تحليل أسباب الشذوذ في تدوير تأريض الكابلات ذات الجهد العالي والحالات النموذجية

I. مقدمة حول تيار التأريض الحلقي للأسلاك

تستخدم الأسلاك ذات الجهد 110 كيلو فولت وما فوق بنية أحادية النواة. يولد المجال المغناطيسي المتغير من التيار التشغيلي فرق جهد على الغلاف المعدني. إذا شكل الغلاف دائرة مغلقة عبر الأرض، سيتدفق تيار تأريض حلقي على الغلاف المعدني. يمكن أن يؤدي تيار التأريض الحلقي الزائد (التيار الحلقي يتجاوز 50 أمبير، أكثر من 20٪ من تيار الحمل، أو نسبة التيار الأقصى إلى الأدنى أكبر من 3) ليس فقط إلى تأثير على قدرة السلك وعمره الافتراضي، ولكن الحرارة الشديدة الناتجة عن التيار قد تحرق أسلاك التأريض أو صناديق التأريض. عدم تصحيح هذه القضايا بسرعة قد يسبب حوادث خطيرة في شبكة الكهرباء.

II. العوامل المؤثرة في تيار التأريض الحلقي للأسلاك

العوامل الرئيسية المؤثرة في تيار التأريض الحلقي للأسلاك هي كالتالي:

• مقاومة التماس للكابل: اللحام السيء أو الاتصالات السيئة التي تزيد من مقاومة التماس في مرحلة واحدة ستخفض بشكل كبير تيار التأريض الحلقي في تلك المرحلة. ومع ذلك، لا ينخفض بالضرورة تيار الحلقات في المرحلتين الأخريتين. مع زيادة المقاومة، لا ينخفض بالضرورة التيار الكلي للتأريض أيضًا.

• مقاومة التأريض: مع زيادة مجموع مقاومة التأريض ومقاومة مسار العودة للأرض، ينخفض تيار التأريض الحلقي في كل مرحلة. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي مقاومة التأريض المرتفعة للغاية إلى اتصال ضعيف عند نقطة التأريض، مما يؤدي إلى تسخين وخسارة الطاقة.

• طريقة تأريض الكابل: لتقييد الفرق الجهد المستحث على الغلاف المعدني للكابل، تستخدم الكابلات ذات الجهد العالي عادةً طرق تأريض مثل التأريض من نقطة واحدة، أو التأريض من الطرفين، أو التوصيل المتقاطع للغلاف أو الشاشة. بالنسبة للخطوط الكابلية عالية الجهد الأطول، تكون طريقة التوصيل المتقاطع فعالة في تقييد تيار التأريض الحلقي.

من بين هذه، Ia و Ib و Ic هي قيم التيار المنقولة عبر أغلفة الكابلات المعدنية لمرحلتي A و B و C على التوالي؛ Ie هو التيار المنقول عبر مسار العودة للأرض؛ Rd هو المقاومة المكافئة لمسار العودة للأرض، وRd1 و Rd2 هما مقاومات التأريض في طرفي غلاف الكابل. في الظروف الطبيعية، يمكن اعتبار تيارات الكابلات الثلاثية المرحلية متساوية في القيمة. باستخدام الفرق الطوري بين تيارات المرحلات الثلاث، يمكن إلغاء الفروق الجهد المستحثة على الأغلفة المعدنية داخل القسم الكامل للتوصيل المتقاطع، وبالتالي تحقيق هدف تقليل تيار التأريض الحلقي.

(1) أطوال المقاطع الكابلية، وطرق الترتيب، وتباعد المرحلات

تستخدم الكابلات عمومًا طريقة التأريض بالتوصيل المتقاطع لتقليل تيار التأريض الحلقي. في الممارسة الهندسية لتثبيت الأنابيب الكابلية، من الشائع أن يكون لكل مقاطع التوصيل المتقاطع للغلاف أطوال مختلفة وتكون لها تكوينات ترتيب مختلفة. تحت نفس تيار الموصل، يكون الفرق الجهد المستحث على الغلاف المعدني لكل وحدة طول أعلى في الكابلات المصفوفة أفقيًا أو رأسيًا مقارنة بالكابلات المصفوفة بشكل مثلث قائم. لذلك، في الكابلات المقسمة لأطوال غير متساوية، استخدام الترتيب المثلثي (الذي ينتج فرق جهد أقل) للمقاطع الأطول والترتيب الأفقي أو الرأسي (الذي ينتج فرق جهد أعلى) للمقاطع الأقصر يساعد في تقليل الفرق الجهد الإجمالي في المقاطع الأطول. من خلال اختيار الترتيب المناسب لكل قسم فرعي، يمكن موازنة الفرق الجهد الناتج عن اختلاف أطوال الكابلات، وبالتالي تقليل تيار الحلقة الغلافية.

III. تحليل تيار التأريض الحلقي غير الطبيعي للكابل

ستؤدي فشل التبديل إلى فقدان متجه التيار في اتجاه واحد، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في تيار التأريض للغلاف، مما قد يؤدي في النهاية إلى أعطال تشغيلية. في سيناريوهات فشل التبديل المختلفة، تختلف قيم ومراحل التيار الثلاثية بشكل كبير. يتميز فشل التبديل عادة بأن المرحلتين لهما تيارات تأريض متشابهة نسبيًا، بينما يكون التيار في المرحلة الأخرى أقل بكثير - عادة حوالي نصف أصغر تيار تأريض في المرحلتين الأخريتين.

(1) دخول المياه إلى الصندوق

عندما تدخل المياه إلى صندوق الوصلات المتقاطعة، تخلق المياه داخل الصندوق مقاومة تأريض منخفضة، ويقدم الاتصال بين المياه الداخلية والخارجية مسار تأريض مباشر للتيار. كما هو موضح في الشكل أدناه، يحدث التأريض المباشر عند النقاط a، b، أو c.

يمكن أن يؤدي الأمطار المستمرة إلى تراكم طويل الأمد للمياه في صناديق الوصلات المتقاطعة في خندق الكابل. خاصة عندما تكون الصندوقين مغمورين بالمياه، يمكن أن يصل تيار التأريض بسهولة إلى مئات الأمبير، مما يؤدي إلى زيادة مفاجئة في تيار الغلاف وارتفاع سريع في درجة حرارة الكابل الداخلي. عندما يكون هناك صندوق واحد مغمورًا بالمياه، تظهر تيارات المرحلات الثلاث في الحلقة المصابة اختلافات طفيفة وتزداد بنسبة حوالي 2.5 مرة مقارنة بالظروف الطبيعية بدون أعطال.

(2) انقطاع الكابل المركزي

عادة ما تكون الخطوط التي تستخدم طريقة التأريض بالتوصيل المتقاطع أطول من 1 كم. إذا انقطع الكابل المركزي، يمكن أن ينتج فرق جهد يتجاوز مائة فولت عند نقطة الانقطاع، مما يشكل تهديدًا كبيرًا للخط. كما يمنع الغلاف المعدني المرتبط من تشكيل دائرة مغلقة، مما يوقف تدفق تيار الحلقة في الغلاف.

IV. دراسات حالة نموذجية لتيار التأريض الحلقي غير الطبيعي للكابل

يعد خط الجهد 110 كيلو فولت معين خطًا مختلطًا معلقًا وكابلًا. نموذج الكابل هو YJLW03-64/110-1×800 مم². تم تشغيل الخط في سبتمبر 2014 ويتراوح طوله حوالي 1220 متر. في 27 ديسمبر 2016، تم تعديل نظام تأريض الكابل لاستخدام طريقة التأريض بالتوصيل المتقاطع. يتكون القسم الكامل للتوصيل المتقاطع من المحطة، صندوق #1، صندوق #2، وأبراج النقل الخارجية. صندوق #1 وصندوق #2 هما صناديق الوصلات المتقاطعة، بينما يتم تأريض جميع النقاط الأخرى مباشرة. تظهر نتائج تيار التأريض الحلقي المقيسة في الجدول أدناه:

وفقًا للمادة 5.2.3 من Q/GDW 11316 "لوائح اختبار خطوط الكابلات الكهربائية": يجب أن يكون نسبة تيار التأريض الحلقي إلى تيار الحمل أقل من 20٪؛ يجب أن يكون نسبة أكبر تيار تأريض حلقي أحادي المرحلية إلى أصغر تيار تأريض حلقي أحادي المرحلية أقل من 3. عندما يكون تيار الحمل 57.8 أمبير، فإن تيارات الغلاف في المرحلات A و B و C في صندوق التأريض المباشر للمحطة، وصندوق #1، وصندوق #2 تتجاوز جميعها بشدة المتطلبات المحددة في اللوائح. بالإضافة إلى ذلك، نسبة أكبر تيار تأريض حلقي أحادي المرحلية إلى أصغر تيار تأريض حلقي أحادي المرحلية (37.6/9.7 = 3.88) أكبر أيضًا من 3.

بناءً على تحليل بيانات تيار التأريض الحلقي المقيسة في الجدول أعلاه: تيار التأريض الحلقي لمرحلة A في الخزان رقم 1 هو 38.2 أمبير، مما يتوافق مع تيار التأريض الحلقي لمرحلة C البالغ 37.6 أمبير في الخزان رقم 2؛ تيار التأريض الحلقي لمرحلة B في الخزان رقم 1 هو 28.5 أمبير، مما يتوافق مع تيار التأريض الحلقي لمرحلة A البالغ 32.7 أمبير في الخزان رقم 2؛ تيار التأريض الحلقي لمرحلة C في الخزان رقم 1 هو 10.2 أمبير، مما يتوافق مع تيار التأريض الحلقي لمرحلة B البالغ 9.7 أمبير في الخزان رقم 2. تتدفق تيارات التأريض الحلقي الثلاثية عبر المسارات التالية: لا يتدفق تيار التأريض الحلقي لمرحلة A عبر درع المرحلة B، ولا يتدفق تيار التأريض الحلقي لمرحلة B عبر درع المرحلة C، ولا يتدفق تيار التأريض الحلقي لمرحلة C عبر درع المرحلة A، كما هو موضح في الشكل والجدول أدناه.

كشف الفحص على الموقع أن التكوين الداخلي للتوصيل المتقاطع في صندوق التأريض لخزان صيانة الكابل رقم 1 هو "ABC إلى BCA"، بتسلسل مراحل A، B، C. التكوين الداخلي للتوصيل المتقاطع في صندوق الخزان رقم 2 هو "ABC إلى CAB"، بتسلسل مراحل A، B، C أيضًا. لم يتم العثور على أي علامات على الرطوبة أو الحرق على حمايات الغلاف المعدني أو المكونات العازلة. كما هو موضح في الشكلين أدناه:

لذلك، فإن سبب تيار التأريض الحلقي غير الطبيعي في هذا القسم من الكابل في خط الجهد 110 كيلو فولت XX هو توصيل غير صحيح لقضبان النحاس داخل صناديق الوصلات المتقاطعة، مما منع أغلفة الكابل الخارجية من تحقيق التوصيل المتقاطع الفعلي. مما أدى إلى زيادة تيار التأريض الحلقي المحلي في القسم المتقاطع.

بعد تصحيح تكوين التوصيل، أصبح تيار التأريض الحلقي للكابل متوافقًا مع متطلبات Q/GDW 11316-2014 "لوائح اختبار خطوط الكابلات الكهربائية".