Anàlisi de les causes anòmals de la circulació a terra dels cables d'alta tensió i casos típics

I. Introducció a la corrent de terra en bucle del cable

Els cables d'110 kV i superiors utilitzen una estructura mononuclear. El camp magnètic alternat generat per la corrent d'operació induix una tensió a la màniga metàl·lica. Si la màniga forma un circuit tancat a través de la terra, es produirà una corrent de terra en bucle a la màniga metàl·lica. Una corrent de terra en bucle excessiva (corrent en bucle superior a 50 A, més del 20% de la corrent de càrrega, o una relació de la corrent màxima a mínima entre fases superior a 3) no només afecta la capacitat de càrrega del cable i la seva vida útil, sinó que el calorem sever d'aquesta corrent pot cremar els cables de terra o les caixes de terra. No resoldre prontament aquests problemes pot desencadenar accidents gravis en la xarxa elèctrica.

II. Factors que influeixen en la corrent de terra en bucle del cable

Els factors principals que afecten la corrent de terra en bucle del cable són els següents:

• Resistència de contacte del cableUna soldadura defectuosa o connexions dolentes que augmentin la resistència de contacte en una fase reduiran significativament la corrent de terra en bucle en aquesta fase. Tanmateix, les corrents en bucle en les altres dues fases no disminuiran necessàriament de manera corresponent. Com la resistència augmenta, la corrent total de terra no disminueix necessàriament tampoc.

• Resistència de terraCom la suma de la resistència de terra i la resistència del camí de retorn a través de la terra augmenta, la corrent de terra en bucle en cada fase disminueix. Tanmateix, una resistència de terra excessivament alta pot causar un contacte dolent al punt de terra, provocant calorem i pèrdues d'energia.

• Mètode de terra del cablePer limitar la tensió induïda a la màniga metàl·lica del cable, els cables d'alta tensió solen utilitzar mètodes de terra com el terra en un sol punt, el terra als dos extrems, o el terra en creu per a la màniga o pantalla. Per a línies de cable d'alta tensió més llargues, el mètode de terra en creu és efectiu per limitar la corrent de terra en bucle.

D'aquests, Ia, Ib i Ic són els valors de corrent que flueixen a través de les mànigues metàl·liques dels cables d'alta tensió de les fases A, B i C, respectivament; Ie és la corrent que flueix a través del camí de retorn a la terra; Rd és la resistència equivalent del camí de retorn a la terra, i Rd1 i Rd2 són les resistències de terra als dos extrems de la màniga del cable. En circumstàncies normals, es pot assumir que les corrents d'operació dels tres cables trifàsics són iguals en magnitud. Utilitzant la diferència de fase entre les corrents trifàsiques, les tensions induïdes a les mànigues metàl·liques dins d'una secció completa de terra en creu es poden anul·lar, així aconseguint reduir la corrent de terra en bucle.

(1) Longituds de segment de cable, mètodes d'ordenació i espaiat de fases

Els cables generalment adopten un mètode de terra en creu per reduir la corrent de terra en bucle. En la pràctica enginyera per a l'instal·lació de conductes de cable, és habitual que els segments individuals de terra en creu tinguin longituds i configuracions d'ordenació diferents. Amb la mateixa corrent de conductor, la tensió induïda a la màniga metàl·lica per unitat de longitud per a cables ordenats horitzontal o verticalment és més elevada que per a cables ordenats en una configuració de triangle rectàngle. Per tant, en cables segmentats de longitud desigual, utilitzar la disposició triangular (que produeix una tensió induïda menor) per a segments de cable més llargs i la disposició horitzontal o vertical (que produeix una tensió induïda més elevada) per a segments més curts ajuda a reduir la tensió induïda total en els segments més llargs. Triant adequadament la disposició per a cada subsegment, es pot equilibrar la desigualtat de tensió causada per les diferències en la longitud del cable, reduint així la corrent de terra en bucle de la màniga.

III. Anàlisi de la corrent de terra en bucle del cable anormal

Un error de transposició resultarà en la pèrdua d'un vector de corrent en una direcció, causant un increment significatiu de la corrent de terra en la màniga, que pot arribar a provocar falles operatives. En diferents escenaris d'error de transposició, les magnituds i fases de les corrents trifàsiques difereixen considerablement. Un error de transposició es caracteritza típicament per tenir dues fases amb corrents de terra relativament similars, mentre que la corrent en la tercera fase és significativament menor—generalment al voltant de la meitat de la corrent de terra més petita en les altres dues fases.

(1) Ingressos d'aigua a la caixa

Quan l'aigua entra a una caixa de connexió en creu, l'aigua dins crea una baixa resistència de terra, i la connexió entre l'aigua interna i externa proporciona efectivament un camí directe de terra per a la corrent. Com es mostra a la figura següent, es produeix un terra directe al punt a, b, o c.

La pluja prolongada pot conduir a acumular-se aigua a llarg termini a les caixes de terra en creu de les condutes de cable. Especialment quan les dues caixes estan inundades, la corrent de terra pot arribar fàcilment a centenars d'amperes, causant un augment súbit de la corrent de la màniga i un augment ràpid de la temperatura interna del cable. Quan només una caixa està inundada, les corrents trifàsiques en el bucle afectat mostren lleus diferents i augmenten aproximadament 2,5 vegades en comparació amb les condicions normals sense falla.

(2) Ruptura del cable coaxial

Les línies que utilitzen un mètode de terra en creu solen ser més llargues de 1 km. Si el cable coaxial es trenc, es pot generar una tensió de més de cent voltes al punt de ruptura, posant una amenaça significativa a la línia. També impedeix que les mànigues metàl·liques associades formen un bucle tancat, aturant així la corrent en bucle de fluir a la màniga.

IV. Estudis de casos típics de corrent de terra en bucle del cable anormal

Una certa línia de 110 kV és una línia híbrida de suport aèri i cable. El model de cable és YJLW03-64/110-1×800 mm². La línia va ser posada en servei el setembre de 2014 i té aproximadament 1.220 metres de longitud. El 27 de desembre de 2016, el sistema de terra del cable va ser modificat per utilitzar un mètode de terra en creu. La secció completa de terra en creu consta de la subestació, la Caixa #1, la Caixa #2 i la torre de transmissió externa. Les Caixes #1 i #2 són caixes de terra en creu, mentre que tots els altres punts estan terrats directament. Els resultats mesurats de la corrent de terra en bucle es mostren a la taula següent:

Segons la clàusula 5.2.3 de Q/GDW 11316 "Reglament de Proves de Línies de Cable Elèctric": la relació de la corrent de terra en bucle a la corrent de càrrega ha de ser inferior al 20%; la relació de la corrent de terra en bucle màxima a mínima d'una sola fase ha de ser inferior a 3. Quan la corrent de càrrega és de 57,8 A, les corrents de les mànigues de les fases A, B i C a la caixa de terra directa de la subestació, la Caixa #1 i la Caixa #2 superen severament els requisits especificats en la normativa. A més, la relació de la corrent de terra en bucle màxima a mínima d'una sola fase (37,6/9,7 = 3,88) també és superior a 3.

Basant-se en l'anàlisi de les dades mesurades de la corrent de terra en bucle a la taula anterior: la corrent de terra en bucle de la fase A al Punt de Terra #1 és de 38,2 A, corresponent a la corrent de terra en bucle de la fase C de 37,6 A al Punt de Terra #2; la corrent de terra en bucle de la fase B al Punt de Terra #1 és de 28,5 A, corresponent a la corrent de terra en bucle de la fase A de 32,7 A al Punt de Terra #2; la corrent de terra en bucle de la fase C al Punt de Terra #1 és de 10,2 A, corresponent a la corrent de terra en bucle de la fase B de 9,7 A al Punt de Terra #2. Les corrents de terra en bucle trifàsiques flueixen a través dels camins següents: la corrent de terra en bucle de la fase A no flueix a través de l'armadura de la fase B, la corrent de terra en bucle de la fase B no flueix a través de l'armadura de la fase C, i la corrent de terra en bucle de la fase C no flueix a través de l'armadura de la fase A, tal com es mostra a la figura i taula següents.

La inspecció in situ va revelar que la configuració interna de terra en creu a la caixa de terra del Punt de Manteniment de Cable #1 és "ABC a BCA", amb la seqüència de fases A, B, C. La configuració interna de terra en creu a la caixa de terra del Punt de Terra #2 és "ABC a CAB", també amb la seqüència de fases A, B, C. No s'han trobat signes d'humitat o danys per calor als protectors de la màniga del cable o a les components aïllants. Això es mostra en les figures següents, respectivament:

Per tant, la causa de la corrent de terra en bucle anormal en aquest segment de cable de la línia de 110 kV XX és la connectivitat incorrecta de les barres de cobre interiors a les caixes de terra en creu, que va impedir que les mànigues externes del cable assolissin una terra en creu real. Això va resultar en una corrent de terra en bucle excessiva en la secció local de terra en creu.

Després de corregir la configuració de la connectivitat, la corrent de terra en bucle del cable compleix amb els requisits de Q/GDW 11316-2014 "Reglament de Proves de Línies de Cable Elèctric".