Анализ на аномалните причини за заземяване на високонапътни кабели и типични случаи

I. Въведение в заземващата петлеста токова колона

Кабели с напрежение 110 кВ и по-високо използват едноядреста структура. Променливото магнитно поле, генерирано от работния ток, индуцира напрежение в металната обвивка. Ако обвивката образува затворена верига чрез земята, ще протече заземващ ток в металната обвивка. Експресивен заземващ ток (ток над 50 А, повече от 20% от тока на товара, или отношение на максималния към минималния фазов ток над 3) не само влияе на пропускната способност и продължителността на живота на кабела, но и силното загряване от тока може да изгори заземващите жici или заземващи кутии. Ако такива проблеми не се коригират навреме, могат да предизвикат сериозни аварии в електрическата мрежа.

II. Фактори, влияещи върху заземващата петлеста токова колона на кабела

Основните фактори, влияещи върху заземващата петлеста токова колона на кабела, са следните:

• Съпротивление на контакта на кабела - Лошо сваряване или лоши връзки, които увеличават контактната съпротивителност в една фаза, значително намаляват заземващия ток в тази фаза. Обаче, токовете в другите две фази не се намаляват съответно. С увеличаването на съпротивлението, общият заземващ ток не се намалява непременно.

• Заземваща съпротивителност - Когато сборът от заземващата съпротивителност и съпротивителността на обратния път през земята се увеличава, заземващият ток във всяка фаза намалява. Обаче, прекомерно висока заземваща съпротивителност може да доведе до лош контакт в точката на заземяване, което води до загряване и загуби на мощност.

• Метод за заземяване на кабела - За ограничаване на индуцираното напрежение в металната обвивка, високонапрегнатите кабели обикновено използват методи за заземяване като заземяване в една точка, заземяване на двете края, или кръстосано заземяване на обвивката или екрана. За по-дълги високонапрегнати кабелни линии, методът на кръстосано заземяване е ефективен за ограничаване на заземващата петлеста токова колона.

Тук Ia, Ib и Ic са стойностите на токовете, протичащи през металните обвивки на фазите A, B и C на високонапрегнатите кабели, съответно; Ie е токът, протичащ през обратния път през земята; Rd е еквивалентната съпротивителност на обратния път през земята, а Rd1 и Rd2 са заземващите съпротивления на двете края на обвивката на кабела. Под нормални условия, операционните токове на трите фази могат да се приемат за равни по големина. Използвайки фазовата разлика между трите фазови тока, индуцираните напрежения в металните обвивки във всеки цялостен кръстосано заземен сегмент могат да бъдат компенсирани, по този начин достигайки целта за намаляване на заземващата петлеста токова колона.

(1) Дължини на кабелните сегменти, методи за подреждане и интервал между фазите

Обикновено кабелите използват метод на кръстосано заземяване, за да намалят заземващата петлеста токова колона. В инженерната практика при инсталация на кабелни каналы, е обичайно отделните сегменти на кръстосано заземена обвивка да имат различни дължини и различни конфигурации. При един и същ проводников ток, индуцираното напрежение в металната обвивка за хоризонтално или вертикално подредени кабели на единица дължина е по-високо, отколкото за кабели, подредени в прав триъгълен конфигурация. Следователно, в сегменти с неравни дължини, използването на триъгълна конфигурация (която произвежда по-ниско индуцирано напрежение) за по-дълги сегменти и хоризонтална или вертикална конфигурация (която произвежда по-високо индуцирано напрежение) за по-кратки сегменти помага за намаляване на общото индуцирано напрежение в по-дългите сегменти. Чрез подходящо избиране на конфигурацията за всеки подсегмент, несъответствието в напрежението, причинено от разликите в дължината на кабелите, може да бъде балансирани, по този начин намалявайки токовата петла в обвивката.

III. Анализ на аномална заземваща петлеста токова колона на кабела

Провал при транспозицията ще доведе до губене на вектора на тока в една посока, което ще доведе до значително увеличение на тока на заземяването на обвивката, което може да доведе до оперативни грешки. В различни случаи на провал при транспозицията, големините и фазите на трите фазови тока се различават значително. Провал при транспозицията обикновено се характеризира с два фазови тока, които имат относително сходни заземващи токове, докато токът в другата фаза е значително по-малък - обикновено около половината от най-малкия заземващ ток в другите две фази.

(1) Наводняване на кутията

Когато вода влезе в кутията за кръстосано заземяване, водата вътре създава ниска заземваща съпротивителност, а връзката между вътрешната и външната вода ефективно предоставя директен път за заземяване на тока. Както е показано на фигурата по-долу, директно заземяване се случва в точката a, b или c.

Продължителните валежи могат да доведат до дългосрочно наводняване в кутиите за кръстосано заземяване в канала за кабели. Особено, когато и двете кутии са наводнени, заземващият ток лесно може да достигне стотици ампери, което води до внезапно увеличение на тока в обвивката и бързо увеличение на температурата във вътрешността на кабела. Когато само една кутия е наводнена, трите фазови тока в засегнатата петла показват леки разлики и се увеличават приблизително 2,5 пъти в сравнение с нормалните, без дефектни условия.

(2) Прекъсване на коаксиалния кабел

Линиите, използващи метод на кръстосано заземяване, обикновено са по-дълги от 1 км. Ако коаксиалният кабел се прекъсне, в точката на прекъсване може да се генерира напрежение над сто волта, което представлява значителна заплаха за линията. Това също така предотвратява образуването на затворена петла от съпътстващите метални обвивки, по този начин спира тока в обвивката.

IV. Типични примери за аномална заземваща петлеста токова колона на кабела

Една определена 110 кВ линия е хибриден въздушно-кабелен линия. Моделът на кабела е YJLW03-64/110-1×800 мм². Линията беше включена в употреба през септември 2014 г. и е приблизително 1220 метра дълга. На 27 декември 2016 г. системата за заземяване на кабела беше модифицирана, за да използва метод на кръстосано заземяване. Пълната кръстосано заземена секция включва подстанцията, кутия №1, кутия №2 и външната преходна кула. Кутии №1 и №2 са кутии за кръстосано заземяване, докато всички останали точки са директно заземени. Измерените резултати за заземващата петлеста токова колона са показани в таблицата по-долу:

Според параграф 5.2.3 на Q/GDW 11316 "Регламент за изпитвания на електрически кабелни линии": отношението на заземващата петлеста токова колона към тока на товара трябва да е по-малко от 20%; отношението на максималния към минималния еднофазен заземващ ток трябва да е по-малко от 3. Когато токът на товара е 57.8 А, токовете в обвивките на фазите A, B и C в директната кутия за заземяване на подстанцията, кутия №1 и кутия №2, са значително над границите, определени в регламента. Освен това, отношението на максималния към минималния еднофазен заземващ ток (37.6/9.7 = 3.88) е също по-голямо от 3.

На основата на анализ на измерените данни за заземващата петлеста токова колона в таблицата по-горе: заземващата петлеста токова колона на фаза A в колодез №1 е 38.2 А, съответстващ на заземващата петлеста токова колона на фаза C в колодез №2 от 37.6 А; заземващата петлеста токова колона на фаза B в колодез №1 е 28.5 А, съответстващ на заземващата петлеста токова колона на фаза A в колодез №2 от 32.7 А; заземващата петлеста токова колона на фаза C в колодез №1 е 10.2 А, съответстващ на заземващата петлеста токова колона на фаза B в колодез №2 от 9.7 А. Трите фазови заземващи петлести токови колони протичат по следните пътища: заземващата петлеста токова колона на фаза A не протича през бронята на фаза B, заземващата петлеста токова колона на фаза B не протича през бронята на фаза C, а заземващата петлеста токова колона на фаза C не протича през бронята на фаза A, както е показано на фигурата и в таблицата по-долу.

На място беше установено, че вътрешната конфигурация за кръстосано заземяване в кутията за заземяване на колодез №1 за поддръжка на кабела е "ABC към BCA", с фазов ред A, B, C. Вътрешната конфигурация за кръстосано заземяване в кутията за заземяване на колодез №2 е "ABC към CAB", също с фазов ред A, B, C. Не бяха открити признаци на влага или изгаряне на защитните компоненти на обвивката на кабела или изолационните части. Това е показано на фигурите по-долу, съответно:

Следователно, причината за аномалната заземваща петлеста токова колона в тази 110 кВ XX линия на кабела е неправилно свързване на медните шини в кутиите за кръстосано заземяване, което предотврати фактическото кръстосано заземяване на външните обвивки на кабела. Това доведе до прекомерна заземваща петлеста токова колона в локалната кръстосано заземена секция.

След коригиране на конфигурацията на свързването, заземващата петлеста токова колона на кабела съответства на изискванията на Q/GDW 11316-2014 "Регламент за изпитвания на електрически кабелни линии".