تحلیل دلایل ناهماهنگی در زمین‌کشی دایره‌ای کابل‌های فشار قوی و موارد نمونه

I. مقدمه‌ای بر جریان حلقه زمینی کابل

کابل‌های با ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت و بالاتر از ساختار تک‌لایه استفاده می‌کنند. میدان مغناطیسی متناوب تولید شده توسط جریان عملیاتی یک ولتاژ را روی پوشش فلزی القا می‌کند. اگر پوشش فلزی از طریق زمین یک مدار بسته تشکیل دهد، یک جریان حلقه زمینی در پوشش فلزی جریان خواهد یافت. جریان حلقه زمینی بیش از حد (جریان حلقه بیش از ۵۰ آمپر، بیش از ۲۰٪ جریان بار یا نسبت جریان فاز ماکسیمم به مینیمم بیش از ۳) نه تنها بر ظرفیت جریان کابل و عمر مفید آن تأثیر می‌گذارد، بلکه گرم شدن شدید ناشی از جریان می‌تواند سیم‌های زمینی یا جعبه‌های زمینی را سوخته کند. عدم اصلاح همچین مشکلاتی ممکن است منجر به حوادث جدی شبکه برق شود.

II. عوامل مؤثر بر جریان حلقه زمینی کابل

عوامل اصلی مؤثر بر جریان حلقه زمینی کابل به شرح زیر است:

• مقاومت تماس کابل: لحیم‌کاری ضعیف یا اتصالات بد که مقاومت تماس در یک فاز را افزایش می‌دهند، جریان حلقه زمینی در آن فاز را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند. با این حال، جریان‌های حلقه در دو فاز دیگر لزوماً به طور متناسب کاهش نمی‌یابند. با افزایش مقاومت، جریان کل زمینی لزوماً کاهش نمی‌یابد.

• مقاومت زمین: با افزایش مقاومت زمین و مقاومت مسیر بازگشت از طریق زمین، جریان حلقه زمینی در هر فاز کاهش می‌یابد. با این حال، مقاومت زمین بسیار بالا می‌تواند باعث تماس ضعیف در نقطه زمین‌گذاری شود که منجر به گرم شدن و تلفات انرژی می‌شود.

• روش زمین‌گذاری کابل: برای محدود کردن ولتاژ القایی روی پوشش فلزی کابل‌های فشار بالا، معمولاً از روش‌های زمین‌گذاری مانند زمین‌گذاری تک نقطه‌ای، زمین‌گذاری دو سر یا تقاطع برای پوشش یا صفحه محافظ استفاده می‌شود. برای خطوط کابلی فشار بالای بلندتر، روش تقاطع موثر است در محدود کردن جریان حلقه زمینی.

در اینجا، Ia، Ib و Ic به ترتیب مقادیر جریان‌های عبوری از پوشش‌های فلزی کابل‌های فاز A، B و C فشار بالا هستند؛ Ie جریان عبوری از مسیر بازگشت زمین است؛ Rd مقاومت معادل مسیر بازگشت زمین و Rd1 و Rd2 مقاومت‌های زمین‌گذاری در دو سر پوشش کابل هستند. در شرایط عادی، می‌توان جریان‌های عملیاتی سه فاز را در اندازه یکسان فرض کرد. با استفاده از اختلاف فازی بین جریان‌های سه فاز، ولتاژ‌های القایی روی پوشش‌های فلزی در یک بخش کامل تقاطعی می‌تواند خنثی شود و بدین ترتیب هدف کاهش جریان حلقه زمینی دست‌یافته شود.

(1) طول بخش‌های کابل، روش‌های ترتیب کابل و فاصله فازی

کابل‌ها معمولاً از روش زمین‌گذاری تقاطعی برای کاهش جریان حلقه زمینی استفاده می‌کنند. در عمل مهندسی نصب لوله‌های کابلی، معمولاً بخش‌های مختلف تقاطع پوشش دارای طول‌ها و ترتیبات متفاوتی هستند. تحت یک جریان هدایت‌کننده یکسان، ولتاژ القایی روی پوشش فلزی برای کابل‌های ترتیب‌یافته به صورت افقی یا عمودی در واحد طول بیشتر از کابل‌های ترتیب‌یافته به صورت مثلث قائم است. بنابراین، در کابل‌های تقسیم‌شده به بخش‌های نامساوی، استفاده از ترتیب مثلث (که ولتاژ القایی کمتری تولید می‌کند) برای بخش‌های طولانی‌تر و ترتیب افقی یا عمودی (که ولتاژ القایی بیشتری تولید می‌کند) برای بخش‌های کوتاه‌تر به کاهش ولتاژ کل در بخش‌های طولانی‌تر کمک می‌کند. با انتخاب مناسب ترتیب برای هر زیربخش، نامتوازنی ولتاژ ناشی از تفاوت طول کابل‌ها متعادل می‌شود و بدین ترتیب جریان حلقه پوشش کاهش می‌یابد.

III. تحلیل جریان حلقه زمینی غیرعادی کابل

خرابی تقاطع باعث از دست رفتن یک بردار جریان در یک جهت می‌شود که منجر به افزایش قابل توجه جریان زمینی پوشش می‌شود و ممکن است در نهایت به خطا در عملیات منجر شود. در سناریوهای مختلف خرابی تقاطع، اندازه و فاز جریان‌های سه فاز متفاوت است. خرابی تقاطع معمولاً با داشتن دو فاز با جریان‌های زمینی نسبتاً مشابه و جریان فاز دیگر به طور قابل توجه کوچکتر (معمولاً حدود نیمی از کوچکترین جریان زمینی در دو فاز دیگر) مشخص می‌شود.

(1) ورود آب به جعبه

وقتی آب وارد جعبه تقاطع می‌شود، آب داخل جعبه یک مقاومت زمینی پایین ایجاد می‌کند و اتصال بین آب داخلی و خارجی یک مسیر زمینی مستقیم برای جریان فراهم می‌کند. همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، زمین‌گذاری مستقیم در نقاط a، b یا c رخ می‌دهد.

باران‌های طولانی مدت می‌توانند منجر به تجمع آب در بلندمدت در جعبه‌های تقاطع در لوله‌های کابلی شوند. به ویژه وقتی هر دو جعبه ترسال شده باشند، جریان زمینی می‌تواند به راحتی به صد‌ها آمپر برسد و باعث افزایش ناگهانی جریان پوشش و افزایش سریع دما در داخل کابل می‌شود. وقتی فقط یک جعبه ترسال شده باشد، جریان‌های سه فاز در حلقه متأثر به طور نسبتاً کمتر متفاوت هستند و تقریباً ۲.۵ برابر جریان‌های شرایط عادی بدون خرابی می‌شوند.

(2) شکستن کابل همنام

خطوطی که از روش زمین‌گذاری تقاطع استفاده می‌کنند معمولاً بیش از ۱ کیلومتر طول دارند. اگر کابل همنام شکسته شود، یک ولتاژ بیش از صد ولت در محل شکست تولید می‌شود که تهدید قابل توجهی برای خط می‌باشد. همچنین از تشکیل یک حلقه بسته توسط پوشش‌های فلزی مربوطه جلوگیری می‌کند و بدین ترتیب جریان حلقه از پوشش عبور نمی‌کند.

IV. مطالعات موردی نمونه از جریان حلقه زمینی غیرعادی کابل

یک خط ۱۱۰ کیلوولتی خاص یک خط ترکیبی هوایی-کابلی است. مدل کابل YJLW03-64/110-1×800 mm² است. این خط در سپتامبر ۲۰۱۴ بهره‌برداری شد و حدود ۱۲۲۰ متر طول دارد. در ۲۷ دسامبر ۲۰۱۶، سیستم زمین‌گذاری کابل به روش زمین‌گذاری تقاطعی تغییر یافت. بخش کامل تقاطع شامل زیرстанیشن، جعبه #1، جعبه #2 و برج انتقال خارجی است. جعبه‌های #1 و #2 جعبه‌های تقاطعی هستند و تمام نقاط دیگر مستقیماً زمین‌گذاری شده‌اند. نتایج اندازه‌گیری جریان حلقه زمینی در جدول زیر نشان داده شده است:

بر اساس بند ۵.۲.۳ Q/GDW 11316 "مقررات آزمایش خطوط کابلی برق": نسبت جریان حلقه زمینی به جریان بار باید کمتر از ۲۰٪ باشد؛ نسبت جریان حلقه زمینی فاز واحد ماکسیمم به مینیمم باید کمتر از ۳ باشد. وقتی جریان بار ۵۷.۸ آمپر است، جریان‌های پوشش فاز‌های A، B و C در جعبه زمین‌گذاری مستقیم ایستگاه، جعبه #1 و جعبه #2 همه به طور قابل توجه بیشتر از مقدار مورد نیاز در مقررات هستند. علاوه بر این، نسبت جریان حلقه زمینی فاز واحد ماکسیمم به مینیمم (۳۷.۶/۹.۷ = ۳.۸۸) نیز بیشتر از ۳ است.

بر اساس تحلیل داده‌های اندازه‌گیری جریان حلقه زمینی در جدول بالا: جریان حلقه زمینی فاز A در محفظه #1 ۳۸.۲ آمپر است که متناظر با جریان حلقه زمینی فاز C ۳۷.۶ آمپر در محفظه #2 است؛ جریان حلقه زمینی فاز B در محفظه #1 ۲۸.۵ آمپر است که متناظر با جریان حلقه زمینی فاز A ۳۲.۷ آمپر در محفظه #2 است؛ جریان حلقه زمینی فاز C در محفظه #1 ۱۰.۲ آمپر است که متناظر با جریان حلقه زمینی فاز B ۹.۷ آمپر در محفظه #2 است. جریان‌های حلقه زمینی سه فاز از مسیرهای زیر عبور می‌کنند: جریان حلقه زمینی فاز A از پوشش فاز B عبور نمی‌کند، جریان حلقه زمینی فاز B از پوشش فاز C عبور نمی‌کند و جریان حلقه زمینی فاز C از پوشش فاز A عبور نمی‌کند، همان‌طور که در شکل و جدول زیر نشان داده شده است.

آزمایش‌های محلی نشان داد که پیکربندی داخلی تقاطع در جعبه زمین‌گذاری محفظه نگهداری کابل #1 "ABC به BCA" است با توالی فاز A، B، C. پیکربندی داخلی تقاطع در جعبه زمین‌گذاری محفظه #2 "ABC به CAB" است، همچنین با توالی فاز A، B، C. هیچ علامت رطوبت یا سوختگی روی محافظ‌های پوشش کابل یا قطعات عایقی یافت نشد. این‌ها به ترتیب در شکل‌های زیر نشان داده شده‌اند:

بنابراین، دلیل جریان حلقه زمینی غیرعادی در این بخش کابلی خط ۱۱۰ کیلوولتی XX، سیم‌بندی نادرست میله‌های مس در داخل جعبه‌های تقاطع است که از تشکیل تقاطع واقعی پوشش‌های خارجی کابل جلوگیری کرده و منجر به جریان حلقه زمینی بیش از حد در بخش محلی تقاطع شده است.

بعد از اصلاح پیکربندی سیم‌بندی، جریان حلقه زمینی کابل با مقررات Q/GDW 11316-2014 "مقررات آزمایش خطوط کابلی برق" مطابقت دارد.