高圧ケーブル接地循環の異常原因分析と典型的な事例

I. ケーブル接地ループ電流の概要

110 kV以上のケーブルは単芯構造を使用しています。動作電流によって生成される交流磁界が金属被覆に誘導電圧を生じさせます。金属被覆が地を通じて閉回路を形成すると、金属被覆に接地ループ電流が流れます。過度な接地ループ電流（50 Aを超えるループ電流、負荷電流の20%以上、または最大相電流と最小相電流の比が3を超える）は、ケーブルの通電容量と寿命に影響を与えるだけでなく、電流による激しい発熱で接地線や接地ボックスを焼損させる可能性があります。これらの問題を速やかに修正しないと、重大な電力網事故を引き起こす可能性があります。

II. ケーブル接地ループ電流に影響を与える要因

ケーブル接地ループ電流に主に影響を与える要因は以下の通りです：

• ケーブルの接触抵抗：不良な溶接や接続により一相の接触抵抗が増加すると、その相の接地ループ電流は大幅に減少します。しかし、他の二相のループ電流は必ずしも対応して減少するわけではありません。また、抵抗が増加しても総接地電流が必ずしも減少するわけではありません。

• 接地抵抗：接地抵抗と地返り経路抵抗の合計が増加すると、各相の接地ループ電流は減少します。ただし、接地抵抗が非常に高すぎると、接地点での接触不良が生じ、発熱や損失が発生する可能性があります。

• ケーブル接地方法：高圧ケーブルでは、金属被覆またはシールドの誘導電圧を制限するために、一点接地、両端接地、クロスボンディングなどの接地方法が用いられます。長距離の高圧ケーブル線路では、クロスボンディング方式が接地ループ電流を制限するのに効果的です。

ここで、Ia、Ib、IcはそれぞれA相、B相、C相の高圧ケーブルの金属被覆を流れる電流値であり、Ieは地返り経路を流れる電流、Rdは地返り経路の等価抵抗、Rd1およびRd2はケーブル被覆の両端の接地抵抗です。通常、三相ケーブルの動作電流は大きさが等しいと仮定できます。三相電流の位相差を利用して、完全なクロスボンディングセクション内の金属被覆の誘導電圧を相殺し、接地ループ電流を減らすことができます。

(1) ケーブルセグメントの長さ、ケーブル配置方法、および相間隔

ケーブルは一般的に接地ループ電流を減らすためにクロスボンディング接地方式を採用します。ケーブルダクト設置のエンジニアリング実践では、個々のセグメントのシースクロスボンディングが異なる長さと異なる配置構成を持つことが一般的です。同じ導体電流のもとで、水平または垂直に配置されたケーブルの単位長さあたりの金属被覆の誘導電圧は、直角三角形配置のケーブルよりも高いです。したがって、長さの異なるセグメント化されたケーブルでは、長いケーブルセクションには誘導電圧が低い三角形配置を使用し、短いセクションには誘導電圧が高い水平または垂直配置を使用することで、全体的な誘導電圧を低減することができます。各サブセグメントの適切な配置を選択することにより、ケーブル長の違いによる電圧アンバランスを調整し、シースループ電流を減らすことができます。

III. 異常なケーブル接地ループ電流の分析

トランポジション障害により、一つの方向の電流ベクトルが消失し、シース接地電流が大幅に増加し、最終的に運転障害を引き起こす可能性があります。異なるトランポジション障害の状況下では、三相電流の大きさと位相が大きく異なります。トランポジション障害は通常、二相の接地電流が比較的似ている一方、もう一相の電流が著しく小さい特徴を持ちます—通常、他の二相の最も小さな接地電流の約半分程度です。

(1) ボックスへの水の侵入

クロスボンディング接続箱に水が侵入すると、内部の水が低接地抵抗を作り出し、内部と外部の水の接続により電流の直接接地パスが提供されます。下図のように、点a、b、またはcで直接接地が発生します。

長期的な雨によりケーブルトレンチのクロスボンディングボックス内に水が蓄積し、特に両方のボックスが浸水している場合、接地電流は数百アンペアに達しやすく、シース電流が急激に増大し、内部ケーブル温度が急速に上昇します。一方のボックスのみが浸水している場合、影響を受けたループの三相電流はわずかな差異を示し、正常時と比べて約2.5倍増加します。

(2) 同軸ケーブルの断線

クロスボンディング接地を使用する線路は一般に1 km以上です。同軸ケーブルが断線すると、断線点で100 V以上の電圧が発生し、線路に大きな脅威となります。また、関連する金属被覆が閉ループを形成できなくなり、シースにループ電流が流れなくなります。

IV. 異常なケーブル接地ループ電流の典型的な事例研究

ある110 kV線路は架空線とケーブルの混合線路です。ケーブルモデルはYJLW03-64/110-1×800 mm²です。この線路は2014年9月に運用開始され、約1220メートルの長さがあります。2016年12月27日、ケーブル接地システムはクロスボンディング接地方式に変更されました。完全なクロスボンディングセクションは、変電所、ボックス#1、ボックス#2、および外部送電塔で構成されています。ボックス#1と#2はクロスボンディングボックスで、他のすべてのポイントは直接接地されています。測定された接地ループ電流の結果は以下の表に示されています。

Q/GDW 11316「電力ケーブル線路試験規程」第5.2.3条によれば：接地ループ電流と負荷電流の比率は20%未満であるべきであり、最大と最小の単相接地ループ電流の比率は3未満であるべきです。負荷電流が57.8 Aの場合、変電所の直接接地ボックス、ボックス#1、およびボックス#2におけるA相、B相、C相のシース電流は全て規程で規定されている要求を大幅に超えています。さらに、最大と最小の単相接地ループ電流の比率（37.6/9.7 = 3.88）も3を超えています。

上記表の測定された接地ループ電流データの分析に基づくと：マンホール#1のA相接地ループ電流は38.2 Aで、これはマンホール#2のC相接地ループ電流37.6 Aに対応します；マンホール#1のB相接地ループ電流は28.5 Aで、これはマンホール#2のA相接地ループ電流32.7 Aに対応します；マンホール#1のC相接地ループ電流は10.2 Aで、これはマンホール#2のB相接地ループ電流9.7 Aに対応します。三相接地ループ電流は以下のように流れる：A相接地ループ電流はB相アーマーを通過せず、B相接地ループ電流はC相アーマーを通過せず、C相接地ループ電流はA相アーマーを通過しません。下図と表に示すように。

現場調査により、ケーブルメンテナンスマンホール#1の接地ボックス内の内部クロスボンディング構成は「ABC to BCA」で、相順はA、B、Cです。マンホール#2の接地ボックス内の内部クロスボンディング構成は「ABC to CAB」で、相順もA、B、Cです。ケーブル被覆保護器や絶縁部品に湿気や焼損の兆候は見られませんでした。これらはそれぞれ以下の図に示されています。

したがって、この110 kV XX線ケーブルセクションの異常接地ループ電流の原因は、クロスボンディングボックス内の銅バーの配線誤りであり、これによりケーブル外被覆が実際のクロスボンディングを達成できず、局所的なクロスボンディングセクションで過度な接地ループ電流が生じました。

配線構成を修正した後、ケーブルの接地ループ電流はQ/GDW 11316-2014「電力ケーブル線路試験規程」の要求を満たしています。