Felles elektro/Prosjektering og bygging/Isolasjonskoordinering og overspenningsbeskyttelse/Vedlegg - Isolasjonskoordinering 15 kV, installasjoner og luftlinjer

1 Hensikt og omfang

Dette vedlegget angir bakgrunn for og forklaring til krav vedrørende isolasjonskoordinering i 15 kV-anlegg i teknisk regelverk. Vedlegget tar utgangspunkt i krav i Forskrift om elektriske forsyningsanlegg (fef) og internasjonale standarder.

I oppsummeringen i avsnitt 4 er verdiene i overensstemmelse med kravene gitt i Felles elektro/Prosjektering og bygging/Isolasjonskoordinering og overspenningsbeskyttelse.

Innholdet i dette vedlegget er kun forklaring av kravene gitt i Teknisk regelverk, og vil på sikt bli overført til jernbanekompetanse.no

2 Innledning

Isolasjonskoordinering utføres for elektriske anlegg for å sikre tilstrekkelig isolasjonsnivå for driftsspenning og for transiente overspenninger, i første rekke lynoverspenninger, samtidig som kostnadene for å etablere det tilstrekkelige isolasjonsnivået blir fornuftig. Vurderinger rundt hvor høyt isolasjonsnivå som er nødvendig er i stor grad utført og definert gjennom internasjonale standarder.

Gjeldende nasjonale krav/føringer for isolasjonskoordinering finnes i Forskrift om elektriske forsyningsanlegg (fef). Internasjonal standard for isolasjonskoordinering for jernbaneapplikasjoner er EN 50124. Valg av isolasjonsnivå i henhold til EN 50124 definerer krav til produkter som skal benyttes. Det valgte isolasjonsnivået blir krav til elektrisk utstyr som benyttes i anlegget.

Kritiske anleggsdeler kan spesifiseres med høyere isolasjonsnivå enn øvrig anlegg, for på den måten å "styre" overslag til anleggsdeler der overslag har minst konsekvenser.

3 Oppsummering av krav i forskrifter og standarder

3.1 Forskrift om elektriske forsyningsanlegg (fef) med veiledning

Fef stiller krav til isolasjon for 15 kV-anlegg for jernbane i §8-3. Veiledningen angir:

  • Isolasjonen skal dimensjoneres for spenningsnivå som spesifisert i EN 50163, det vil si 17,25 kV kontinuerlig
  • Isolasjonen skal dimensjoneres for temporære overspenninger i henhold til EN 50124-1 og -2
  • For bevegelige avspente ledninger i kontaktledningsanlegget gjelder også EN 50119

Krav til isolasjonsavstand i kapittel 4 (høyspenningsinstallasjoner) og i kapittel 6 (luftlinjer) er unntatt for jernbane. I henhold til Bane NORs kommentarer til FEF forstår Bane NOR det slik at fef §4-2 likevel gjelder for installasjoner, og fef §6-3 for fast avspente luftlinjer, også når de er del av jernbaneanlegg. Som underliggende standarder benyttes likevel de nevnte standardene, og i tillegg:

  • Isolasjonsavstand for fast avspente ledninger skal dimensjoneres i henhold til EN 50341.

3.2 Standarder

Tabell 1 viser standarder som er førende for isolasjonsnivå for kontaktledningsanlegg og tilhørende anlegg.

Tabell 1: Standarder
Standard Tittel Beskrivelse
EN 60071-1:2006 Insulation co-ordination
  • Part 1: Definitions, principles and rules
Angir generelle prinsipper rundt isolasjonskoordinering
EN 50163:2004/A1:2007 Railway applications - Supply voltages of traction systems Stiller krav om intervaller for driftsspenning ved aktuelle nominelle spenningsnivåer
EN 50124-1:2001+A1:2003+A2:2005
EN 50124-2:2001
Railway applications - Insulation coordination
  • Part 1: Basic requirements - Clearances and creepage distances for all electrical and electronic equipment
  • Part 2: Overvoltages and related protection
Stiller krav om isolasjonsnivå ved ulike maksimale driftsspenninger, miljøbetingelser og vern
Tillegg A1 og A2 til del 1 er viktige veiledninger og presiseringer
EN 50119:2009 Railway applications - Fixed installations - Electric traction overhead contact lines Stiller krav om klaringer for spenningsførende deler i kontaktledningsanlegget
EN 50151:2003 Railway applications - Fixed installations - Electric traction - Special requirements for composite insulators Spesielle krav til komposittisolatorer for jernbane
EN 50152-1:2012
EN 50152-2:2012
Railway applications - Fixed installations - Particular requirements for alternating current switchgear
  • Part 1: Circuit-breakers with nominal voltage above 1 kV
  • Part 2: Disconnectors, earthing switches and switches with nominal voltage above 1 kV
Stiller krav til brytere for jernbane, blant annet isolasjonsnivå
EN 50341-1 Overhead electrical lines exceeding AC 1 kV
  • Part 1: General requirements - Common specifications
Standard for luftlinjer
HD 620 S2:2010 Distribution cables with extruded insultation for rated voltages from 3,6/6(7,2) kV up to and including 20,8/36(42) kV Harmoniseringsdokument for krav til kabler (CENELEC)
IEC 60502-2 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV (Um = 1,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV)
  • Part 2: Cables for rated voltages from 6 kV (Um = 7,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV)
IEC-standard for kabler. Merk: Standarden fra CENELEC og IEC gir de samme kravene til isolasjonsnivå, men IEC-standarden oppfattes som lettere å forstå.
EN 60099-4:2014 Surge arresters
  • Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems
Standard for metalloksidavledere

3.3 Krav til isolasjonsnivå

3.3.1 Nominell spenning Un

Teknisk regelverk for kraftsystem definerer nominell spenning for kontaktledningsanlegget Un i det nasjonale jernbanenettet til å være 15 kV i samsvar med EN 50163.

Un = 15 kV

3.3.2 Isolasjonsmerkespenning UNm

EN 50124-1 definerer at isolasjonsmerkespenning UNm skal settes høyere enn eller lik høyeste arbeidsspenning. For 15 kV-anlegg for banestrømforsyning definerer EN 50163 høyeste arbeidsspenning til Umax1 = 17,25 kV.

UNm = 17,25 kV

3.3.3 Impulsholdespenning UNi

For å finne impulsholdespenning, UNi, angir EN 50124-1 to fremgangsmåter, der metode 1 normalt benyttes, og metode 2 kan benyttes der det finnes tilleggsbeskyttelse som beskytter anleggsdelen mot lynspenninger. Metode 1 er derfor mest relevant for kontaktledningsanlegg.

Metode 1 definerer overspenningskategorier (OV1, OV2, OV3 og OV4) for å karakterisere aktuelt nivå for eksponering av overspenninger. For kontaktledningsanlegg med høyspenning er kun OV3 og OV4 definert. OV4 skal benyttes for anlegg som er utsatt for harde miljøbetingelser, mens OV3 kan benyttes for anlegg som ikke har så harde miljøbetingelser, eller der tilgjengelighetskrav er lavere. I fast infrastruktur legges normalt OV4 til grunn.

Luftgap i brytere skal ha høyere holdespenning enn holdespenningen mot jord. Krav finnes i EN 50152-2.

For anlegg med UNm = 17,25 kV, gir EN 50124-1:2001/A2:2005 verdier for UNi som vist i Tabell 2.

Tabell 2: Impulsholdespenning UNi
Beskrivelse UNm [kV] UNi [kV]
mot jord
UNi [kV]
over bryterkontakter
OV3 OV4 OV3 OV4
Rullende materiell 17,25 75 95 - -
Rullende materiell, spesielle krav 17,25 95 125 - -
Faste installasjoner 17,25 95 125 110 145
Faste installasjoner, spesielle krav 17,25 145 170 165 195

For faste installasjoner blir derfor impulsholdespenningen 125 kV. I noen tilfeller kan det være grunn til å prosjektere med økt impulsholdespenning på 170 kV. Det kan gjelde anlegg med høyde over havet på opp mot 1000 meter eller mer, eller der konsekvensene ved overslag er store.

Generelt anser man at overslag over isolator i luft som følge av en lynspenning har små konsekvenser. Lynspenning kan imidlertid føre til isolasjonsnedbrytning og havari for kabler og transformatorer. Kabler og transformatorer anses derfor som mer sårbare for lynspenninger enn isolator i luft.

3.3.4 Klaringer i luft

Minimumsklaringer mellom spenningsførende deler og jord baseres på anleggets impulsholdespenning, og angis for forurensningsklasser (PD1, PD2, PD3, PD3A, PD4, PD4A, PD4B). For faste installasjoner i kontaktledningsanlegg angir EN 50124-1 at PD4A eller PD4B bør benyttes. For impulsholdespenninger på 125 kV eller mer gir disse klassene lik klaring.

Tabell 3: Minimumsklaringer for 15 kV-anlegg i henhold til EN 50124-1 [mm]
UNi [kV] Klaringer [mm]
PD4A PD4B
95 180 185
125 235 235
145 270 270
170 310 310

For spenningsførende deler i kontaktledningsanlegget gjelder EN 50119. Her er det definert klaringer mot jord og mellom deler i kontaktledningsanlegget som kan ha ulike faser.

Tabell 4: Minimumsklaringer for bevegelig avspente deler i kontaktledningsanlegg i henhold til EN 50119
Beskrivelse Statisk [mm] Dynamisk [mm]
Klaring mot jord 150 100
Klaring ved 120° faseforskjell 260 175
Klaring ved 180° faseforskjell 300 200

EN 50119 krever videre at der de benyttede klaringene ikke er tilstrekkelig for å hindre overslag ved lyn, bør det benyttes tilleggsbeskyttelse, som ekstra isolasjon eller overspenningsvern.

3.3.5 AT-system

For positivleder og negativleder i AT-system gjelder det samme isolasjonsnivået mot jord som for kontaktledningsanlegg. Klaringene i henhold til EN 50124-1 benyttes, dvs. 235 mm ved UNi = 125 kV i henhold til Tabell 3.

For minimum klaring mellom PL og NL angir EN 60071-1 at klaringen fase-fase kan settes lik klaringen fase-jord. Krav til klaring mellom PL og NL blir da den samme som krav til klaring mellom kontaktledningen og jord, det vil si 235 mm ved UNi = 125 kV.

Veiledningen til fef og EN 50341-1 angir at for luftlinjer skal klaringen fase-fase settes høyere enn klaringen fase-jord. Klaringen fase-fase for et system med inntil 36 kV mellom fasene er her angitt til minst 400 mm. EN 50341-1 beskriver at dette kravet til faseavstand for luftlinjer gjelder uten vind. Under forhold med vind kan fasene blåse mot hverandre og komme i kontakt med hverandre. I praksis er det derfor risikoen for kontakt mellom faseledere, og dermed tilgjengeligheten for linja, som bestemmer hvor stor faseavstand luftlinjer må bygges med.

4 Komponenter

4.1 Isolatorer

Isolatorer utføres som glass- eller keramikkisolatorer, eller som komposittisolatorer.

4.1.1 Krypstrømsavstander for glass- og keramikkisolatorer

EN 50124-1:2001, punkt 6.3.2 gir minste krypstrømsavstand for ulike forurensningsgrader i [mm/kV] referert isolasjonsmerkespenningen UNm. Tabell 5 angir krypstrømsavstanden for utstyr med isolasjonsmerkespenning UNm = 17,25 kV.

Tabell 5: Minste krypestrømsavstander for isolatorer utendørs i henhold til En 50124-1
Foruresningsgrad Minimum
krypstrømsvei [mm/kV]
Krypstrømsvei ved UNm = 17,25 kV [mm]
Normale driftsforhold (lav forurensning, lav befolkningstetthet, lite industri) 24 – 33 414 - 569
Ugunstige forhold (forurensning, industri,
tåke, tettbygde områder)
36 - 40 621 - 690
Ekstremt ugunstige forhold (kraftig forurensning,
tåke i kombinasjon med sjø eller forurensning)
> 48 > 828

Fordi krypstrømmer kan påvirke anleggets pålitelighet negativt, velges det i Norge å benytte "ugunstige forhold" og "ekstremt ugunstige forhold" i utendørs kontaktledning. I tunneler og under kulverter, der isolatorene ikke utsettes for naturlig vask i form av regn, benyttes "ekstremt ugunstige forhold". I beskyttet miljø og der man planlegger med hyppig vask og/eller smøring av isolatorene, kan krypstrømsavstandene for "normale driftsforhold" benyttes.

4.1.2 Krypstrømsavastander for komposittisolatorer

EN 50151 er standard for komposittisolatorer for jernbane. Den beskriver at krypstrømsavstandene som angis i EN 50124 kun er relevante for glass- og keramikkisolatorer, mens komposittisolatorer har andre egenskaper. For komposittisolatorer beskriver EN 50151 at krypstrømsavstanden skal avtales mellom kunde og leverandør på bakgrunn av høyeste kontinuerlige spenning for anlegget og miljøbetingelser på stedet. Høyeste kontinuerlige spenning for 15 kV kontaktledningsanlegg er UNm = 17,25 kV.

4.2 Brytere

Kontaktledningsbrytere er montert på isolatorer, og bygges ofte kompakte. Følgelig må krav til kontinuerlig driftsspenning UNm, impulsholdfasthet UNi og impulsholdfasthet over åpne bryterkontakter stilles til brytere slik at de får høyt nok isolasjonsnivå. EN 50152 beskriver hvilke krav som skal stilles til brytere for jernbane.

4.3 Kabler

Overgang mellom luftlinje og kabler representerer refleksjonspunkter i et elektrisk nett. Spenningsimpulser kan bli betydelig forsterket ved refleksjonspunkter, og den økte spenningen kan medføre nedbrytning av kabelisolasjonen, med påfølgende kabelhavari. Kabler er derfor mer sårbare for lynspenninger enn øvrige anlegg tilknyttet kontaktledningsanlegget.

Harmoniseringsdokument HD 620 S2 (CENELEC) og standarden IEC 60502-2 omhandler kraftkabler med merkespenning fra 6 kV til 36 kV (angitt som trefase linjespenning). IEC-standarden er mer detaljert enn CENELEC-dokumentet, og det velges derfor å legge kravene i IEC 60502-2 til grunn videre.

IEC 60502-2 klassifiserer kabler etter spenningsnivå angitt som U0/U(Um), der:

  • U0 er merkespenning mellom faseleder og jord for kabelen
  • U er merkespenning mellom faseledere
  • Um er maksimal spenning mellom faseledere som kabelen kan benyttes for

Standardverdier for spenningsnivå er i IEC 60502-2 angitt til: U0/U(Um) = 3,6/6(7,2) - 6/10(12) - 8,7/15(17,5) - 12/20(24) - 18/30(36) kV.

Det er forutsatt at enlederkabler driftes med fasespenning mellom lederen og skjermen. For kabler tilknyttet kontaktledningsnettet må det derfor velges en kabel der U0 er større enn 17,25 kV, og det vil si at valgt isolasjonsnivå for kabler er 18/30(36) kV.

Kablene deles inn i kategori A, B og C for å angi hvor lang tid kabelen kan bli utsatt for full linjespenning ved jordfeil. Ettersom det i kontaktledningsnettet ikke oppstår spenningsøkning ved jordfeil, kan kategori A velges. Denne innebærer at tiden kabelen utsettes for full linjespenning (36 kV) er begrenset til mindre enn 1 minutt. For kontaktledningsanlegg vil slik spenningsøkning ikke kunne skje.

IEC 60502-2 angir videre at tykkelsen for isolasjonsmaterialet for en slik kabel skal være 8,0 mm, gitt at isolasjonsmaterialet er XLPE (cross-linked polyethylene). Testkrav til slike kabler omfatter blant annet krav til test av impulsholdfasthet på 170 kV. Det vil si at impulsholdfastheten til kabler som benyttes, vil være høyere enn krav til impulsholdfasthet for annet utstyr. Det vurderes som fornuftig, fordi overslag i kabler har større konsekvens enn overslag i luft over isolatorer.

Fordi konsekvensen ved overslag i kabler er stor, beskyttes kabler normalt med overspenningsavledere.

4.4 Overspenningsavledere

Overspenningsavledere utføres normalt som metalloksidavledere. For slike avledere gjelder EN 60099-4. Overspenningsavledere klassifiseres ved parametre som vist i Tabell 6. Referanse [1] gir en god forklaring på de ulike verdiene.

Tabell 6: Parametre for overspenningsavledere
Beskrivelse Symbol Enhet Kommentar
Kontinuerlig driftsspenning Uc kV (rms) Lik som UNm = 17,25 kV, men må i henhold til EN 60099-4 rundes opp til nærmeste hele kV. Derfor er Uc = 18 kV.
Merkespenning Ur kV (rms) Høyeste spenning avlederen kan driftes ved kortvarig uten å lede strøm.
Typisk er Ur = 1,25 x Uc = 22,5 kV.
I henhold til EN 60099-4 testes avledere med denne spenningen i 10 sekunder.
Referansespenning Uref kV (peak/) Spenningen over avlederen ved referansestrømmen Iref. Referansespenningen kan anses som den minste restspenningen for avlederen. Typisk referansespenning for 15 kV kontaktledningsnett er i størrelsesorden 30 - 60 kV.
Referansestrøm Iref mA (peak) Velges av produsenten slik at den resistive delen av strømmen overstiger den kapasitive delen av strømmen. Det innebærer at avlederen er i en tilstand der den leder konduktivt.
Restspenning Ures kV (peak) Spenning over avlederen når den leder strøm. Har en svak avhengighet med strømstyrken, og angis derfor ofte ved ulike strømstyrker.
Vernenivå Upl kV (peak) Ures ved nominell strøm In. Kan også anses som den maksimale Ures. Vernenivå for 15 kV kontaktledningsnett bør være så liten som mulig, og i hvert fall med god margin mindre enn isloasjonsnivået til utstyret som skal beskyttes.
Nominell strøm In kA (peak) Nominell lynimpulsstrøm for avlederen.

De vesentlige parametrene å spesifisere for overspenningsavledere tilknyttet kontaktledningsnettet, er maksimal driftsspenning Uc, merkespenning Ur og vernenivå Upl. Merkespenningen Ur bør være høyere enn = 21,2 kV (se Kraftsystem), for å unngå at avlederen tenner ved påregnelige påkjenninger.

EN 50124-2 krever at utstyrsleverandører skal verifisere beskyttelsen ved hjelp av simulering dersom utstyret beskyttes med metalloksidavleder. For simuleringen spesifiserer EN 50124-2 at det skal legges til grunn en referansespenning Uref (benevnt Up i EN 50124-2) på 60 kV for 15 kV-systemer.

5 Oppsummering

Verdiene i Tabell 7 nedenfor er gitt som en oppsummering av krav i forskrift og normer.

Tabell 7: Oppsummering av krav gitt i forbindelse med isolasjonskoordinering,
Beskrivelse Symbol Verdi Standard
Nominell spenning Un 15 kV EN 50163
Merkeisolasjonsspenning UNm 17,25 kV EN 50163
EN 50124-1
Impulsholdespenning UNi 125 kV
145 kV (over bryterkontakter)
170 kV (spesielle krav)
195 kV (spesielle krav, over bryterkontakter)
EN 50124-1
Klaringer i luft ved UNi = 125 kV og forurensningsgrad PD4A eller PD4B 235 mm
270 mm (over bryterkontakter)
400 mm (mellom NL og PL/KL i luftspenn)
EN 50124-1
EN 50341-1
Klaringer i luft for kontaktledningsanlegget
merk: tilleggsbeskyttelse kan være nødvendig
100 mm (dynamisk)
150 mm (statisk)
260 mm (deler med 120° faseforskjell)
300 mm (deler med 180° faseforskjell)
EN 50119
Krypstrømsavstand for glass- og keramikkisolatorer ned til 414 mm (beskyttet miljø eller vask av isolatorer)
621 - 690 mm (naturlig vask av isolator)
over 828 mm (ugunstige forhold uten vask av isolator)
EN 50124-1
Krypstrømsavstand for komposittisolatorer Komposittisolatorer spesifiseres ut ifra merkeisolasjonsspenningen UNm på 17,25 kV og miljøforhold som følge av plassering og vask. EN 50151
Isolasjonsnivå for brytere Brytere spesifiseres med merkeisolasjonsspenning UNm og impulsholdespenning UNi EN 50152-1
EN 50152-2
Isolasjonsnivå for kabler U0/U(Um) 18/30(36) kV.
Kategori A i henhold til IEC 60502-2
HD 620 S2
IEC 60502-2
Overspenningsavledere Maksimal kontinuerlig driftsspenning Uc: 18 kV (effektivverdi)
Merkespenning Ur: Større enn 21,2 kV (effektivverdi)
Vernenivå Upl: Med god margin mindre enn isolasjonsnivået til utstyret som skal beskyttes
EN 50124-2 stiller i tillegg krav om at overspenningsavlederen og komponenten(e) som beskyttes av overspenningsavlederen, skal verifiseres ved simulering.
EN 60099-4
EN 50124-2

6 Referanser