Analýza neobvyklých příčin zazemňovacího obvodu vysokonapěťového kabelu a typické případy

I. Úvod do kruhového zemnění kabelu

Kabely s nominálním napětím 110 kV a vyšším používají jednovazovou strukturu. Střídavé magnetické pole generované pracovním proudem indukuje napětí na kovové obložce. Pokud tato obložka vytváří uzavřený okruh přes zem, bude po ní proudit kruhový zemnící proud. Příliš velký kruhový zemnící proud (proud překračující 50 A, více než 20 % zatížení, nebo poměr maximálního a minimálního fázového proudu větší než 3) ovlivňuje nosnost a životnost kabelu, a vážné ohřevy způsobené proudem mohou zapálit zemnící dráty nebo zemnící schránky. Pokud se takové problémy neodstraní včas, mohou vést k vážným haváriím elektrické sítě.

II. Faktory ovlivňující kruhový zemnící proud kabelu

Hlavní faktory ovlivňující kruhový zemnící proud kabelu jsou následující:

• Kontaktní odpor kabeluŠpatné svaření nebo špatné spojení, které zvyšují kontaktní odpor v jedné fázi, výrazně sníží kruhový zemnící proud v této fázi. Avšak kruhové proudy v ostatních dvou fázích nemusí nutně odpovídajícím způsobem klesnout. S rostoucím odporom se celkový zemnící proud také nemusí nutně snižovat.

• Zemnící odporS rostoucím součtem zemnícího odporu a odporu cesty zpět přes zemi klesá kruhový zemnící proud v každé fázi. Avšak příliš vysoký zemnící odpor může způsobit špatný kontakt v bodě zemnění, což vedne k ohřevu a ztrátám energie.

• Metoda zemnění kabeluPro omezení indukovaného napětí na kovové obložce se u vysokonapěťových kabelů často používají metody zemnění, jako je zemnění v jednom bodě, zemnění na obou koncích nebo vzájemné propojení pro obložku nebo stínění. Pro delší vysokonapěťové kabelové linky je metoda vzájemného propojení efektivní pro omezení kruhového zemnícího proudu.

Zde Ia, Ib a Ic jsou hodnoty proudů proudících skrz kovové obložky fází A, B a C vysokonapěťových kabelů; Ie je proud proudící skrz cestu zpět přes zemi; Rd je ekvivalentní odpor cesty zpět přes zemi, a Rd1 a Rd2 jsou zemnící odpor na obou koncích kabelové obložky. Za normálních podmínek lze předpokládat, že provozní proudy třífázových kabelů mají stejnou velikost. Využitím fázového rozdílu mezi třífázovými proudy lze zrušit indukovaná napětí na kovových obložkách v úplném úseku s vzájemným propojením, čímž se dosáhne snížení kruhového zemnícího proudu.

(1) Délky kabelových segmentů, způsoby uspořádání kabelů a rozestupy fází

Kabely obecně používají metodu vzájemného propojení pro snížení kruhového zemnícího proudu. V inženýrské praxi při instalacích kabelových kanálů je běžné, že jednotlivé segmenty s vzájemným propojením mají různé délky a různé uspořádání. Při stejném proudě v vodiči je indukované napětí na kovové obložce horizontálně nebo vertikálně uspořádaných kabelů na jednotku délky vyšší než u kabelů uspořádaných v pravoúhlém trojúhelníku. Proto v nerovných segmentech kabelů pomáhá použití trojúhelníkového uspořádání (které produkuje nižší indukované napětí) pro delší segmenty a horizontálního nebo vertikálního uspořádání (které produkuje vyšší indukované napětí) pro kratší segmenty k snížení celkového indukovaného napětí v delších segmentech. Správným výběrem uspořádání pro každý sub-segment lze vyrovnat nesrovnalosti napětí způsobené rozdíly v délce kabelů, což snižuje kruhový zemnící proud v obložce.

III. Analýza anomálního kruhového zemnícího proudu kabelu

Selhání transpozice vedle ke ztrátě proudového vektoru v jednom směru, což způsobí výrazné zvýšení zemnícího proudu v obložce, což může nakonec vést k provozním poruchám. V různých scénářích selhání transpozice se liší velikosti a fáze třífázových proudů. Selhání transpozice se typicky charakterizuje tím, že dva fáze mají relativně podobný zemnící proud, zatímco proud v další fázi je výrazně menší – obvykle asi polovina nejmenšího zemnícího proudu v ostatních dvou fázích.

(1) Vniknutí vody do schránky

Pokud voda pronikne do schránky s vzájemným propojením, voda uvnitř vytvoří nízký zemnící odpor, a spojení mezi vnitřní a vnější vodou efektivně poskytuje přímou zemnící cestu pro proud. Jak je znázorněno na obrázku níže, přímé zemnění nastane v bodě a, b nebo c.

Prolongované deště mohou vést k dlouhodobému hromadění vody v kabelových kanálových schránkách s vzájemným propojením. Zvláště pokud jsou obě schránky zaplaveny, zemnící proud může snadno dosáhnout stovek amperů, což způsobí náhlý nárůst proudu v obložce a rychlý nárůst teploty uvnitř kabelu. Pokud je zaplavena pouze jedna schránka, třífázové proudy v postiženém okruhu ukazují mírné rozdíly a zvýšení přibližně 2,5krát oproti normálním, bezporuchovým podmínkám.

(2) Přetržení koaxiálního kabelu

Linky používající metodu vzájemného propojení pro zemnění jsou obvykle delší než 1 km. Pokud dojde k přetržení koaxiálního kabelu, v místě přetržení může vzniknout napětí přes sto voltů, což představuje významné nebezpečí pro linku. Toto také brání přidruženým kovovým obložkám vytvořit uzavřený okruh, což zastaví proudění kruhového proudu v obložce.

IV. Typické případy studie anomálního kruhového zemnícího proudu kabelu

Jistá 110 kV linka je hybridní přehozeno-kabelová linka. Model kabelu je YJLW03-64/110-1×800 mm². Linka byla uvedena do provozu v září 2014 a má délku přibližně 1220 metrů. 27. prosince 2016 byla systém zemnění kabelu upravena na metodu vzájemného propojení. Úplný úsek s vzájemným propojením se skládá ze stanice, Schránky #1, Schránky #2 a vnějšího přenosového stože. Schránky #1 a #2 jsou schránky s vzájemným propojením, zatímco všechny ostatní body jsou přímo zemněny. Naměřené výsledky kruhového zemnícího proudu jsou uvedeny v níže uvedené tabulce:

Podle odstavce 5.2.3 Q/GDW 11316 "Pravidla pro zkoušení elektrických kabelových linek": poměr kruhového zemnícího proudu k zatížení by měl být menší než 20%; poměr maximálního a minimálního jednofázového kruhového zemnícího proudu by měl být menší než 3. Když je zatížení 57,8 A, proudy v obložkách fází A, B a C v přímo zemněné schránce stanice, Schránky #1 a Schránky #2 všechny závažně překračují požadavky stanovené v pravidlech. Navíc poměr maximálního a minimálního jednofázového kruhového zemnícího proudu (37,6/9,7 = 3,88) je také větší než 3.

Na základě analýzy naměřených dat kruhového zemnícího proudu v níže uvedené tabulce: kruhový zemnící proud fáze A v Manhole #1 je 38,2 A, což odpovídá kruhovému zemnícímu proudu fáze C 37,6 A v Manhole #2; kruhový zemnící proud fáze B v Manhole #1 je 28,5 A, což odpovídá kruhovému zemnícímu proudu fáze A 32,7 A v Manhole #2; kruhový zemnící proud fáze C v Manhole #1 je 10,2 A, což odpovídá kruhovému zemnícímu proudu fáze B 9,7 A v Manhole #2. Třífázové kruhové zemnící proudy proudí následujícími cestami: kruhový zemnící proud fáze A neproudí skrz pancíř fáze B, kruhový zemnící proud fáze B neproudí skrz pancíř fáze C, a kruhový zemnící proud fáze C neproudí skrz pancíř fáze A, jak je znázorněno na níže uvedeném obrázku a tabulce.

Při místním zjišťování bylo zjištěno, že vnitřní konfigurace vzájemného propojení v zemnící schránce Manhole #1 je "ABC to BCA", s fázovým pořadím A, B, C. Vnitřní konfigurace vzájemného propojení v zemnící schránce Manhole #2 je "ABC to CAB", také s fázovým pořadím A, B, C. Na ochranných prvocích kabelové obložky nebo izolačních komponentech nebyly nalezeny žádné známky vlhkosti nebo spálení. Tyto jsou znázorněny na níže uvedených obrázcích:

Proto je příčinou anomálního kruhového zemnícího proudu v tomto 110 kV XX kabelovém úseku nesprávné zapojení měděných sběrnic uvnitř schránek s vzájemným propojením, což zabránilo kabelovým vnějším obložkám v dosažení skutečného vzájemného propojení. To vedlo k příliš velkému kruhovému zemnícímu proudu v místním úseku s vzájemným propojením.

Po opravě konfigurace zapojení splňuje kabelový kruhový zemnící proud požadavky Q/GDW 11316-2014 "Pravidla pro zkoušení elektrických kabelových linek".