Analiza nepravilnih uzroka zračajanja visokonaponskog kabelske cijevi i tipični slučajevi

I. Uvod u struja zemljenja kablova

Kаблови s napetosti od 110 kV i više koriste jednožičnu strukturu. Promjenjivo magnetsko polje generirano radnim strujama inducira napon na metalnom omotaču. Ako se omotač zatvori krugom preko tla, struja zemljenja će teći kroz metalni omotač. Prekomjerna struja zemljenja (struja koja prelazi 50 A, više od 20% opterećenja struje, ili omjer maksimalne i minimalne fazne struje veći od 3) ne samo da utječe na kapacitet kablova i vijek trajanja, ali i jako zagrijavanje od struje može spaliti zemljna žica ili kutije za zemljenje. Neiskorjenjivanje takvih problema može dovesti do ozbiljnih električnih mreža.

II. Faktori koji utječu na struju zemljenja kablova

Glavni faktori koji utječu na struju zemljenja kablova su sljedeći:

• Otpornost kontakta kablovaLoša svarenost ili loši spojevi koji povećavaju otpornost kontakta u jednoj fazi značajno smanjuju struju zemljenja u toj fazi. Međutim, struje u ostalim dvema fazama ne nužno smanjuju. S porastom otpornosti ukupna struja zemljenja ne nužno smanjuje.

• Otpornost zemljenjaS obzirom na rast zbroja otpornosti zemljenja i putanje povratka kroz tlo, struja zemljenja u svakoj fazi opada. Međutim, prekomjerna otpornost zemljenja može uzrokovati loš kontakt na točki zemljenja, što dovodi do zagrijavanja i gubitaka energije.

• Metoda zemljenja kablovaZa ograničenje induciranog napona na metalnom omotaču kablova visokog napona, obično se koriste metode zemljenja poput jednotočkastog zemljenja, zemljenja sa obje strane, ili preklapanja za omotač ili ekran. Za duže linije visokonaponskih kablova, metoda preklapanja je učinkovita u ograničenju struje zemljenja.

U ovom slučaju, Ia, Ib i Ic predstavljaju vrijednosti struje koje teku kroz metalne omotače faza A, B i C visokonaponskih kablova, redom; Ie je struja koja teče kroz putanju povratka kroz tlo; Rd je ekvivalentna otpornost putanje povratka kroz tlo, a Rd1 i Rd2 su otpornosti zemljenja na obje strane omotača kablova. Pod normalnim uvjetima, radne struje trofaznih kablova mogu se smatrati jednakim po veličini. Koristeći razliku faza između tri faze struje, inducirani naponi unutar cijelog preklapajućeg dijela mogu biti otkazani, čime se postiže smanjenje struje zemljenja.

(1) Duljine segmenata kablova, metode raspoređivanja i razmak faza

Kablovi obično koriste metodu preklapanja za zemljenje kako bi smanjili struju zemljenja. U inženjerskoj praksi za instalaciju kabelskih kanala, individualni segmenti preklapanja omotača često imaju različite duljine i različite konfiguracije raspoređivanja. Pri istoj struji provodnika, inducirani napon na metalnom omotaču horizontalno ili vertikalno raspoređenih kablova po jedinici duljine je veći nego kod kablova raspoređenih u pravouglom trouglu. Stoga, u nejednakim segmentima kablova, korištenje trougaone konfiguracije (koja proizvodi niži inducirani napon) za duže segmente kablova, a horizontalne ili vertikalne konfiguracije (koje proizvode veći inducirani napon) za kraće segmente, pomaže u smanjenju ukupnog induciranog napona u dužim segmentima. Odgovarajućim odabirom raspoređivanja za svaki podsegment, neravnoteža napona uzrokovana razlikama u duljini kablova može biti uravnotežena, čime se smanjuje struja zemljenja omotača.

III. Analiza anormalne struje zemljenja kablova

Neuspjeh transpozicije rezultira gubitkom vektora struje u jednom smjeru, što značajno povećava struju zemljenja omotača, što može dovesti do operativnih grešaka. U različitim scenarijima neuspjeha transpozicije, veličine i faze tri faze struje značajno se razlikuju. Neuspjeh transpozicije obično se karakterizira sličnom strujom zemljenja u dvije faze, dok je struja u trećoj fazi značajno manja – obično oko polovice najmanje struje zemljenja u drugim dvije faze.

(1) Ulazak vode u kutiju

Kada voda ulazi u kutiju za preklapanje, voda unutar kutije stvara nisku otpornost zemljenja, a spoj između unutrašnje i vanjske vode efektivno pruža direktnu putanju zemljenja za struju. Kao što je prikazano na slici ispod, direktno zemljenje se događa na točki a, b ili c.

Prolazni padovi mogu dovesti do dugotrajnog akumuliranja vode u preklapajućim kutijama kabelskih kanala. Posebno kada su obije kutije poplavljene, struja zemljenja lako može doseći stotine ampera, što dovodi do naglog porasta struje omotača i brzog porasta temperature unutar kablova. Kada je samo jedna kutija poplavljena, tri faze struje u dotičnom krugu pokazuju malu razliku i povećaju se približno 2,5 puta u usporedbi s normalnim, bezgrešnim uvjetima.

(2) Povreda koaksijalnog kabela

Linije koje koriste metodu preklapanja za zemljenje obično su duže od 1 km. Ako se koaksijalni kabel povrijeđen, na mjestu povrede može se generirati napon preko 100 V, što predstavlja značajan opasnost za liniju. Također sprečava vezane metalne omotače da formiraju zatvoreni krug, čime se sprečava protjecanje struje zemljenja kroz omotač.

IV. Tipični slučajevi anormalne struje zemljenja kablova

Određena 110 kV linija je hibridna linija nadzemnih i podzemnih kablova. Model kablova je YJLW03-64/110-1×800 mm². Linija je upućena u rad u rujnu 2014. godine i ima duljinu približno 1220 metara. 27. prosinca 2016. godine, sustav zemljenja kablova je promijenjen na metodu preklapanja. Potpuni preklapajući dio sastoji se od transformatorne stanice, Kutije #1, Kutije #2 i vanjske toranjaste linije. Kutije #1 i #2 su kutije za preklapanje, dok su sve ostale točke direktno zemljene. Mjerene rezultate struje zemljenja prikazane su u tablici ispod:

Prema stavku 5.2.3 Q/GDW 11316 "Regulativa za testiranje linija visokonaponskih kablova": omjer struje zemljenja i opterećenja struje treba biti manji od 20%; omjer maksimalne i minimalne jednofazne struje zemljenja treba biti manji od 3. Kada je opterećenje struje 57.8 A, struje omotača faza A, B i C u direktnim kutijama zemljenja stanice, Kutiji #1 i Kutiji #2, svi su značajno premašili zahtjeve propisane regulativom. Također, omjer maksimalne i minimalne jednofazne struje zemljenja (37.6/9.7 = 3.88) također je veći od 3.

Na temelju analize mjerene struje zemljenja u gornjoj tablici: struja zemljenja faze A u Šahti #1 iznosi 38.2 A, što odgovara struji zemljenja faze C od 37.6 A u Šahti #2; struja zemljenja faze B u Šahti #1 iznosi 28.5 A, što odgovara struji zemljenja faze A od 32.7 A u Šahti #2; struja zemljenja faze C u Šahti #1 iznosi 10.2 A, što odgovara struji zemljenja faze B od 9.7 A u Šahti #2. Struje zemljenja tri faze teku kroz sljedeće putanje: struja zemljenja faze A ne teče kroz oklop faze B, struja zemljenja faze B ne teče kroz oklop faze C, a struja zemljenja faze C ne teče kroz oklop faze A, kao što je prikazano na slici i tablici ispod.

Na mjestu inspekcije otkriveno je da je unutarnja konfiguracija preklapanja u kutiji zemljenja Šahta #1 "ABC to BCA", s fazonim redoslijedom A, B, C. Unutarnja konfiguracija preklapanja u kutiji zemljenja Šahta #2 je "ABC to CAB", također s fazonim redoslijedom A, B, C. Nisu pronađeni znaci vlage ili oštećenja od gorena na zaštiti omotača kablova ili izolacijskim komponentama. To je prikazano na sljedećim slikama, redom:

Stoga, uzrok anormalne struje zemljenja u ovom 110 kV XX liniji kablova je pogrešna provodnica bakrenih busova unutar kutija za preklapanje, što je spriječilo da se vanjski omotači kablova zapravo preklapaju. To je rezultiralo prekomjernom strujom zemljenja u lokalnom preklapajućem dijelu.

Nakon ispravljanja konfiguracije provodnice, struja zemljenja kablova ispunjava zahtjeve Q/GDW 11316-2014 "Regulativa za testiranje linija visokonaponskih kablova".