Analyse von Ursachen ungewöhnlicher Hochspannungskabel-Erdschleifen und typische Fälle

I. Einführung in den Erdungsschleifenstrom von Kabeln

Kabel mit einer Spannung von 110 kV und darüber verwenden eine Einzelkernstruktur. Das Wechselfeld, das durch den Betriebsstrom erzeugt wird, induziert eine Spannung auf der metallischen Hülle. Wenn die Hülle über die Erde einen geschlossenen Kreis bildet, fließt ein Erdungsschleifenstrom auf der metallischen Hülle. Ein zu hoher Erdungsschleifenstrom (Schleifenstrom über 50 A, mehr als 20 % des Laststroms oder ein Verhältnis des maximalen zum minimalen Phasenstroms größer als 3) beeinflusst nicht nur die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer des Kabels, sondern kann auch durch starke Erwärmung Erdungsdrähte oder Erdungskästen verbrennen. Eine unverzügliche Behebung solcher Probleme ist erforderlich, um ernsthafte Stromnetzunfälle zu vermeiden.

II. Faktoren, die den Erdungsschleifenstrom von Kabeln beeinflussen

Die Hauptfaktoren, die den Erdungsschleifenstrom von Kabeln beeinflussen, sind wie folgt:

• Kontaktwiderstand des KabelsSchlechte Schweißungen oder schlechte Verbindungen, die den Kontaktwiderstand in einer Phase erhöhen, verringern den Erdungsschleifenstrom in dieser Phase erheblich. Allerdings verringern sich die Schleifenströme in den beiden anderen Phasen nicht notwendigerweise entsprechend. Mit dem Anstieg des Widerstands verringert sich auch nicht notwendigerweise der gesamte Erdungsstrom.

• ErdungswiderstandMit dem Anstieg des Erdungswiderstands und des Widerstands des Erdungsrückwegs verringert sich der Erdungsschleifenstrom in jeder Phase. Allerdings kann ein zu hoher Erdungswiderstand zu einem schlechten Kontakt am Erdungspunkt führen, was Erwärmung und Leistungsverluste zur Folge hat.

• KabeleindungsmethodeUm die induzierte Spannung auf der metallischen Hülle des Kabels zu begrenzen, verwenden Hochspannungskabel in der Regel Eindungsmethoden wie Einpunkteinderung, Zweipunkteinderung oder Querüberbrückung für die Hülle oder den Schirm. Für längere Hochspannungskabelleitungen ist die Methode der Querüberbrückung effektiv, um den Erdungsschleifenstrom zu begrenzen.

Dabei sind Ia, Ib und Ic die Stromwerte, die durch die metallischen Hüllen der Hochspannungskabel der Phasen A, B und C fließen; Ie ist der Strom, der durch den Erdungsrückweg fließt; Rd ist der äquivalente Widerstand des Erdungsrückwegs, und Rd1 und Rd2 sind die Erdungswiderstände an beiden Enden der Kabelhülle. Unter normalen Umständen können die Betriebsströme der Drei-Phasen-Kabel in gleicher Größenordnung angenommen werden. Durch die Nutzung der Phasendifferenz zwischen den Drei-Phasen-Strömen können die induzierten Spannungen auf den metallischen Hüllen innerhalb eines vollständig querüberbrückten Abschnitts ausgeglichen werden, wodurch der Erdungsschleifenstrom reduziert wird.

(1) Kabelabschnittslängen, Kabelanordnungsmethoden und Phasenabstände

Kabel nutzen in der Regel die Methode der Querüberbrückung, um den Erdungsschleifenstrom zu reduzieren. In der Praxis bei der Installation von Kabelkanälen haben die einzelnen Abschnitte der Hülle der Querüberbrückung unterschiedliche Längen und Anordnungskonfigurationen. Bei gleichem Leiterstrom ist die induzierte Spannung pro Längeneinheit auf der metallischen Hülle bei horizontal oder vertikal angeordneten Kabeln höher als bei Kabeln, die in einem rechtwinkligen Dreieck angeordnet sind. Daher hilft es, bei ungleich langen Segmente, die dreieckige Anordnung (die eine geringere induzierte Spannung erzeugt) für längere Kabelabschnitte und die horizontale oder vertikale Anordnung (die eine höhere induzierte Spannung erzeugt) für kürzere Abschnitte zu verwenden, um die Gesamtinduzierte Spannung in den längeren Abschnitten zu reduzieren. Durch die geeignete Auswahl der Anordnung für jeden Teilabschnitt kann das durch die unterschiedlichen Kabellängen verursachte Spannungsausgleich erreicht werden, was den Hülleschleifenstrom reduziert.

III. Analyse des abnormen Erdungsschleifenstroms von Kabeln

Ein Transpositionsfehler führt dazu, dass ein Stromvektor in einer Richtung verloren geht, was zu einem erheblichen Anstieg des Hülleschleifenstroms führt und möglicherweise zu Betriebsstörungen führt. In verschiedenen Transpositionsfehlerszenarien unterscheiden sich die Größen und Phasen der Drei-Phasen-Ströme erheblich. Ein Transpositionsfehler zeichnet sich typischerweise dadurch aus, dass zwei Phasen relativ ähnliche Erdungsströme aufweisen, während der Strom in der anderen Phase erheblich kleiner ist—im Allgemeinen etwa die Hälfte des kleinsten Erdungsstroms in den beiden anderen Phasen.

(1) Wassereinbruch in der Box

Wenn Wasser in eine Querüberbrückungsschachtel eindringt, schafft das Wasser darin einen niedrigen Erdungswiderstand, und die Verbindung zwischen dem inneren und äußeren Wasser bietet effektiv einen direkten Erdungsweg für den Strom. Wie in der Abbildung unten dargestellt, tritt ein direkter Erdungsvorgang an den Punkten a, b oder c auf.

Lang andauernder Regen kann zu langfristigem Wassersammeln in Kabelgraben-Querüberbrückungsschachteln führen. Besonders wenn beide Schachteln überschwemmt sind, kann der Erdungsstrom leicht Hunderte von Amperestrom erreichen, was zu einem plötzlichen Anstieg des Hülleschleifenstroms und einer raschen Erwärmung im Inneren des Kabels führt. Wenn nur eine Schachtel überschwemmt ist, zeigen die Drei-Phasen-Ströme im betroffenen Kreis geringfügige Unterschiede und steigen etwa 2,5-mal im Vergleich zu normalen, fehlerfreien Bedingungen an.

(2) Bruch des Koaxialkabels

Leitungen, die die Methode der Querüberbrückungseindung verwenden, sind in der Regel länger als 1 km. Wenn das Koaxialkabel bricht, kann am Bruchpunkt eine Spannung von über hundert Volt entstehen, was eine erhebliche Bedrohung für die Leitung darstellt. Es verhindert auch, dass die zugehörigen metallischen Hüllen einen geschlossenen Kreis bilden, was den Schleifenstrom in der Hülle stoppt.

IV. Typische Fallstudien des abnormen Erdungsschleifenstroms von Kabeln

Eine bestimmte 110-kV-Leitung ist eine gemischte Freileitung-Kabelleitung. Das Kabelmodell ist YJLW03-64/110-1×800 mm². Die Leitung wurde im September 2014 in Betrieb genommen und ist etwa 1220 Meter lang. Am 27. Dezember 2016 wurde das Kabeleindungssystem modifiziert, um die Methode der Querüberbrückungseindung zu verwenden. Der vollständig querüberbrückte Abschnitt besteht aus dem Umspannwerk, Schachtel #1, Schachtel #2 und dem externen Übertragungsmast. Schachtel #1 und #2 sind Querüberbrückungsschachteln, während alle anderen Punkte direkt geerdet sind. Die gemessenen Ergebnisse des Erdungsschleifenstroms sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Gemäß Absatz 5.2.3 der Q/GDW 11316 "Prüfvorschriften für Starkstromkabelleitungen": das Verhältnis des Erdungsschleifenstroms zum Laststrom soll weniger als 20 % betragen; das Verhältnis des maximalen zum minimalen Einphasen-Erdungsschleifenstroms soll weniger als 3 betragen. Wenn der Laststrom 57,8 A beträgt, überschreiten die Hüllestroms der Phasen A, B und C in der direkten Erdungsschachtel des Umspannwerks, Schachtel #1 und Schachtel #2 die Vorschriften erheblich. Darüber hinaus ist das Verhältnis des maximalen zum minimalen Einphasen-Erdungsschleifenstroms (37,6/9,7 = 3,88) auch größer als 3.

Basierend auf der Analyse der gemessenen Daten des Erdungsschleifenstroms in der obigen Tabelle: der A-Phasen-Erdungsschleifenstrom in Kammer #1 beträgt 38,2 A, was dem C-Phasen-Erdungsschleifenstrom von 37,6 A in Kammer #2 entspricht; der B-Phasen-Erdungsschleifenstrom in Kammer #1 beträgt 28,5 A, was dem A-Phasen-Erdungsschleifenstrom von 32,7 A in Kammer #2 entspricht; der C-Phasen-Erdungsschleifenstrom in Kammer #1 beträgt 10,2 A, was dem B-Phasen-Erdungsschleifenstrom von 9,7 A in Kammer #2 entspricht. Die Drei-Phasen-Erdungsschleifenströme fließen über die folgenden Pfade: der A-Phasen-Erdungsschleifenstrom fließt nicht durch die B-Phasen-Panzerung, der B-Phasen-Erdungsschleifenstrom fließt nicht durch die C-Phasen-Panzerung, und der C-Phasen-Erdungsschleifenstrom fließt nicht durch die A-Phasen-Panzerung, wie in der Abbildung und Tabelle unten dargestellt.

Die vor Ort durchgeführte Inspektion ergab, dass die interne Querüberbrückungskonfiguration in der Erdungsschachtel des Kabelwartungsschachts #1 "ABC zu BCA" ist, mit der Phasenfolge A, B, C. Die interne Querüberbrückungskonfiguration in der Erdungsschachtel von Schacht #2 ist "ABC zu CAB", ebenfalls mit der Phasenfolge A, B, C. Keine Anzeichen von Feuchtigkeit oder Brandbeschädigungen wurden an den Kabelpanzerschutzvorrichtungen oder Isolierkomponenten festgestellt. Dies ist in den folgenden Abbildungen dargestellt:

Daher ist die Ursache für den abnormen Erdungsschleifenstrom in diesem 110-kV-XX-Liniensegment eine falsche Verkabelung der Kupferleisten innerhalb der Querüberbrückungsschachteln, die verhindert, dass die Kabeläußere Hüllen eine tatsächliche Querüberbrückung erreichen. Dies führte zu einem zu hohen Erdungsschleifenstrom im lokalen Querüberbrückungsabschnitt.

Nach der Korrektur der Verkabelungskonfiguration entspricht der Erdungsschleifenstrom des Kabels den Anforderungen der Q/GDW 11316-2014 "Prüfvorschriften für Starkstromkabelleitungen".