Análisis de las Causas Anormales de la Circulación de Aterrizaje de Cables de Alta Tensión y Casos Típicos

I. Introducción al Corriente de Bucle de Tierra del Cable

Los cables con una calificación de 110 kV o superior utilizan una estructura de un solo núcleo. El campo magnético alternante generado por la corriente de operación induce un voltaje en la cubierta metálica. Si la cubierta forma un circuito cerrado a través de la tierra, fluirá una corriente de bucle de tierra en la cubierta metálica. Una corriente de bucle de tierra excesiva (corriente de bucle que supera los 50 A, más del 20% de la corriente de carga, o una relación de corriente máxima a mínima entre fases mayor que 3) no solo afecta la capacidad de conducción y la vida útil del cable, sino que el calentamiento severo debido a la corriente puede quemar los cables de tierra o las cajas de tierra. La falta de una corrección oportuna de estos problemas puede desencadenar accidentes graves en la red eléctrica.

II. Factores que Influyen en la Corriente de Bucle de Tierra del Cable

Los principales factores que afectan la corriente de bucle de tierra del cable son los siguientes:

• Resistencia de Contacto del CableUna soldadura deficiente o conexiones malas que aumenten la resistencia de contacto en una fase reducirán significativamente la corriente de bucle de tierra en esa fase. Sin embargo, las corrientes de bucle en las otras dos fases no necesariamente disminuyen en correspondencia. A medida que aumenta la resistencia, la corriente total de tierra no necesariamente disminuye tampoco.

• Resistencia de TierraA medida que aumenta la suma de la resistencia de tierra y la resistencia del camino de retorno a tierra, la corriente de bucle de tierra en cada fase disminuye. Sin embargo, una resistencia de tierra excesivamente alta puede causar un mal contacto en el punto de tierra, lo que lleva a calentamiento y pérdidas de potencia.

• Método de Tierra del CablePara limitar el voltaje inducido en la cubierta metálica del cable, los cables de alta tensión generalmente utilizan métodos de tierra como el tierra en un solo punto, el tierra en ambos extremos o el intercambio cruzado para la cubierta o pantalla. Para líneas de cable de alta tensión más largas, el método de intercambio cruzado es efectivo para limitar la corriente de bucle de tierra.

En ellos, Ia, Ib e Ic son los valores de corriente que fluyen a través de las cubiertas metálicas de los cables de alta tensión de las fases A, B y C, respectivamente; Ie es la corriente que fluye a través del camino de retorno a tierra; Rd es la resistencia equivalente del camino de retorno a tierra, y Rd1 y Rd2 son las resistencias de tierra en ambos extremos de la cubierta del cable. En circunstancias normales, se puede asumir que las corrientes de operación de los tres cables trifásicos tienen la misma magnitud. Al utilizar la diferencia de fase entre las tres corrientes trifásicas, los voltajes inducidos en las cubiertas metálicas dentro de una sección completa de intercambio cruzado pueden cancelarse, logrando así el propósito de reducir la corriente de bucle de tierra.

(1) Longitudes de Segmentos de Cable, Métodos de Disposición y Espaciado Fásico

Los cables generalmente adoptan un método de tierra de intercambio cruzado para reducir la corriente de bucle de tierra. En la práctica de ingeniería para instalaciones de conductos de cable, es común que los segmentos individuales de intercambio cruzado de la cubierta tengan diferentes longitudes y configuraciones de disposición. Bajo la misma corriente de conductor, el voltaje inducido en la cubierta metálica por unidad de longitud para cables dispuestos horizontal o verticalmente es mayor que para cables dispuestos en una configuración triangular recta. Por lo tanto, en cables segmentados de longitudes desiguales, usar la disposición triangular (que produce un voltaje inducido menor) para secciones de cable más largas y la disposición horizontal o vertical (que produce un voltaje inducido mayor) para secciones más cortas ayuda a reducir el voltaje inducido general en las secciones más largas. Al seleccionar adecuadamente la disposición para cada subsegmento, se puede equilibrar el desequilibrio de voltaje causado por diferencias en la longitud del cable, reduciendo así la corriente de bucle de la cubierta.

III. Análisis de la Corriente de Bucle de Tierra Anormal del Cable

Un fallo de transposición resultará en la pérdida de un vector de corriente en una dirección, causando un aumento significativo en la corriente de tierra de la cubierta, lo que puede llevar finalmente a fallas operativas. En diferentes escenarios de fallos de transposición, las magnitudes y fases de las corrientes trifásicas difieren considerablemente. Un fallo de transposición se caracteriza típicamente por que dos fases tienen corrientes de tierra relativamente similares, mientras que la corriente en la otra fase es significativamente menor, generalmente alrededor de la mitad de la corriente de tierra más pequeña en las otras dos fases.

(1) Ingreso de Agua en la Caja

Cuando el agua ingresa a una caja de empalme de intercambio cruzado, el agua dentro crea una baja resistencia de tierra, y la conexión entre el agua interna y externa proporciona eficazmente un camino de tierra directo para la corriente. Como se muestra en la figura a continuación, se produce una tierra directa en el punto a, b o c.

Las lluvias prolongadas pueden llevar a la acumulación de agua a largo plazo en las cajas de empalme de intercambio cruzado en trincheras de cable. Especialmente cuando ambas cajas están inundadas, la corriente de tierra puede alcanzar fácilmente cientos de amperios, causando un repunte súbito en la corriente de la cubierta y un aumento rápido en la temperatura interna del cable. Cuando solo una caja está inundada, las corrientes trifásicas en el bucle afectado muestran ligeras diferencias e incrementan aproximadamente 2.5 veces en comparación con condiciones normales sin fallas.

(2) Ruptura de Cable Coaxial

Las líneas que utilizan un método de tierra de intercambio cruzado generalmente son más largas que 1 km. Si el cable coaxial se rompe, se puede generar un voltaje de más de cien voltios en el punto de ruptura, lo que representa una amenaza significativa para la línea. También impide que las cubiertas metálicas asociadas formen un bucle cerrado, deteniendo así la corriente de bucle en la cubierta.

IV. Estudios de Casos Típicos de Corriente de Bucle de Tierra Anormal del Cable

Una cierta línea de 110 kV es una línea híbrida aérea-cable. El modelo del cable es YJLW03-64/110-1×800 mm². La línea se puso en servicio en septiembre de 2014 y tiene aproximadamente 1220 metros de longitud. El 27 de diciembre de 2016, el sistema de tierra del cable se modificó para utilizar un método de tierra de intercambio cruzado. La sección completamente intercambiada consiste en la subestación, la Caja #1, la Caja #2 y la torre de transmisión externa. Las Cajas #1 y #2 son cajas de intercambio cruzado, mientras que todos los demás puntos están conectados a tierra directamente. Los resultados medidos de la corriente de bucle de tierra se muestran en la tabla a continuación:

De acuerdo con la cláusula 5.2.3 de Q/GDW 11316 "Reglamento de Pruebas de Líneas de Cable Eléctrico": la relación de la corriente de bucle de tierra a la corriente de carga debe ser menor al 20%; la relación de la corriente de bucle de tierra monofásica máxima a mínima debe ser menor a 3. Cuando la corriente de carga es de 57.8 A, las corrientes de las cubiertas de las fases A, B y C en la caja de tierra directa de la estación, la Caja #1 y la Caja #2 todas superan significativamente los requisitos especificados en el reglamento. Además, la relación de la corriente de bucle de tierra monofásica máxima a mínima (37.6/9.7 = 3.88) también es mayor que 3.

Basado en el análisis de los datos medidos de la corriente de bucle de tierra en la tabla anterior: la corriente de bucle de tierra de la fase A en la Cámara #1 es de 38.2 A, correspondiente a la corriente de bucle de tierra de la fase C de 37.6 A en la Cámara #2; la corriente de bucle de tierra de la fase B en la Cámara #1 es de 28.5 A, correspondiente a la corriente de bucle de tierra de la fase A de 32.7 A en la Cámara #2; la corriente de bucle de tierra de la fase C en la Cámara #1 es de 10.2 A, correspondiente a la corriente de bucle de tierra de la fase B de 9.7 A en la Cámara #2. Las corrientes de bucle de tierra trifásicas fluyen a través de los siguientes caminos: la corriente de bucle de tierra de la fase A no fluye a través de la armadura de la fase B, la corriente de bucle de tierra de la fase B no fluye a través de la armadura de la fase C, y la corriente de bucle de tierra de la fase C no fluye a través de la armadura de la fase A, como se ilustra en la figura y tabla a continuación.

La inspección in situ reveló que la configuración interna de intercambio cruzado en la caja de tierra de la Cámara de Mantenimiento de Cables #1 es "ABC a BCA", con secuencia de fases A, B, C. La configuración interna de intercambio cruzado en la caja de tierra de la Cámara #2 es "ABC a CAB", también con secuencia de fases A, B, C. No se encontraron signos de humedad o daño por calor en los protectores de la cubierta del cable o componentes aislantes. Se muestran en las figuras a continuación, respectivamente:

Por lo tanto, la causa de la corriente de bucle de tierra anormal en este tramo de cable de la línea de 110 kV XX es el cableado incorrecto de las barras de cobre dentro de las cajas de intercambio cruzado, lo que impidió que las cubiertas exteriores del cable lograran un intercambio cruzado real. Esto resultó en una corriente de bucle de tierra excesiva en la sección local de intercambio cruzado.

Después de corregir la configuración de cableado, la corriente de bucle de tierra del cable cumple con los requisitos de Q/GDW 11316-2014 "Reglamento de Pruebas de Líneas de Cable Eléctrico".