Ανάλυση των Αιτιών των Ανωμαλιών στην Υψηλή Τάση Καλωδίων Γεωμαγνητικής και Τυπικά Παραδείγματα

I. Εισαγωγή στον Τρόπο Γείτονας του Συμβολήματος Περίθεσης Καλωδίου

Τα καλώδια πάνω από 110 kV χρησιμοποιούν μονοπυκνωματική δομή. Το εναλλακτικό μαγνητικό πεδίο που παράγεται από την λειτουργική ρέυση επενδύει ισχύ στο μεταλλικό περίβλημα. Αν το περίβλημα σχηματίσει κλειστό κύκλο μέσω της γης, θα ρέει η ρέυση του κύκλου περίθεσης στο μεταλλικό περίβλημα. Η υπερβολική ρέυση του κύκλου περίθεσης (ρέυση κύκλου πάνω από 50 A, πάνω από 20% της ρέυσης φορτίου, ή λόγος μέγιστης-ελάχιστης φάσης ρέυσης μεγαλύτερος από 3) επηρεάζει όχι μόνο την ικανότητα ρέυσης και την διάρκεια ζωής του καλώδιου, αλλά και η έντονη θέρμανση από την ρέυση μπορεί να κάψει τα καλώδια περίθεσης ή τα κουτιά περίθεσης. Η μη εγκαίρως διόρθωση τέτοιων προβλημάτων μπορεί να προκαλέσει σοβαρά ατυχήματα στο δίκτυο.

II. Παράγοντες Που Επηρεάζουν την Ρέυση του Κύκλου Περίθεσης του Καλώδιου

Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την ρέυση του κύκλου περίθεσης του καλώδιου είναι οι εξής:

• Αντίσταση Επαφής του Καλώδιου: Κακή συνάφεια ή σύνδεση που αυξάνει την αντίσταση επαφής σε μία φάση, θα μειώσει σημαντικά την ρέυση του κύκλου περίθεσης σε αυτή τη φάση. Ωστόσο, οι ροές των άλλων δύο φάσεων δεν μειώνονται αντίστοιχα. Καθώς η αντίσταση αυξάνεται, η συνολική ρέυση περίθεσης δεν μειώνεται αναγκαστικά.

• Αντίσταση Περίθεσης: Καθώς αυξάνεται η άθροιση της αντίστασης περίθεσης και της αντίστασης της διαδρομής επιστροφής στη γη, η ρέυση του κύκλου περίθεσης σε κάθε φάση μειώνεται. Ωστόσο, υπερβολικά υψηλή αντίσταση περίθεσης μπορεί να προκαλέσει κακή επαφή σημείου περίθεσης, οδηγώντας σε θέρμανση και απώλειες ισχύος.

• Μέθοδος Περίθεσης του Καλώδιου: Για να περιοριστεί η επαγόμενη ισχύ στο μεταλλικό περίβλημα, τα υψηλής τάσης καλώδια συνήθως χρησιμοποιούν μεθόδους περίθεσης όπως περίθεση σε μία σημείο, περίθεση σε καιρικά άκρα, ή διασταύρωση για το περίβλημα ή την προστασία. Για μακρύτερα καλώδια υψηλής τάσης, η μέθοδος διασταύρωσης είναι αποτελεσματική στον περιορισμό της ρέυσης του κύκλου περίθεσης.

Σε αυτά, Ia, Ib, και Ic είναι οι τιμές ρέυσης που ρέουν μέσω των μεταλλικών περιβλήματων των φάσεων A, B, και C των υψηλής τάσης καλωδίων, αντίστοιχα; Ie είναι η ρέυση που ρέει μέσω της διαδρομής επιστροφής στη γη; Rd είναι η ισοδύναμη αντίσταση της διαδρομής επιστροφής στη γη, και Rd1 και Rd2 είναι οι αντιστάσεις περίθεσης στα δύο άκρα του περιβλήματος καλώδιου. Υπό συνήθεις συνθήκες, οι λειτουργικές ροές των τριφασικών καλωδίων μπορούν να θεωρηθούν ίσες σε μέγεθος. Χρησιμοποιώντας τη διαφορά φάσης μεταξύ των τριφασικών ροών, οι επαγόμενες ισχύες στα μεταλλικά περίβλημα μέσα σε έναν πλήρη τομέα διασταύρωσης μπορούν να ακυρωθούν, επομένως πετυχαίνοντας τον σκοπό της μείωσης της ρέυσης του κύκλου περίθεσης.

(1) Μήκη Τμημάτων Καλωδίου, Μεθόδοι Διάταξης και Διαστάσεις Φάσης

Τα καλώδια συνήθως χρησιμοποιούν τη μέθοδο διασταύρωσης περίθεσης για να μειώσουν την ρέυση του κύκλου περίθεσης. Στην μηχανική πρακτική για την εγκατάσταση διαγωνίων, είναι συνηθές τα ξεχωριστά τμήματα διασταύρωσης περιβλήματος να έχουν διαφορετικά μήκη και διαφορετικές διατάξεις. Κάτω από την ίδια ρέυση συνδέσμου, η επαγόμενη ισχύς στο μεταλλικό περίβλημα για καλώδια που διατάσσονται οριζόντια ή κάθετα ανά μονάδα μήκους είναι υψηλότερη από τα καλώδια που διατάσσονται σε δεξιογωνία. Έτσι, σε τμήματα καλωδίου με διαφορετικά μήκη, η χρήση της τριγωνικής διάταξης (που παράγει χαμηλότερη επαγόμενη ισχύ) για τα μεγαλύτερα τμήματα και η οριζόντια ή κάθετη διάταξη (που παράγει υψηλότερη επαγόμενη ισχύ) για τα μικρότερα τμήματα βοηθά στη μείωση της συνολικής επαγόμενης ισχύς στα μεγαλύτερα τμήματα. Με την κατάλληλη επιλογή της διάταξης για κάθε υποτμήμα, η ανισορροπία ισχύος που προκαλείται από τις διαφορές στο μήκος του καλώδιου μπορεί να ισορροπηθεί, έτσι ώστε να μειωθεί η ρέυση του κύκλου περίθεσης.

III. Ανάλυση Ανωμάλων Ροών Κύκλου Περίθεσης Καλωδίου

Η αποτυχία της αλλαγής θέσης θα οδηγήσει στην απώλεια ενός διανυσματικού ρεύματος σε μία κατεύθυνση, προκαλώντας σημαντική αύξηση της ρέυσης περίθεσης του περιβλήματος, η οποία μπορεί να οδηγήσει τελικά σε λειτουργικά προβλήματα. Σε διαφορετικές περιπτώσεις αποτυχίας αλλαγής θέσης, τα μέγεθη και οι φάσεις των τριφασικών ροών διαφέρουν σημαντικά. Η αποτυχία της αλλαγής θέσης χαρακτηρίζεται συνήθως από δύο φάσεις με σχετικά παρόμοιες ροές περίθεσης, ενώ η ρέυση στην άλλη φάση είναι σημαντικά μικρότερη - συνήθως περίπου το μισό της μικρότερης ρέυσης περίθεσης στις άλλες δύο φάσεις.

(1) Εισπνοή Νερού στο Κουτί

Όταν το νερό εισέρχεται σε ένα κουτί διασταύρωσης, το νερό μέσα στο κουτί δημιουργεί χαμηλή αντίσταση περίθεσης, και η σύνδεση μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού νερού παρέχει αποτελεσματικά άμεση διαδρομή περίθεσης για την ρέυση. Όπως φαίνεται στο σχήμα παρακάτω, μια άμεση περίθεση συμβαίνει στο σημείο a, b, ή c.

Παρατεταμένες βροχοπτώσεις μπορούν να οδηγήσουν σε μακροχρόνια συσσώρευση νερού σε καλώδια σε διασταύρωση. Ειδικά όταν και τα δύο κουτιά είναι πλημμυρισμένα, η ρέυση περίθεσης μπορεί εύκολα να φτάσει εκατοντάδες αμπέρ, προκαλώντας αιφνίδια άνοδο της ρέυσης του περιβλήματος και γρήγορη άνοδο της εσωτερικής θερμοκρασίας του καλώδιου. Όταν μόνο ένα κουτί είναι πλημμυρισμένο, οι τριφασικές ροές στον πληγέντα κύκλο δείχνουν ελαφρές διαφορές και αυξάνονται περίπου 2,5 φορές σε σχέση με τις κανονικές, μη ανομαλίες συνθήκες.

(2) Κατάρρευση Συνεπικουνήλιου Καλώδιου

Οι γραμμές που χρησιμοποιούν τη μέθοδο διασταύρωσης περίθεσης είναι συνήθως μεγαλύτερες από 1 km. Αν το συνεπικουνήλιο καλώδιο διαρραγεί, μπορεί να παραχθεί ισχύς πάνω από 100 βολτ στο σημείο διάρρηξης, παρουσιάζοντας σημαντική απειλή για τη γραμμή. Επίσης, αποτρέπει τα συναφή μεταλλικά περίβληματα από το να σχηματίσουν κλειστό κύκλο, επομένως σταματάντας την ρέυση του κύκλου να ρέει στο περίβλημα.

IV. Τυπικές Μελέτες Περιπτώσεων Ανωμάλων Ροών Κύκλου Περίθεσης Καλώδιου

Μια συγκεκριμένη γραμμή 110 kV είναι μια μείγμα γραμμής αεροφωρικού-καλώδιου. Το μοντέλο καλώδιου είναι YJLW03-64/110-1×800 mm². Η γραμμή άρχισε λειτουργία τον Σεπτέμβριο 2014 και είναι περίπου 1220 μέτρα μήκους. Στις 27 Δεκεμβρίου 2016, το σύστημα περίθεσης του καλώδιου τροποποιήθηκε για να χρησιμοποιήσει τη μέθοδο διασταύρωσης περίθεσης. Ο πλήρης τομέας διασταύρωσης αποτελείται από το υποσταθμό, το Κουτί #1, το Κουτί #2, και το εξωτερικό πύργο μεταφοράς. Τα Κουτιά #1 και #2 είναι κουτιά διασταύρωσης, ενώ όλα τα άλλα σημεία είναι άμεσα περιτεταμένα. Τα μετρημένα αποτελέσματα της ρέυσης του κύκλου περίθεσης εμφανίζονται στο παρακάτω πίνακα:

Σύμφωνα με το άρθρο 5.2.3 του Q/GDW 11316 "Κανονισμοί Ελέγχου Γραμμών Καλωδίων Ισχύος": ο λόγος της ρέυσης του κύκλου περίθεσης προς την ρέυση φορτίου πρέπει να είναι λιγότερος από 20%; ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη μονοφασική ρέυσης του κύκλου περίθεσης πρέπει να είναι λιγότερος από 3. Όταν η ρέυση φορτίου είναι 57.8 A, οι ροές περίθεσης των φάσεων A, B, και C στο άμεσο κουτί περίθεσης του σταθμού, του Κουτιού #1, και του Κουτιού #2 υπερβαίνουν σοβαρά τις απαιτήσεις που καθορίζονται στους κανονισμούς. Επιπλέον, ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη μονοφασική ρέυσης του κύκλου περίθεσης (37.6/9.7 = 3.88) είναι επίσης μεγαλύτερος από 3.

Βάσει της ανάλυσης των μετρημένων δεδομένων της ρέυσης του κύκλου περίθεσης στον πίνακα παραπάνω: η ρέυση περίθεσης της φάσης A στο Κουτί #1 είναι 38.2 A, αντιστοιχεί στην ρέυση περίθεσης της φάσης C 37.6 A στο Κουτί #2; η ρέυση περίθεσης της φάσης B στο Κουτί #1 είναι 28.5 A, αντιστοιχεί στην ρέυση περίθεσης της φάσης A 32.7 A στο Κουτί #2; η ρέυση περίθεσης της φάσης C στο Κουτί #1 είναι 10.2 A, αντιστοιχεί στην ρέυση περίθεσης της φάσης B 9.7 A στο Κουτί #2. Οι τριφασικές ροές περίθεσης κυκλοφορούν μέσω των ακόλουθων διαδρομών: η ρέυση περίθεσης της φάσης A δεν κυκλοφορεί μέσω του περιβλήματος της φάσης B, η ρέυση περίθεσης της φάσης B δεν κυκλοφορεί μέσω του περιβλήματος της φάσης C, και η ρέυση περίθεσης της φάσης C δεν κυκλοφορεί μέσω του περιβλήματος της φάσης A, όπως φαίνεται στο σχήμα και τον πίνακα παρακάτω.

Η επιτόπια εξέταση αποκάλυψε ότι η εσωτερική διασταύρωση στο κουτί περίθεσης του Κουτιού #1 για την Αντικατασκευή Καλωδίου είναι "ABC to BCA", με ακολουθία φάσεων A, B, C. Η εσωτερική διασταύρωση στο κουτί περίθεσης του Κουτιού #2 είναι "ABC to CAB", επίσης με ακολουθία φάσεων A, B, C. Δεν βρέθηκαν σημάδια υγρασίας ή καύσης στα προστατευτικά περιβλήματα του καλώδιου ή τα διαμονοποιητικά συστατικά. Αυτά εμφανίζονται στα εξής σχήματα, αντίσ