Análise das Causas Anormais da Circulación de Aterramento de Cables de Alta Tensión e Casos Típicos

I. Introdución ao corrente de bucle de terra do cabo

Os cabos con calificación superior ou igual a 110 kV usan unha estrutura mononuclear. O campo magnético alternativo xerado pola corrente de funcionamento induz unha tensión na cuberta metálica. Se a cuberta forma un circuito pechado a través da terra, fluirá unha corrente de bucle de terra na cuberta metálica. Unha corrente de bucle de terra excesiva (corrente de bucle que supere os 50 A, máis do 20% da corrente de carga, ou unha relación de corrente máxima a mínima entre fases superior a 3) non só afecta á capacidade e vida útil do cabo, senón que o calor intenso poden chegar a queimar os cables de terra ou as caixas de terra. Non abordar rapidamente estes problemas pode desencadear graves accidentes na rede eléctrica.

II. Factores que influen na corrente de bucle de terra do cabo

Os principais factores que afectan á corrente de bucle de terra do cabo son os seguintes:

• Resistencia de contacto do cableUnha soldadura deficiente ou conexións malas que aumenten a resistencia de contacto en unha fase reducirán significativamente a corrente de bucle de terra nesa fase. No entanto, as correntes de bucle nas outras dúas fases non diminuirán necesariamente en proporción. Conforme aumenta a resistencia, a corrente total de terra tamén non diminuirá necesariamente.

• Resistencia de terraA medida que a suma da resistencia de terra e a resistencia do camiño de retorno a través da terra aumentan, a corrente de bucle de terra en cada fase disminuirá. Pero unha resistencia de terra demasiado alta pode causar un mal contacto no punto de terra, levando a un aumento de temperatura e perdas de potencia.

• Método de terra do cablePara limitar a tensión inducida na cuberta metálica do cable, os cabos de alta tensión suelen usar métodos de terra como terra en un solo punto, terra en ambos os extremos, ou ligazón cruzada para a cuberta ou pantalla. Para liñas de cable de alta tensión máis longas, o método de ligazón cruzada é eficaz para limitar a corrente de bucle de terra.

Nestes, Ia, Ib e Ic son os valores de corrente que fluen a través das cubertas metálicas dos cabos de alta tensión de fases A, B e C, respectivamente; Ie é a corrente que flue a través do camiño de retorno a través da terra; Rd é a resistencia equivalente do camiño de retorno a través da terra, e Rd1 e Rd2 son as resistencias de terra nos dous extremos da cuberta do cable. Nas circunstancias normais, as correntes de funcionamento das tres fases de cable poden asumirse iguais en magnitude. Utilizando a diferenza de fase entre as tres correntes, as tensións inducidas nas cubertas metálicas dentro dunha sección completa de ligazón cruzada poden cancelarse, logrando así o obxectivo de reducir a corrente de bucle de terra.

(1) Lonxitudes dos segmentos de cable, métodos de disposición e espaciamiento de fases

Os cabos xeralmente adoptan un método de terra de ligazón cruzada para reducir a corrente de bucle de terra. Na práctica de instalación de conductos de cable, é común que os segmentos individuais de ligazón cruzada da cuberta teñan diferentes lonxitudes e diferentes configuracións de disposición. Ba a mesma corrente de conductor, a tensión inducida na cuberta metálica por unidade de lonxitude para cabos dispostos horizontal ou verticalmente é maior que a de cabos dispostos nunha configuración de triángulo rectángulo. Polo tanto, en cabos segmentados de lonxitude desigual, usar a disposición triangular (que produce menor tensión inducida) para os segmentos máis longos e a disposición horizontal ou vertical (que produce maior tensión inducida) para os segmentos máis curtos axuda a reducir a tensión inducida global nos segmentos máis longos. Ao seleccionar adecuadamente a disposición de cada subsegmento, pódese equilibrar o desequilibrio de tensión provocado polas diferenzas de lonxitude de cable, reducindo así a corrente de bucle da cuberta.

III. Análise da corrente de bucle de terra anómala do cable

Un fallo de transposición resultará na perda dun vector de corrente nunha dirección, causando un incremento significativo na corrente de terra da cuberta, que pode levar a fallos operativos. En diferentes escenarios de fallo de transposición, as magnitudes e fases das correntes trifásicas difiren considerablemente. Un fallo de transposición caracterízase xeralmente por dúas fases con correntes de terra relativamente similares, mentres que a corrente na outra fase é significativamente menor—xeralmente aproximadamente a metade da corrente de terra máis pequena nas outras dúas fases.

(1) Entrada de auga na caixa

Cando a auga entra nunha caixa de ligazón cruzada, a auga interior crea unha baixa resistencia de terra, e a conexión entre a auga interior e exterior proporciona efectivamente un camiño directo de terra para a corrente. Como se mostra na figura a seguir, ocorre unha terra directa no punto a, b, ou c.

As precipitacións prolongadas poden levar a un acumulamento de auga a longo prazo nas caixas de ligazón cruzada do cable. Especialmente cando ambas as caixas están inundadas, a corrente de terra pode alcanzar facilmente centos de amperios, causando un aumento súbito na corrente da cuberta e unha subida rápida na temperatura interna do cable. Cando só unha caixa está inundada, as correntes trifásicas no bucle afectado mostran pequenas diferenzas e aumentan aproximadamente 2,5 veces comparadas coas condicións normais, non defectuosas.

(2) Rotura do cable coaxial

As liñas que usan terra de ligazón cruzada xeralmente son máis longas de 1 km. Se o cable coaxial se rompe, pode xerarse unha tensión de máis de cen voltios no punto de rotura, representando unha amenaza significativa para a liña. Tamén impide que as cubertas metálicas asociadas formen un bucle pechado, evitando así que a corrente de bucle flua na cuberta.

IV. Estudos de caso típicos de corrente de bucle de terra anómala do cable

Unha certa liña de 110 kV é unha liña híbrida de poste e cable. O modelo do cable é YJLW03-64/110-1×800 mm². A liña foi posta en servizo en setembro de 2014 e ten aproximadamente 1220 metros de lonxitude. O 27 de decembro de 2016, o sistema de terra do cable foi modificado para usar un método de terra de ligazón cruzada. A sección completa de ligazón cruzada consta da subestación, Caixa #1, Caixa #2 e a torre de transmisión externa. As caixas #1 e #2 son caixas de ligazón cruzada, mentres que todos os outros puntos están terrados directamente. Os resultados medidos da corrente de bucle de terra amósanse na táboa a continuación:

Segundo o apartado 5.2.3 do Q/GDW 11316 "Regulacións de Probas de Liñas de Cabos Eléctricos": a relación da corrente de bucle de terra á corrente de carga debe ser menor que o 20%; a relación da corrente de bucle de terra máxima a mínima en unha única fase debe ser menor que 3. Cando a corrente de carga é de 57.8 A, as correntes de cuberta das fases A, B e C na caixa de terra directa da subestación, Caixa #1 e Caixa #2, superan significativamente os requisitos especificados na regulación. Ademais, a relación da corrente de bucle de terra máxima a mínima en unha única fase (37.6/9.7 = 3.88) tamén é maior que 3.

Baseándose na análise dos datos medidos da corrente de bucle de terra na táboa anterior: a corrente de bucle de terra da fase A no pozo #1 é de 38.2 A, correspondendo á corrente de bucle de terra da fase C de 37.6 A no pozo #2; a corrente de bucle de terra da fase B no pozo #1 é de 28.5 A, correspondendo á corrente de bucle de terra da fase A de 32.7 A no pozo #2; a corrente de bucle de terra da fase C no pozo #1 é de 10.2 A, correspondendo á corrente de bucle de terra da fase B de 9.7 A no pozo #2. As correntes de bucle de terra trifásicas fluen a través dos seguintes camiños: a corrente de bucle de terra da fase A non flue a través da armadura da fase B, a corrente de bucle de terra da fase B non flue a través da armadura da fase C, e a corrente de bucle de terra da fase C non flue a través da armadura da fase A, como se ilustra na figura e na táboa a continuación.

A inspección in situ revelou que a configuración interna de ligazón cruzada na caixa de terra do pozo de manutención #1 é "ABC a BCA", coa secuencia de fases A, B, C. A configuración interna de ligazón cruzada na caixa de terra do pozo #2 é "ABC a CAB", tamén coa secuencia de fases A, B, C. Non se atoparon signos de humidade ou danos por quema nos protectores da cuberta do cable ou nos componentes aislantes. Estes amósanse nas figuras a continuación, respectivamente:

Polo tanto, a causa da corrente de bucle de terra anómala nesta sección de cable da liña de 110 kV XX é unha conexión incorrecta das barras de cobre dentro das caixas de ligazón cruzada, que impediu que as cubertas exteriores do cable lograsen unha ligazón cruzada real. Isto resultou en unha corrente de bucle de terra excesiva na sección local de ligazón cruzada.

Despois de corrixir a configuración de conexión, a corrente de bucle de terra do cable cumpría coas rexulacións do Q/GDW 11316-2014 "Regulacións de Probas de Liñas de Cabos Eléctricos".