Analyse des causes anormales de la circulation de mise à la terre des câbles haute tension et des cas types
I. Introduction à la boucle de courant de mise à la terre des câbles
Les câbles de 110 kV et au-dessus utilisent une structure mononucléaire. Le champ magnétique alternatif généré par le courant de fonctionnement induit une tension sur la gaine métallique. Si la gaine forme un circuit fermé à travers la terre, un courant de boucle de mise à la terre circulera sur la gaine métallique. Un courant de boucle de mise à la terre excessif (courant de boucle dépassant 50 A, plus de 20% du courant de charge, ou un rapport de courant maximal à minimal supérieur à 3) n'affecte pas seulement la capacité de charge et la durée de vie du câble, mais un chauffage sévère dû au courant peut brûler les fils de mise à la terre ou les boîtes de mise à la terre. L'absence de correction rapide de ces problèmes peut entraîner des accidents graves sur le réseau électrique.
II. Facteurs influençant le courant de boucle de mise à la terre des câbles
Les principaux facteurs affectant le courant de boucle de mise à la terre des câbles sont les suivants :
Résistance de contact du câble : Une soudure médiocre ou des connexions défectueuses qui augmentent la résistance de contact dans une phase réduiront considérablement le courant de boucle de mise à la terre dans cette phase. Cependant, les courants de boucle dans les deux autres phases ne diminuent pas nécessairement en conséquence. À mesure que la résistance augmente, le courant de mise à la terre total ne diminue pas non plus nécessairement.
Résistance de mise à la terre : À mesure que la somme de la résistance de mise à la terre et de la résistance du chemin de retour à la terre augmente, le courant de boucle de mise à la terre dans chaque phase diminue. Cependant, une résistance de mise à la terre excessivement élevée peut causer un mauvais contact au point de mise à la terre, entraînant un chauffage et des pertes de puissance.
Méthode de mise à la terre du câble : Pour limiter la tension induite sur la gaine métallique du câble, les câbles haute tension utilisent généralement des méthodes de mise à la terre telles que la mise à la terre en un point, la mise à la terre aux deux extrémités, ou la liaison croisée pour la gaine ou l'écran. Pour les lignes de câbles haute tension plus longues, la méthode de liaison croisée est efficace pour limiter le courant de boucle de mise à la terre.
Parmi ceux-ci, Ia, Ib et Ic sont les valeurs de courant circulant dans les gaines métalliques des câbles haute tension des phases A, B et C respectivement ; Ie est le courant circulant dans le chemin de retour à la terre ; Rd est la résistance équivalente du chemin de retour à la terre, et Rd1 et Rd2 sont les résistances de mise à la terre aux deux extrémités de la gaine du câble. Dans des conditions normales, on peut supposer que les courants de fonctionnement des trois phases de câbles sont égaux en magnitude. En utilisant la différence de phase entre les courants triphasés, les tensions induites sur les gaines métalliques au sein d'une section entièrement liée croisée peuvent être annulées, permettant ainsi de réduire le courant de boucle de mise à la terre.
(1) Longueurs des segments de câble, méthodes d'arrangement et espacement des phases
Les câbles adoptent généralement une méthode de mise à la terre en liaison croisée pour réduire le courant de boucle de mise à la terre. Dans la pratique de l'ingénierie pour l'installation de conduits de câbles, il est courant que les segments individuels de liaison croisée de la gaine aient des longueurs différentes et des configurations d'arrangement différentes. Sous le même courant de conducteur, la tension induite sur la gaine métallique pour des câbles disposés horizontalement ou verticalement par unité de longueur est plus élevée que celle pour des câbles disposés en configuration triangulaire droite. Par conséquent, dans des câbles segmentés de longueurs inégales, l'utilisation de l'arrangement triangulaire (qui produit une tension induite plus faible) pour les sections de câble plus longues et l'arrangement horizontal ou vertical (qui produit une tension induite plus élevée) pour les sections plus courtes aide à réduire la tension induite globale dans les sections plus longues. En choisissant convenablement l'arrangement pour chaque sous-segment, l'asymétrie de tension causée par les différences de longueur de câble peut être équilibrée, réduisant ainsi le courant de boucle de la gaine.
III. Analyse du courant de boucle de mise à la terre anormal des câbles
Un défaut de transposition entraînera la perte d'un vecteur de courant dans une direction, provoquant une augmentation significative du courant de mise à la terre de la gaine, ce qui peut finalement conduire à des pannes opérationnelles. Dans différents scénarios de défaut de transposition, les amplitudes et les phases des courants triphasés diffèrent considérablement. Un défaut de transposition se caractérise généralement par deux phases ayant des courants de mise à la terre relativement similaires, tandis que le courant dans la troisième phase est significativement plus faible—généralement environ la moitié du plus petit courant de mise à la terre dans les deux autres phases.
(1) Infiltration d'eau dans la boîte
Lorsque l'eau pénètre dans une boîte de liaison croisée, l'eau à l'intérieur crée une résistance de mise à la terre faible, et la connexion entre l'eau interne et externe fournit effectivement un chemin de mise à la terre direct pour le courant. Comme illustré dans la figure ci-dessous, une mise à la terre directe se produit aux points a, b ou c.
Des pluies prolongées peuvent entraîner une accumulation d'eau à long terme dans les boîtes de liaison croisée de tranchée de câble. En particulier, lorsque les deux boîtes sont inondées, le courant de mise à la terre peut facilement atteindre plusieurs centaines d'ampères, provoquant une augmentation soudaine du courant de la gaine et une montée rapide de la température interne du câble. Lorsqu'une seule boîte est inondée, les courants triphasés dans la boucle affectée montrent de légères différences et augmentent d'environ 2,5 fois par rapport aux conditions normales, non défaillantes.
(2) Rupture du câble coaxial
Les lignes utilisant une mise à la terre en liaison croisée sont généralement plus longues que 1 km. Si le câble coaxial se rompt, une tension de plus de cent volts peut être générée au point de rupture, posant une menace significative pour la ligne. Cela empêche également les gaines métalliques associées de former une boucle fermée, stoppant ainsi le courant de boucle de circuler dans la gaine.
IV. Études de cas typiques de courant de boucle de mise à la terre anormal des câbles
Une certaine ligne de 110 kV est une ligne hybride aérienne-câble. Le modèle de câble est YJLW03-64/110-1×800 mm². La ligne a été mise en service en septembre 2014 et mesure environ 1220 mètres. Le 27 décembre 2016, le système de mise à la terre du câble a été modifié pour utiliser une méthode de mise à la terre en liaison croisée. La section entièrement liée croisée comprend la sous-station, la Boîte #1, la Boîte #2, et la tour de transmission externe. Les Boîtes #1 et #2 sont des boîtes de liaison croisée, tandis que tous les autres points sont mis à la terre directement. Les résultats mesurés du courant de boucle de mise à la terre sont présentés dans le tableau ci-dessous :
Selon l'article 5.2.3 de Q/GDW 11316 "Règles de test des lignes de câbles électriques" : le rapport du courant de boucle de mise à la terre au courant de charge doit être inférieur à 20 % ; le rapport du courant de boucle de mise à la terre maximal à minimal en monophasé doit être inférieur à 3. Lorsque le courant de charge est de 57,8 A, les courants de gaine des phases A, B et C à la boîte de mise à la terre directe de la station, la Boîte #1 et la Boîte #2 dépassent tous gravement les exigences spécifiées dans les règles. De plus, le rapport du courant de boucle de mise à la terre maximal à minimal en monophasé (37,6/9,7 = 3,88) est également supérieur à 3.
Sur la base de l'analyse des données mesurées du courant de boucle de mise à la terre dans le tableau ci-dessus : le courant de boucle de mise à la terre de la phase A dans la Chambre #1 est de 38,2 A, correspondant au courant de boucle de mise à la terre de la phase C de 37,6 A dans la Chambre #2 ; le courant de boucle de mise à la terre de la phase B dans la Chambre #1 est de 28,5 A, correspondant au courant de boucle de mise à la terre de la phase A de 32,7 A dans la Chambre #2 ; le courant de boucle de mise à la terre de la phase C dans la Chambre #1 est de 10,2 A, correspondant au courant de boucle de mise à la terre de la phase B de 9,7 A dans la Chambre #2. Les courants de boucle de mise à la terre triphasés circulent selon les chemins suivants : le courant de boucle de mise à la terre de la phase A ne circule pas à travers l'armure de la phase B, le courant de boucle de mise à la terre de la phase B ne circule pas à travers l'armure de la phase C, et le courant de boucle de mise à la terre de la phase C ne circule pas à travers l'armure de la phase A, comme illustré dans la figure et le tableau ci-dessous.
L'inspection sur site a révélé que la configuration interne de liaison croisée dans la boîte de mise à la terre de la Chambre de maintenance #1 est "ABC à BCA", avec la séquence de phase A, B, C. La configuration interne de liaison croisée dans la boîte de mise à la terre de la Chambre #2 est "ABC à CAB", également avec la séquence de phase A, B, C. Aucun signe d'humidité ou de dommage par brûlure n'a été trouvé sur les protecteurs de gaine de câble ou les composants isolants. Ces éléments sont illustrés dans les figures ci-dessous, respectivement :
Par conséquent, la cause du courant de boucle de mise à la terre anormal dans cette section de câble de la ligne 110 kV XX est un câblage incorrect des barres de cuivre à l'intérieur des boîtes de liaison croisée, empêchant les gaines extérieures des câbles d'atteindre une liaison croisée effective. Cela a entraîné un courant de boucle de mise à la terre excessif dans la section localement liée croisée.
Après la correction de la configuration de câblage, le courant de boucle de mise à la terre du câble est conforme aux exigences de Q/GDW 11316-2014 "Règles de test des lignes de câbles électriques".
