تحلیل دلایل ناهماهنگی زمین‌کشی کابل‌های فشار قوی و موارد نمونه

I. معرفی جریان حلقه زمینی کابل

کابل‌های با ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت و بالاتر از ساختار تک هسته‌ای استفاده می‌کنند. میدان مغناطیسی متناوب تولید شده توسط جریان عملیاتی یک ولتاژ در پوشش فلزی القا می‌کند. اگر پوشش فلزی از طریق زمین دایره بسته‌ای را تشکیل دهد، جریان حلقه زمینی در پوشش فلزی جریان خواهد داشت. جریان حلقه زمینی بیش از حد (جریان حلقه بیش از ۵۰ آمپر، بیش از ۲۰٪ جریان بار یا نسبت بیشترین به کمترین جریان فاز بیش از ۳) نه تنها ظرفیت و عمر مفید کابل را تحت تأثیر قرار می‌دهد، بلکه گرم شدن شدید ناشی از جریان می‌تواند سیم‌های زمینی یا جعبه‌های زمینی را سوزاند. عدم برخورد به موقع با این مشکلات می‌تواند منجر به حوادث جدی شبکه برق شود.

II. عوامل مؤثر بر جریان حلقه زمینی کابل

عوامل اصلی موثر 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، به طور قابل توجهی جریان حلقه زمینی در آن فاز را کاهش می‌دهند. با این حال، جریان‌های حلقه در دو فاز دیگر لزوماً به طور متناسب کاهش نمی‌یابند. با افزایش مقاومت، جریان زمینی کل لزوماً کاهش نمی‌یابد.

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

• روش زمین‌بندی کابل - برای محدود کردن ولتاژ القایی روی پوشش فلزی کابل‌های با ولتاژ بالا، معمولاً از روش‌های زمین‌بندی مانند زمین‌بندی تک نقطه‌ای، زمین‌بندی دو سر یا تقاطع برای پوشش یا صفحه محافظ استفاده می‌شود. برای خطوط کابل با ولتاژ بالا و طولانی، روش تقاطع موثر است در محدود کردن جریان حلقه زمینی.

در این میان، Ia، Ib و Ic مقادیر جریان در پوشش‌های فلزی کابل‌های فاز A، B و C با ولتاژ بالا هستند؛ Ie جریان در مسیر بازگشت زمین است؛ Rd مقاومت معادل مسیر بازگشت زمین و Rd1 و Rd2 مقاومت‌های زمین در دو سر پوشش کابل هستند. در شرایط عادی، جریان‌های عملیاتی کابل‌های سه فاز می‌توانند در مقدار یکسان فرض شوند. با استفاده از اختلاف فاز بین جریان‌های سه فاز، ولتاژ‌های القایی در پوشش‌های فلزی در یک بخش کامل تقاطعی می‌توانند لغو شوند و بنابراین هدف کاهش جریان حلقه زمینی دست‌یافته می‌شود.

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

کابل‌ها معمولاً از روش زمین‌بندی تقاطعی برای کاهش جریان حلقه زمینی استفاده می‌کنند. در عمل مهندسی برای نصب کانال‌های کابل، معمولاً بخش‌های تقاطعی پوشش فلزی طول‌های مختلف و ترتیبات مختلف دارند. تحت جریان هدایت‌کننده یکسان، ولتاژ القایی در پوشش فلزی برای کابل‌های مرتب‌شده افقی یا عمودی در واحد طول بیشتر از کابل‌های مرتب‌شده در یک ترتیب مثلثی راست است. بنابراین، در کابل‌های با بخش‌های نامساوی، استفاده از ترتیب مثلثی (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 القایی کلی در بخش‌های طولانی‌تر کمک می‌کند. با انتخاب مناسب ترتیب برای هر زیربخش، نامتقارنی ولتاژ ناشی از تفاوت در طول کابل می‌تواند تعادل یابد و بنابراین جریان حلقه پوشش فلزی کاهش یابد.

III. تحلیل جریان حلقه زمینی غیرعادی کابل

شکست در ترانزیشن منجر به از دست دادن یک بردار جریان در یک جهت خواهد شد، که منجر به افزایش قابل توجه جریان زمینی پوشش فلزی می‌شود و ممکن است در نهایت به خطاهای عملیاتی منجر شود. در سناریوهای مختلف شکست ترانزیشن، مقادیر و فازهای جریان‌های سه فاز به طور قابل توجهی متفاوت هستند. شکست ترانزیشن معمولاً با دو فازی مشخص می‌شود که جریان‌های زمینی نسبتاً مشابهی دارند، در حالی که جریان در فاز دیگر به طور قابل توجه کمتر است - معمولاً حدود نیمی از کمترین جریان زمینی در دو فاز دیگر است.

(1) ورود آب به جعبه

وقتی آب وارد جعبه تقاطعی می‌شود، آب داخل جعبه مقاومت زمینی کمی ایجاد می‌کند و اتصال بین آب داخلی و خارجی به طور موثر یک مسیر زمینی مستقیم برای جریان فراهم می‌کند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، زمین مستقیم در نقطه a، b یا c رخ می‌دهد.

باران مداوم می‌تواند منجر به تجمع آب طولانی‌مدت در جعبه‌های تقاطعی کانال کابل شود. به ویژه وقتی هر دو جعبه تهی شده‌اند، جریان زمینی می‌تواند به راحتی به صد‌ها آمپر برسد و منجر به افزایش ناگهانی جریان پوشش فلزی و افزایش سریع دما در داخل کابل شود. وقتی فقط یک جعبه تهی شده است، جریان‌های سه فاز در حلقه متأثر تفاوت‌های کمی دارند و تقریباً ۲٫۵ برابر جریان‌های عادی و بدون خرابی افزایش می‌یابند.

(2) شکست کابل هم‌محور

خط‌هایی که از روش زمین‌بندی تقاطعی استفاده می‌کنند معمولاً بیش از ۱ کیلومتر طول دارند. اگر کابل هم‌محور شکسته شود، ولتاژی بیش از صد ولت در نقطه شکست تولید می‌شود که تهدید قابل توجهی برای خط است. همچنین از تشکیل حلقه بسته توسط پوشش‌های فلزی مربوطه جلوگیری می‌کند و بنابراین جریان حلقه در پوشش فلزی متوقف می‌شود.

IV. مطالعات موردی نمونه جریان حلقه زمینی غیرعادی کابل

یک خط ۱۱۰ کیلوولت خاص یک خط ترکیبی هوایی-کابلی است. مدل کابل YJLW03-64/110-1×800 mm² است. این خط در سپتامبر ۲۰۱۴ به بهره‌برداری رسید و طول آن حدود ۱۲۲۰ متر است. در ۲۷ دسامبر ۲۰۱۶، سیستم زمین‌بندی کابل به روش زمین‌بندی تقاطعی تغییر یافت. بخش کامل تقاطعی شامل زیرстан، جعبه #1، جعبه #2 و برج انتقال خارجی است. جعبه‌های #1 و #2 جعبه‌های تقاطعی هستند، در حالی که تمام نقاط دیگر به طور مستقیم زمین شده‌اند. نتایج اندازه‌گیری جریان حلقه زمینی در جدول زیر نشان داده شده است:

بر اساس بند ۵.۲.۳ Q/GDW 11316 "مقررات آزمون خط کابلی برق": نسبت جریان حلقه زمینی به جریان بار باید کمتر از ۲۰٪ باشد؛ نسبت بیشترین به کمترین جریان حلقه زمینی تک فاز باید کمتر از ۳ باشد. وقتی جریان بار ۵۷.۸ آمپر است، جریان‌های پوشش فلزی فاز‌های A، B و C در جعبه زمین مستقیم ایستگاه، جعبه #1 و جعبه #2 به طور قابل توجهی از محدوده‌های مشخص شده در مقررات فراتر می‌روند. علاوه بر این، نسبت بیشترین به کمترین جریان حلقه زمینی تک فاز (۳۷.۶/۹.۷ = ۳.۸۸) نیز بیش از ۳ است.

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

بازرسی محلی نشان داد که ترتیب تقاطع داخلی در جعبه زمینی جعبه #1 "ABC به BCA" است با ترتیب فاز A، B، C. ترتیب تقاطع داخلی در جعبه زمینی جعبه #2 "ABC به CAB" است، همچنین با ترتیب فاز A، B، C. هیچ علامت رطوبت یا سوختگی در محافظ‌های پوشش فلزی یا اجزای عایقی یافت نشد. این‌ها به ترتیب در شکل‌های زیر نشان داده شده‌اند:

بنابراین، علت جریان حلقه زمینی غیرعادی در این بخش کابل خط ۱۱۰ کیلوولت XX، پیوند نادرست میله‌های مسی داخل جعبه‌های تقاطعی است که از تشکیل تقاطع واقعی پوشش‌های فلزی کابل جلوگیری کرده است. این منجر به جریان حلقه زمینی بیش از حد در بخش تقاطعی محلی شده است.

بعد از اصلاح ترتیب پیوند، جریان حلقه زمینی کابل با مقررات Q/GDW 11316-2014 "مقررات آزمون خط کابلی برق" مطابقت دارد.