Analisi delle cause anomale della circolazione di messa a terra dei cavi ad alta tensione e casi tipici

I. Introduzione alla Corrente di Loop di Terra del Cavo

I cavi a partire da 110 kV utilizzano una struttura mononucleo. Il campo magnetico alternato generato dalla corrente operativa induce una tensione sulla guaina metallica. Se la guaina forma un circuito chiuso attraverso il terreno, scorre una corrente di loop di terra sulla guaina metallica. Una corrente di loop di terra eccessiva (corrente di loop superiore a 50 A, più del 20% della corrente di carico o un rapporto tra la corrente massima e minima di fase superiore a 3) non solo influenza la capacità di carico e la durata del cavo, ma un riscaldamento severo dovuto alla corrente può bruciare i fili di terra o le scatole di terra. La mancata correzione tempestiva di tali problemi può scatenare gravi incidenti di rete elettrica.

II. Fattori che Influenzano la Corrente di Loop di Terra del Cavo

I principali fattori che influenzano la corrente di loop di terra del cavo sono i seguenti:

• Resistenza di Contatto del CavoUn saldatura difettosa o connessioni cattive che aumentano la resistenza di contatto in una fase ridurranno significativamente la corrente di loop di terra in quella fase. Tuttavia, le correnti di loop nelle altre due fasi non diminuiscono necessariamente di conseguenza. Con l'aumento della resistenza, la corrente totale di terra non diminuisce necessariamente.

• Resistenza di TerraAumentando la somma della resistenza di terra e della resistenza del percorso di ritorno al suolo, la corrente di loop di terra in ogni fase diminuisce. Tuttavia, una resistenza di terra eccessivamente alta può causare un contatto povero al punto di terra, portando a riscaldamenti e perdite di potenza.

• Metodo di Terra del CavoPer limitare la tensione indotta sulla guaina metallica, i cavi ad alta tensione utilizzano solitamente metodi di terra come il terra singolo, il terra ai due estremi o il collegamento incrociato per la guaina o lo schermo. Per linee di cavo ad alta tensione più lunghe, il metodo di collegamento incrociato è efficace nel limitare la corrente di loop di terra.

Tra questi, Ia, Ib e Ic sono i valori di corrente che scorrono sulle guaine metalliche dei cavi ad alta tensione delle fasi A, B e C rispettivamente; Ie è la corrente che scorre nel percorso di ritorno al suolo; Rd è la resistenza equivalente del percorso di ritorno al suolo, e Rd1 e Rd2 sono le resistenze di terra alle due estremità della guaina del cavo. Nelle condizioni normali, si può assumere che le correnti operative dei tre cavi trifase siano uguali in magnitudine. Utilizzando la differenza di fase tra le correnti trifase, le tensioni indotte sulle guaine metalliche all'interno di una sezione completamente incrociata possono essere annullate, raggiungendo così lo scopo di ridurre la corrente di loop di terra.

(1) Lunghezze dei Segmenti di Cavo, Metodi di Disposizione e Spaziatura di Fase

I cavi generalmente adottano un metodo di terra incrociata per ridurre la corrente di loop di terra. Nella pratica ingegneristica per l'installazione dei dotti di cavo, è comune che i segmenti individuali del collegamento incrociato della guaina abbiano lunghezze diverse e configurazioni di disposizione differenti. Alla stessa corrente del conduttore, la tensione indotta sulla guaina metallica per unità di lunghezza per cavi disposti orizzontalmente o verticalmente è maggiore rispetto a cavi disposti in configurazione triangolare retta. Pertanto, in cavi segmentati di lunghezze diverse, utilizzare la disposizione triangolare (che produce una tensione indotta inferiore) per i segmenti di cavo più lunghi e la disposizione orizzontale o verticale (che produce una tensione indotta maggiore) per i segmenti più corti aiuta a ridurre la tensione indotta complessiva nei segmenti più lunghi. Scegliendo opportunamente la disposizione per ogni sottosegmento, si può bilanciare l'imbalance di tensione causato dalle differenze di lunghezza del cavo, riducendo così la corrente di loop della guaina.

III. Analisi della Corrente di Loop di Terra Anomala del Cavo

Un errore di trasposizione causerà la perdita di un vettore di corrente in una direzione, portando a un aumento significativo della corrente di terra della guaina, che potrebbe alla fine portare a malfunzionamenti operativi. In diversi scenari di errore di trasposizione, le magnitudini e le fasi delle correnti trifase differiscono considerevolmente. Un errore di trasposizione è caratterizzato tipicamente da due fasi con correnti di terra relativamente simili, mentre la corrente nell'altra fase è significativamente minore—generalmente circa la metà della corrente di terra minima nelle altre due fasi.

(1) Ingresso d'Acqua nella Scatola

Quando l'acqua entra in una scatola di collegamento incrociato, l'acqua all'interno crea una resistenza di terra bassa, e la connessione tra l'acqua interna ed esterna fornisce effettivamente un percorso diretto di terra per la corrente. Come mostrato nella figura sottostante, un terra diretto avviene al punto a, b o c.

Piogge prolungate possono portare a un accumulo di acqua a lungo termine nelle scatole di collegamento incrociato nei dotti di cavo. Specialmente quando entrambe le scatole sono allagate, la corrente di terra può facilmente raggiungere centinaia di ampere, causando un improvviso aumento della corrente della guaina e un rapido aumento della temperatura interna del cavo. Quando solo una scatola è allagata, le correnti trifase nel loop interessato mostrano lievi differenze e aumentano di circa 2,5 volte rispetto alle condizioni normali, non in fallo.

(2) Rottura del Cavo Coassiale

Le linee che utilizzano un metodo di terra incrociata sono generalmente più lunghe di 1 km. Se il cavo coassiale si rompe, può generarsi una tensione di oltre cento volt al punto di rottura, rappresentando una minaccia significativa per la linea. Impedisce inoltre alle guaine metalliche associate di formare un loop chiuso, interrompendo la corrente di loop nella guaina.

IV. Studi di Caso Tipici di Corrente di Loop di Terra Anomala del Cavo

Una certa linea a 110 kV è una linea ibrida aerea-cavo. Il modello del cavo è YJLW03-64/110-1×800 mm². La linea è stata messa in servizio nel settembre 2014 ed è lunga circa 1220 metri. Il 27 dicembre 2016, il sistema di terra del cavo è stato modificato per utilizzare un metodo di terra incrociata. La sezione completamente incrociata consiste nella sottostazione, Box #1, Box #2 e la torre di trasmissione esterna. Box #1 e Box #2 sono scatole di collegamento incrociato, mentre tutti gli altri punti sono terra diretti. I risultati misurati della corrente di loop di terra sono mostrati nella tabella sottostante:

Secondo il paragrafo 5.2.3 del Q/GDW 11316 "Regolamenti per le Prove delle Linee di Cavo Elettrico": il rapporto tra la corrente di loop di terra e la corrente di carico deve essere inferiore al 20%; il rapporto tra la corrente di loop di terra monofase massima e minima deve essere inferiore a 3. Quando la corrente di carico è 57,8 A, le correnti della guaina delle fasi A, B e C nella scatola di terra diretta della sottostazione, Box #1 e Box #2 superano gravemente i requisiti specificati nei regolamenti. Inoltre, il rapporto tra la corrente di loop di terra monofase massima e minima (37,6/9,7 = 3,88) è anche superiore a 3.

In base all'analisi dei dati misurati della corrente di loop di terra nella tabella sopra: la corrente di loop di terra della fase A nel Manhole #1 è 38,2 A, corrispondente alla corrente di loop di terra della fase C di 37,6 A nel Manhole #2; la corrente di loop di terra della fase B nel Manhole #1 è 28,5 A, corrispondente alla corrente di loop di terra della fase A di 32,7 A nel Manhole #2; la corrente di loop di terra della fase C nel Manhole #1 è 10,2 A, corrispondente alla corrente di loop di terra della fase B di 9,7 A nel Manhole #2. Le correnti di loop di terra trifase scorrono attraverso i seguenti percorsi: la corrente di loop di terra della fase A non scorre attraverso l'armatura della fase B, la corrente di loop di terra della fase B non scorre attraverso l'armatura della fase C, e la corrente di loop di terra della fase C non scorre attraverso l'armatura della fase A, come illustrato nella figura e nella tabella sottostante.

L'ispezione sul sito ha rivelato che la configurazione interna di collegamento incrociato nella scatola di terra del Manhole #1 per la manutenzione del cavo è "ABC a BCA", con sequenza di fase A, B, C. La configurazione interna di collegamento incrociato nella scatola di terra del Manhole #2 è "ABC a CAB", anch'essa con sequenza di fase A, B, C. Non sono state trovate tracce di umidità o danni da surriscaldamento sui protettori della guaina del cavo o sui componenti isolanti. Questi sono mostrati nelle figure sottostanti, rispettivamente:

Pertanto, la causa della corrente di loop di terra anomala in questa sezione di cavo della linea a 110 kV XX è un cablaggio errato delle busbar di rame all'interno delle scatole di collegamento incrociato, che ha impedito alle guaine esterne del cavo di realizzare un vero e proprio collegamento incrociato. Ciò ha portato a una corrente di loop di terra eccessiva nella sezione locale incrociata.

Dopo la correzione della configurazione di cablaggio, la corrente di loop di terra del cavo è conforme ai requisiti del Q/GDW 11316-2014 "Regolamenti per le Prove delle Linee di Cavo Elettrico".