest_DC ¡

±625 kV DC ¡ 2300 mm ¡

• 2. UTest_AC ¡

510 kV rms ¡ 2200 mm ¡

• 3. UBIL ¡

±1175 kV peak ¡ 2400 mm ¡

• 4. USIL ¡

+950 kV peak ¡ 3200 mm ¡

• 5. cdf ¡

50 mm/kVDC ¡ 4800 mm ¡

​𝑚↓𝐵𝐸 =​𝑉↓𝑁 ∙(50𝑛𝑛/𝑙𝑊)∙​𝑙↓𝑇𝑄 ∕​ 𝑙↓𝑀𝑏𝑞𝑞

• maximum ¡system ¡voltage ¡UM ¡
• kSP ¡= ¡0.8 ¡-­‑ ¡reduc?on ¡of ¡equivalent ¡porcelain ¡ ¡

creepage ¡distance ¡

• kLapp ¡= ¡3.5 ¡-­‑ ¡rela?on ¡of ¡shed ¡profile ¡CD/AD ¡

Nominal ¡creepage ¡distance ¡length: ¡20750 ¡mm ¡ ¡ UM ¡= ¡±415 ¡kVDC ¡ Cdf ¡= ¡50 ¡mm/kVDC ¡ mean ¡outer ¡diameter ¡

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DC ¡applica?on ¡– ¡external ¡field ¡grading ¡

¡

¡ ¡ ¡

Current ¡measuring ¡system ¡with ¡shunt ¡technology ¡ E-­‑field ¡simula?on ¡result ¡ with ¡lightning ¡impulse ¡

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DC ¡applica?on ¡– ¡design ¡of ¡DC ¡combined ¡unit ¡

¡

¡ ¡ ¡

Voltage ¡measuring ¡system ¡with ¡RC-­‑divider ¡ technology ¡

RC-­‑divider ¡unit ¡ ¡

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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 ¡