Analyse af årsager til abnorme højspændingskabels jordforbindelsescirkulation og typiske tilfælde

I. Introduktion til jordingsløbsstrøm i kabler

Kabler med en spænding på 110 kV og over anvender en enkeltkernestruktur. Den alternerende magnetfelt, der genereres af driftsstrømmen, inducerer en spænding på den metalliske skjold. Hvis skjoldet danner et lukket kredsløb gennem jorden, vil der opstå en jordingsløbsstrøm på den metalliske skjold. En for stor jordingsløbsstrøm (løbsstrøm, der overstiger 50 A, mere end 20% af belastningsstrømmen, eller en forhold mellem maksimum- og minimumfasestrøm, der er større end 3) påvirker ikke kun kablers strømføringsevne og levetid, men alvorlig opvarmning fra strømmen kan også brænde jordingsledninger eller jordingsbokse. Uden hurtig rettelser kan dette udløse alvorlige netværksulykker.

II. Faktorer, der påvirker jordingsløbsstrøm i kabler

De vigtigste faktorer, der påvirker jordingsløbsstrøm i kabler, er følgende:

• Kontaktilstand hos kabletDårlig svarende eller dårlige forbindelser, der øger kontaktilstanden i en fase, vil betydeligt reducere jordingsløbsstrømmen i den fase. Imidlertid, løbsstrømmen i de to andre faser reduceres ikke nødvendigvis tilsvarende. Da resistansen stiger, reducerer det heller ikke nødvendigvis den samlede jordingsstrøm.

• JordingsresistansJo mere summen af jordingsresistancen og jordens returneringssvingningsvejsresistancen stiger, jo mindre bliver jordingsløbsstrømmen i hver fase. Imidlertid kan en for høj jordingsresistans føre til dårlig kontakt ved jordingspunktet, hvilket resulterer i opvarmning og energitab.

• Jordingsmetode for kabelTil at begrænse den inducerede spænding på kablers metalliske skjold, anvender højspændingskabler normalt jordingsmetoder som enkelt-punkt-jordings, begge-ender-jordings, eller krydsforbindelse for skjoldet eller skærmen. For længere højspændingskabelledninger er krydsforbindelsesmetoden effektiv til at begrænse jordingsløbsstrøm.

Herunder er Ia, Ib, og Ic strømstørrelserne, der går gennem de metalliske skjoldene på A, B, og C fase højspændingskabler, hhv.; Ie er strømmen, der går gennem jordens returneringssvingningsvej; Rd er den ækvivalente resistans for jordens returneringssvingningsvej, og Rd1 og Rd2 er jordingsresistancerne ved begge ender af kabelskjoldet. Under normale omstændigheder kan driftsstrømme for de tre-fase kabler antages at være lige store. Ved at udnytte fasenforskellen mellem de tre-fase strømme, kan de inducerede spændinger på de metalliske skjold inden for en komplet krydsforbindelse afskrives, hvilket opnår formålet med at reducere jordingsløbsstrøm.

(1) Kabelsegmentlængder, kabelanordningsmetoder, og fasespacing

Kabler anvender generelt en krydsforbindelsesjordingsmetode for at reducere jordingsløbsstrøm. I teknisk praksis for kabelkanalinstallationer er det almindeligt, at individuelle segmenter af skjoldets krydsforbindelse har forskellige længder og forskellige anordningskonfigurationer. Under samme ledningsstrøm, er den inducerede spænding på de metalliske skjold per enhedslængde for vandret eller lodret anordnede kabler højere end for kabler, der er anordnet i en retvinklet trekant. Derfor, i ulige lange segmenterede kabler, hjælper det med at bruge trekantformationen (som producerer lavere induceret spænding) for længere kabelsegmenter og vandret eller lodret anordning (som producerer højere induceret spænding) for kortere segmenter, med at reducere den samlede inducerede spænding i de længere segmenter. Ved at vælge passende anordning for hvert sub-segment, kan spændingsubalance, forårsaget af forskelle i kabellængde, blive balanceret, hvilket reducerer skjoldløbsstrøm.

III. Analyse af abnorm jordingsløbsstrøm i kabler

En transpositionsfejl vil føre til tabet af en strømvektor i en retning, hvilket vil medføre en betydelig stigning i skjoldets jordingsstrøm, og kan sidst ende med driftsfejl. I forskellige transpositionsfejlscenarier, varierer størrelsen og fasen af de tre-fase strømme betydeligt. En typisk karakteristik for en transpositionsfejl er, at to faser har relativt lignende jordingsstrømme, mens strømmen i den tredje fase er betydeligt mindre - typisk ca. halvdelen af den mindste jordingsstrøm i de to andre faser.

(1) Vandindtrængen i boksen

Når vand kommer ind i en krydsforbindelsesboks, skaber vandet inde i boksen en lav jordingsresistans, og forbindelsen mellem det interne og eksterne vand effektivt giver en direkte jordingssti for strøm. Som vist i figuren nedenfor, opstår en direkte jordning ved punkt a, b, eller c.

Langvarig regn kan føre til langvarig vandopsparing i kabelgrube krydsforbindelsesbokse. Især når både bokse er oversvømmet, kan jordingsstrømmen let nå flere hundrede amper, hvilket fører til en pludselig stigning i skjoldstrømmen og en hurtig stigning i den interne kabeltemperatur. Når kun en boks er oversvømmet, viser de tre-fase strømme i den berørte løkke små forskelle og stiger ca. 2,5 gange sammenlignet med normale, ikke-fejl-betingelser.

(2) Coaxialkabelbrud

Ledninger, der anvender krydsforbindelsesjordning, er generelt længere end 1 km. Hvis coaxialkablet brister, kan en spænding på over hundred volts opstå ved brudsplinten, hvilket udgør en betydelig trussel mod linjen. Det forhindrer også de associerede metalliske skjold i at danne et lukket kredsløb, hvilket stopper løbsstrømmen i skjoldet.

IV. Typiske casestudier af abnorm jordingsløbsstrøm i kabler

En bestemt 110 kV linje er en hybrid overhoved-kabel linje. Kabelmodellen er YJLW03-64/110-1×800 mm². Linjen blev taget i drift i september 2014 og er ca. 1220 meter lang. Den 27. december 2016 blev kabeljordingsystemet modificeret til at anvende en krydsforbindelsesjordingsmetode. Den komplette krydsforbindelse består af understationen, Boks #1, Boks #2, og den eksterne transmissionsmaste. Boks #1 og #2 er krydsforbindelsesbokse, mens alle andre punkter er direkte jordede. De målte resultater for jordingsløbsstrøm vises i nedenstående tabel:

Ifølge paragraf 5.2.3 i Q/GDW 11316 "Testregler for kraftkable": forholdet mellem jordingsløbsstrøm og belastningsstrøm skal være mindre end 20%; forholdet mellem den maksimale og minimale enkeltfase jordingsløbsstrøm skal være mindre end 3. Når belastningsstrømmen er 57.8 A, overstiger skjoldstrømmerne for faserne A, B, og C i stationens direkte jordingsboks, Boks #1, og Boks #2 alle kravene, der er specificeret i reglerne. Desuden er forholdet mellem den maksimale og minimale enkeltfase jordingsløbsstrøm (37.6/9.7 = 3.88) også større end 3.

Baseret på analysen af de målte data for jordingsløbsstrøm i tabellen ovenfor: A-fasens jordingsløbsstrøm i Manhole #1 er 38.2 A, der svarer til C-fasens jordingsløbsstrøm på 37.6 A i Manhole #2; B-fasens jordingsløbsstrøm i Manhole #1 er 28.5 A, der svarer til A-fasens jordingsløbsstrøm på 32.7 A i Manhole #2; C-fasens jordingsløbsstrøm i Manhole #1 er 10.2 A, der svarer til B-fasens jordingsløbsstrøm på 9.7 A i Manhole #2. De tre-fase jordingsløbsstrømme går gennem følgende veje: A-fasens jordingsløbsstrøm går ikke gennem B-fasens rustningslag, B-fasens jordingsløbsstrøm går ikke gennem C-fasens rustningslag, og C-fasens jordingsløbsstrøm går ikke gennem A-fasens rustningslag, som illustreret i figuren og tabellen nedenfor.

På stedet undersøgt blev det opdaget, at den interne krydsforbindelseskonfiguration i jordingsboksen for Kabelvedligeholdelses Manhole #1 er "ABC til BCA", med fasefølgen A, B, C. Den interne krydsforbindelseskonfiguration i boksen for Manhole #2 er "ABC til CAB", også med fasefølgen A, B, C. Der blev ikke fundet tegn på fugt eller brandskade på kabelrustningsbeskyttelserne eller isolerende komponenter. Dette vises i figuren nedenfor, hhv.:

Derfor er årsagen til den abnorme jordingsløbsstrøm i denne 110 kV XX linjes kabelafsnit fejlbelagt kobling af kobberbusserne indeni krydsforbindelsesbokserne, hvilket forhindrede kabeluderskildene i at opnå en faktisk krydsforbindelse. Dette resulterede i en for stor jordingsløbsstrøm i det lokale krydsforbindelsesafsnit.

Efter korrektur af koblingskonfigurationen, overholder kablernes jordingsløbsstrøm nu kravene i Q/GDW 11316-2014 "Testregler for kraftkable".