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UnterYo-Yo-ShiUnter der Isolationskoordination versteht man den Prozess der Auswahl der dielektrischen Festigkeitswerte von Transformator- und Kabelzubehör, sodass diese mit den Spannungsbelastungen korrelieren, die das System realistisch aufbringen kann, einschließlich der Dauerbetriebsspannung und transienten Überspannungen durch Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge. Anstatt jedes Bauteil einzeln zu dimensionieren, betrachtet dieser Prozess den Transformator, seine Durchführungen, Sicherungen, Schalter und die angeschlossenen Kabelanschlüsse als eine einzige dielektrische Kette – das schwächste Glied bestimmt die tatsächliche Festigkeitsfähigkeit des Systems, unabhängig davon, wie hoch die Nennleistung der stärksten Komponente ist.
Dies ist auf der Ebene der Zubehörteile von Bedeutung, da die auf dem Typenschild eines Verteiltransformators angegebene Nennspannung allein nicht festlegt, welchen Belastungen eine Durchführung, ein Stufenschalter oder ein Kabelanschluss standhalten muss. Ein System der 25-kV-Klasse erfordert nicht einfach nur Zubehörteile mit der Nennspannung “25 kV” – es erfordert Zubehörteile, deren Basisimpulsniveau (BIL) und Kriechweg auf die Koordinationsstudie des Systems abgestimmt sind oder, falls keine projektspezifische Studie vorliegt, auf die Standardtabellen für Spannungsklassen. Zwei Zubehörteile können dieselbe Nennspannung aufweisen und sich dennoch erheblich in ihrer Transientenfestigkeit unterscheiden, wenn ihre BIL-Werte voneinander abweichen – ein Unterschied, der bei einem oberflächlichen Katalogvergleich oft übersehen wird.
Zubehörteile legen keine eigenen Isolationsanforderungen fest; diese werden ihnen vom System vorgegeben. Von einem für 15 kV ausgelegten Durchführungsschacht-Einsatz wird beispielsweise erwartet, dass er je nach geltender Norm und Installationskategorie Impulsspannungen von etwa 95 kV bis 125 kV BIL standhält – nicht, weil der Einsatz selbst diese Belastung erzeugt, sondern weil er in einem Stromkreis sitzt, in dem Transienten auftreten können. Außendiensttechniker, die ihre Spezifikationen ausschließlich anhand der Betriebsspannung festlegen, ohne die zugehörige BIL-Anforderung zu prüfen, sind eine häufige Ursache für nachgelagerte Koordinationslücken, die erst bei Stoßspannungsprüfungen oder – schlimmer noch – nach einem Transientenereignis im Betrieb zutage treten.
Der Basisimpulspegel (BIL) ist der standardisierte Maßstab dafür, wie viel Impulsspannung – beispielsweise durch einen Blitzeinschlag oder eine Schalttransiente – ein Zubehörteil aushalten muss, ohne dass es zu einem Überschlag oder einer Durchschlagschädigung kommt. Er wird als Spitzenspannungswert (kVp) und nicht als Effektivwert (RMS) angegeben, da Impulsereignisse kurzzeitige Transienten und keine stationären Belastungen sind. Eine Durchführung, die für den Dauerbetrieb bei 24 kV ausgelegt ist, kann einen BIL-Wert von 125 kVp aufweisen, was bedeutet, dass transiente Belastungen innerhalb eines Bruchteils einer Millisekunde das Mehrfache der Nennspannung erreichen können.
Um, die höchste Netzspannung, unterscheidet sich von der Nennspannung des Netzes und bezeichnet die maximale Spannung, die Geräte unter normalen Betriebsbedingungen aushalten müssen, einschließlich des Spannungsanstiegs bei geringer Last. IEC-basierte Systeme legen Um in der Regel etwas über dem Nennwert fest – ein System mit einem Nennwert von 24 kV weist üblicherweise eine Um von etwa 24 kV bis 25,8 kV auf – und bei der Auswahl von Zubehör wird zur Überprüfung der Dauer-Spannungsfestigkeit Um herangezogen, nicht der Nennwert.
Die allgemeine Koordinationsbeziehung lässt sich wie folgt ausdrücken: BIL ≥ k × Um × √2, wobei k ein Koordinationsfaktor ist, der das Verhalten bei Einschaltspitzen und die Art der Isolierung berücksichtigt. Hierbei handelt es sich um eine vereinfachte konzeptionelle Beziehung – die tatsächliche Auswahl der BIL erfolgt in den meisten gewerblichen Projekten anhand standardisierter Tabellen für Spannungsklassen und nicht durch eine direkte Berechnung.
Bei einem System der 15-kV-Klasse mit Um nahe 17,5 kV weist die Norm IEC 60071-1 (Tabelle 2, Bereich I) den zugehörigen Durchführungen und Schaltanlagen eine standardmäßige Nenn-Blitzstoßfestspannung (BIL) von 75 kVp oder 95 kVp zu, wobei der höhere Wert in der Regel für Installationen im Freien oder in Umgebungen mit mäßiger Verschmutzung gewählt wird. Ein Außendiensttechniker, der bei einem Modernisierungsprojekt die Kompatibilität überprüft, sollte den BIL-Wert direkt anhand des Koordinationsdatenblatts überprüfen, anstatt ihn aus der Spannungsklasse abzuleiten – Unstimmigkeiten zwischen einer älteren 95-kVp-Durchführung und einem Ersatzteil, das nur für 75 kVp ausgelegt ist, sind bei Impulsprüfungen während der Inbetriebnahme bei mehr als einer Modernisierung aufgetreten, lange nachdem die Beschaffung bereits abgeschlossen war.
Die Norm IEC 60071-1 regelt die allgemeinen Grundsätze der Isolationskoordination, einschließlich der standardisierten Werte für den BIL und die Nenn-Durchschlagspannung, auf die in diesem Rahmenwerk durchgehend Bezug genommen wird. Norm IEC 60071-1 zur Isolationskoordination
[Experteneinblick]
- BIL ist ein Spitzenimpulswert (kVp) – verwechseln Sie ihn keinesfalls mit der Effektivbetriebsspannung in einem Datenblatt.
- Vergleichen Sie den BIL stets mit den Ergebnissen der Koordinationsstudie und nicht nur mit der auf dem Typenschild angegebenen Spannungsklasse.
- Nachrüstungsprojekte bergen das höchste Risiko von Abweichungen, da ältere BIL-Bewertungen vor Ort nicht immer dokumentiert sind
Der Luft- und Kriechweg sind zwei Parameter, auf die sich die Isolationskoordination stützt, um zu regeln, wie ein Zubehörteil einen Überschlag verhindert; sie beziehen sich jedoch auf unterschiedliche physikalische Ausfallwege und können einander nicht ersetzen. Die Annahme, dass ein längeres Gehäuseprofil automatisch beide Werte verbessert, ist ein häufiger Fehler bei der Spezifikation, der sich in Ausfällen aufgrund von Verschmutzungen im Feld bei ansonsten ordnungsgemäß ausgelegten Geräten zeigt.
Der Luftabstand ist der kürzeste Abstand durch die Luft zwischen zwei leitenden Teilen entgegengesetzter Polarität oder zwischen einem spannungsführenden Teil und Erde. Er bestimmt die Durchschlagfestigkeit über den Luftspalt und ist der Parameter, der am unmittelbarsten mit dem BIL-Wert zusammenhängt. Bei Mittelspannungsdurchführungen der Klasse 15 kV bis 35 kV liegen die Luftstrecken je nach BIL-Werte und Einbaukonfiguration üblicherweise im Bereich von 150 mm bis 320 mm.
Der Kriechweg ist der kürzeste Weg entlang der Oberfläche des Isoliermaterials zwischen zwei identischen leitfähigen Punkten. Er bestimmt die Beständigkeit gegen Oberflächenkriechen – einen langsameren, durch Verunreinigungen bedingten Mechanismus, bei dem Feuchtigkeit und Schadstoffe auf der Isolatoroberfläche einen leitfähigen Film bilden, der allmählich verkohlt und zu einem dauerhaften Leckstrompfad wird. Die Kriechweganforderungen werden als Verhältnis angegeben, typischerweise 16 mm/kV bis 31 mm/kV von Um, wobei der Wert für höhere Verschmutzungsklassen nach oben skaliert wird, anstatt allein an die Spannungsklasse gebunden zu sein.
Eine nützliche Unterscheidung in der Praxis: Durchschlagfehler treten in der Regel plötzlich auf (ein einzelnes Überspannungsereignis überbrückt den Luftspalt), während Kriechstromfehler schleichend entstehen – eine Oberfläche, bei der während einer Inspektion in der Regenzeit eine Kapazität von 60% festgestellt wurde, kann innerhalb einer einzigen folgenden Sturmsaison vollständig ausfallen, wenn die Verschmutzung nicht beseitigt wird.
Vor-Ort-Prüfteams haben festgestellt, dass es bei Durchführungen mit ausreichendem Abstand und BIL dennoch zu Kriechstrom-bedingten Überschlägen kommen kann, da der Kriechweg auf der Grundlage einer Standardannahme zur Verschmutzung und nicht unter Berücksichtigung der tatsächlichen Verschmutzung am Standort festgelegt wurde – was erneut unterstreicht, dass beide Parameter unabhängig voneinander überprüft werden müssen.
Die Verschmutzungsklasse ist die Umgebungsvariable, die die Anforderungen an die Isolationskoordination über die Spannungsklasse hinaus bestimmt und festlegt, um wie viel der Kriechweg eines Zubehörteils über den durch die Spannungsklasse festgelegten Grundwert hinausgehen muss. Sie ist einer der am häufigsten nicht ausreichend spezifizierten Parameter in Ausschreibungen für Zubehörteile. Standardsysteme definieren in der Regel vier Stufen – leichte, mittlere, starke und sehr starke Verschmutzung –, wobei jeder Stufe ein anderes Kriechwegverhältnis für dieselbe Spannungsklasse zugeordnet wird.
Standorte im Landesinneren mit geringer Luftfeuchtigkeit und minimaler industrieller Aktivität fallen im Allgemeinen in die Kategorien „gering“ bis „mäßig“, wobei Verhältnisse von etwa 16 mm/kV bis 20 mm/kV von Um in der Regel ausreichend sind. Eine 24-kV-Um-Durchführung würde hier einen Gesamtkriechweg von etwa 384 mm bis 480 mm erfordern.
Standorte an der Küste, Zement- oder Chemiewerke sowie Umgebungen mit starker Staubbelastung fallen in die Kategorien „stark“ bis „sehr stark“, in denen die Werte auf 25 mm/kV bis 31 mm/kV oder höher steigen. Bei derselben 24-kV-Um-Durchführung kann dies den erforderlichen Kriechweg auf 600 mm bis 744 mm erhöhen – ein Unterschied, der groß genug ist, dass eine Standard-Katalogdurchführung, die ohne Standortbegutachtung ausgewählt wurde, bereits nach ein bis zwei Regenzeiten ihre Leistungsfähigkeit verliert.
Erfahrungen aus Vor-Ort-Inspektionen bei der Nachrüstung von Umspannwerken an der Küste haben wiederholt gezeigt, dass die Ansammlung von Salzablagerungen in Verbindung mit morgendlicher Kondensation die Bildung von Kriechströmen an Durchführungen beschleunigt, die für eine für das Binnenland geltende Standardverschmutzungsklasse ausgelegt sind – ein Mangel, der in der Regel erst bei einer planmäßigen Wartungsbegehung entdeckt wird, bei der Oberflächenfunkenüberschlagspuren sichtbar werden. Die Auswahl der Verschmutzungsklasse sollte sich nach standortspezifischen Umgebungsdaten richten und nicht nach Standardwerten aus Katalogen; der Zulieferer von Zubehör kann die Produkte nur gemäß der angegebenen Klasse fertigen, diese aber nicht eigenständig ableiten. Weitere Informationen finden Sie im Leitfaden von ZeeyiElec zu MV-Durchführungen für Küstengebiete und verschmutzte Umgebungen.
Sobald die zentralen Koordinationsparameter für die Isolierung – BIL, Kriechweg und Verschmutzungsklasse – bekannt sind, besteht die praktische Aufgabe darin, jeweils Transformatorenzubehör die Nennwerte der Familie anhand dieser drei Parameter bewerten – und nicht allein anhand der Nennspannung auswählen. Eine Auswahl, die zwar die Spannungsklasse erfüllt, aber die BIL- oder Kriechstreckenreserve außer Acht lässt, wird zwar die Sichtprüfung bestehen, später jedoch unter transienten Belastungen oder Verschmutzungsbelastungen versagen.
Mittelspannungsdurchführungen sind die Produktgruppe, die am unmittelbarsten von diesen Nennwerten bestimmt wird, da BIL- und Kriechwegwerte in der Regel eigenständige Katalogparameter sind. Ein Mittelspannungsdurchführungsprogramm von 12 kV bis 52 kV deckt typischerweise BIL-Werte von etwa 75 kVp bis 250 kVp ab. Niederspannungsdurchführungen arbeiten bei 1,2 kV bis 3,0 kV mit vergleichsweise niedrigen BIL-Anforderungen, da der Schwerpunkt hier eher auf dem Wärmemanagement als auf der Transientenfestigkeit liegt.
Lasttrennschalter im Bereich von 15/25 kV bis 38/40,5 kV und Außenschalt-Stufenschalter im Bereich von 15 kV bis 35 kV erfordern beide eine BIL-Überprüfung anhand der Koordinationsdaten des Transformators, da diese Geräte an zugänglichen externen Schnittstellen angebracht sind, an denen gleichzeitig Schaltstöße und Verschmutzungsbelastung auftreten.
Bay-O-Net-Sicherungsbaugruppen, die üblicherweise der 15/25-kV-Klasse mit einer BIL von etwa 150 kVp zugeordnet sind, sowie strombegrenzende Sicherungen der Klassen 15,5 kV bis 40,5 kV müssen sowohl auf die BIL des Systems als auch auf die Auslösecharakteristiken der anderen Sicherungen abgestimmt sein.
Kalt- und Wärmeschrumpfschläuche Kabelzubehör Im Bereich von 8,7/15 kV bis 26/35 kV gilt dieselbe Logik an der Kabelübergangsstelle, wo nicht mehr der Luftabstand, sondern die Kriechstrecke entlang der Geometrie des Spannungskegels zum maßgeblichen Parameter wird.
Faustregel für die Auswahl: BIL des Zubehörs ≥ vom System geforderter BIL und Kriechweg des Zubehörs ≥ standortangepasster Mindestkriechweg – beide Bedingungen müssen unabhängig voneinander erfüllt sein; die Überschreitung einer der beiden Bedingungen gleicht die Unterschreitung der anderen nicht aus.
Eine vollständige Anleitung zu den Parametern finden Sie bei ZeeyiElec unter Auswahlhilfe für Transformatorenzubehör.
[Experteneinblick]
- Wählen Sie niemals allein anhand der Spannungsklasse aus – überprüfen Sie die BIL und die Kriechstrecke unabhängig voneinander.
- Bei der Auswahl von Hochspannungsdurchführungen wird der Wärmekapazität Vorrang vor der transienten Belastbarkeit eingeräumt.
- Der Kriechweg eines Kabelanschlusses richtet sich nach der Geometrie des Spannungskegels und nicht nach einer einfachen Gehäuseabmessung.
Die Höhe ist die vierte Variable, die bei der Isolationskoordination berücksichtigt werden muss, da die Luftdichte mit zunehmender Höhe abnimmt und die Durchschlagfestigkeit von der Durchschlagfestigkeit der Luft abhängt – in größeren Höhen verschlechtert sich die Leistung, selbst wenn der physikalische Abstand unverändert bleibt. Ein Zubehörteil, das auf Meereshöhe einwandfrei funktioniert, kann in größerer Höhe einen verringerten effektiven BIL aufweisen, sofern kein Korrekturfaktor angewendet wird.
In der Regel wird oberhalb von etwa 1.000 m eine Korrektur vorgenommen, wobei der Leistungsreduzierungsfaktor schrittweise ansteigt – in der Regel eher exponentiell als linear.
Ein vereinfachtes Arbeitsverhältnis: Ka = e(H − 1000)/8150, wobei H die Aufstellungshöhe in Metern und Ka ist der Korrekturfaktor, der zur Verringerung der effektiven Spannungsfestigkeit angewendet wird. Hierbei handelt es sich um eine häufig herangezogene Näherungsformel; projektspezifische Abstimmungsstudien sollten die anzuwendende Formel und den Schwellenwert für die maßgebliche Norm bestätigen.
In 2.000 m Höhe verringert der Korrekturfaktor die effektive Spannungsfestigkeit im Vergleich zur Nennleistung auf Meereshöhe typischerweise um etwa 10% bis 13%, was bedeutet, dass ein Zubehörteil mit einer Nenn-BIL von 125 kVp auf Meereshöhe in dieser Höhe möglicherweise nur eine effektive Spannungsfestigkeit von etwa 110 kVp bis 112 kVp aufweist. Bei Projekten in Berg- oder Hochebenenregionen – wo Höhenlagen von 2.500 m bis 3.500 m keine Seltenheit sind – wurden gelegentlich Bauteile mit BIL-Nennwerten aus dem Katalog für Meereshöhe ohne Korrektur spezifiziert; ein Versäumnis, das in der Regel erst bei den Impulsprüfungen während der Inbetriebnahme oder in der ersten bedeutenden Blitzsaison zutage tritt.
Korrekturfaktoren und Schwellenwertanpassungen variieren je nach Normungsgremium und sogar je nach Produktzertifizierung. Daher sollte die Höhe des Standorts anhand der vom Hersteller dokumentierten Methodik überprüft werden, bevor eine Bestellung endgültig bestätigt wird.
Vor der Erstellung einer Angebotsanfrage sollten vier Parameter bestätigt werden, anstatt sich auf die Standardwerte aus dem Katalog zu verlassen: höchste Systemspannung (Um), erforderliche BIL, Verschmutzungsklasse des Aufstellungsortes und Aufstellungshöhe. Jeder dieser Parameter bestimmt, welche Variante von Durchführungen, Schaltern, Sicherungen oder Kabelzubehör geeignet ist – die alleinige Angabe der Nennspannungsklasse führt regelmäßig zu Fehlanpassungen, die erst bei der Inbetriebnahme oder später zutage treten.
Eine praktische Checkliste für die Erstellung von Angebotsanfragen:
Das Auslassen eines dieser Schritte führt in der Regel nicht zu einer Unterbrechung der Produktion oder des Versands – es tritt jedoch später zutage, bei Funktionstests oder der Inbetriebnahme, wenn die Behebung der Mängel erheblich teurer ist, als die Lücke bereits in der Angebotsanfragestufe zu schließen.
Anfragenvorlagen speziell für Zubehör finden Sie bei ZeeyiElec unter Vorlage für eine Angebotsanfrage für Transformatorzubehör.
Dabei handelt es sich um den Prozess der Auswahl der dielektrischen Festigkeitswerte aller Systemkomponenten, damit diese der maximalen Spannungsbelastung entsprechen, der das System ausgesetzt sein kann. Dabei wird in der Regel auf Normen wie die IEC 60071 Bezug genommen, wobei die genauen Werte vom Systemdesign und den Standortbedingungen abhängen.
Die Nennspannung (oder Um) bezeichnet die höchste Dauerspannung, der ein Bauteil standhalten muss, während BIL die transiente Stoßspannungsfestigkeit beschreibt, die in der Regel um ein Vielfaches höher ist; beide Werte werden gemeinsam ausgewählt und sind nicht austauschbar.
Der Kriechweg bestimmt die Wege des Oberflächenableitstroms, und Verunreinigungen in Verbindung mit Feuchtigkeit an Standorten in Küsten- oder Industriegebieten können leitende Kriechwege erzeugen, lange bevor die Auslegungsspannung erreicht ist. Daher erfordern höhere Verschmutzungsklassen unabhängig vom BIL längere Kriechwege.
Ja, die geringere Luftdichte in größeren Höhen verringert die Durchschlagfestigkeit von Luftspalten, sodass bei Installationen in Höhen von etwa 1.000 m üblicherweise ein Korrekturfaktor auf die Abstände und manchmal auch auf die Wahl des BIL angewendet werden muss, abhängig von der geltenden Norm und den Projektspezifikationen.
In den meisten Fällen kann ein Zubehörteil mit höherem BIL-Wert als Ersatz verwendet werden, sofern die Kompatibilität hinsichtlich der Abmessungen und Schnittstellen bestätigt ist; der Austausch sollte jedoch nicht automatisch vorausgesetzt werden, sondern im Hinblick auf die Einbaugeometrie und die Koordination mit benachbarten Komponenten überprüft werden.
Die Verschmutzungsklasse wird in der Regel anhand von Umweltmessdaten ermittelt – wie der Nähe zur Küste, Industrieemissionen, Staub und Feuchtigkeitsverläufen – und wird normalerweise vom Projektingenieur oder Energieversorger festgelegt, anstatt sie dem Zulieferer von Zubehör zu überlassen.
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