고압 케이블 접지 순환의 이상 원인 분석 및 대표 사례

I. 케이블 접지 루프 전류 소개

110 kV 이상의 케이블은 단일 코어 구조를 사용합니다. 작동 전류에 의해 생성된 교류 자기장은 금속 외피에 전압을 유도합니다. 외피가 지구를 통해 폐회로를 형성하면, 금속 외피를 통해 접지 루프 전류가 흐릅니다. 과도한 접지 루프 전류(루프 전류가 50 A를 초과하거나 부하 전류의 20%를 초과하거나 최대-최소 위상 전류 비율이 3을 초과하는 경우)는 케이블의 용량과 수명에 영향을 미치며, 전류에 의한 심각한 발열로 인해 접지선이나 접지 상자가 타버릴 수 있습니다. 이러한 문제를 즉시 수정하지 않으면 중대한 전력망 사고가 발생할 수 있습니다.

II. 케이블 접지 루프 전류에 영향을 미치는 요인

케이블 접지 루프 전류에 주요 영향을 미치는 요인은 다음과 같습니다:

• 케이블 접촉 저항불량한 용접 또는 연결로 인해 한 위상의 접촉 저항이 증가하면 해당 위상의 접지 루프 전류가 크게 감소합니다. 그러나 다른 두 위상의 루프 전류는 반드시 대응적으로 감소하지 않습니다. 저항이 증가함에 따라 전체 접지 전류가 반드시 감소하지는 않습니다.

• 접지 저항접지 저항과 대지 회로 저항의 합이 증가하면 각 위상의 접지 루프 전류가 감소합니다. 그러나 너무 높은 접지 저항은 접지 점에서의 접촉 불량을 초래하여 발열과 전력 손실을 유발할 수 있습니다.

• 케이블 접지 방법고압 케이블은 금속 외피나 스크린에 대한 단일점 접지, 양단 접지 또는 크로스 본딩과 같은 접지 방법을 사용하여 케이블의 금속 외피에 유도되는 전압을 제한합니다. 더 긴 고압 케이블 선로에서는 크로스 본딩 방법이 접지 루프 전류를 제한하는 데 효과적입니다.

여기서 Ia, Ib, Ic는 각각 A, B, C 위상 고압 케이블의 금속 외피를 통과하는 전류 값이며, Ie는 대지 회로를 통과하는 전류이고, Rd는 대지 회로의 등가 저항이며, Rd1과 Rd2는 케이블 외피의 양끝 접지 저항입니다. 일반적으로 세 위상 케이블의 운전 전류는 크기가 동일하다고 가정할 수 있습니다. 세 위상 전류 간의 위상 차이를 활용하여 완전한 크로스 본딩 구간 내의 금속 외피에 유도되는 전압을 상쇄시켜 접지 루프 전류를 줄이는 목적을 달성할 수 있습니다.

(1) 케이블 구간 길이, 케이블 배치 방법 및 위상 간격

케이블은 일반적으로 접지 루프 전류를 줄이기 위해 크로스 본딩 접지 방법을 채택합니다. 케이블 덕트 설치 공학 실무에서는 개별 세그먼트의 외피 크로스 본딩 길이와 배치 구성이 다를 수 있습니다. 같은 도체 전류 하에서 수평 또는 수직으로 배치된 케이블보다 직각 삼각형으로 배치된 케이블의 금속 외피에 유도되는 단위 길이당 전압이 더 높습니다. 따라서 길이가 다른 분할된 케이블에서는 더 긴 케이블 구간에는 삼각형 배치(유도 전압이 낮음)를, 더 짧은 구간에는 수평 또는 수직 배치(유도 전압이 높음)를 사용하여 전체 유도 전압을 줄일 수 있습니다. 각 하위 세그먼트의 적절한 배치 선택을 통해 케이블 길이 차이로 인한 전압 불균형을 균형 잡아 외피 루프 전류를 줄일 수 있습니다.

III. 비정상적인 케이블 접지 루프 전류 분석

전위 실패는 한 방향의 전류 벡터를 잃게 되어 외피 접지 전류가 크게 증가하게 됩니다. 이는 결국 운전 장애를 초래할 수 있습니다. 다양한 전위 실패 시나리오에서 세 위상 전류의 크기와 위상이 크게 다릅니다. 전위 실패는 일반적으로 두 위상의 접지 전류가 비교적 유사하면서 다른 한 위상의 전류가 매우 작다는 특징을 나타냅니다—보통 다른 두 위상의 가장 작은 접지 전류의 약 절반 정도입니다.

(1) 상자 내 물 침입

크로스 본딩 조인트 상자에 물이 들어가면, 상자 내부의 물은 낮은 접지 저항을 생성하고, 내부와 외부의 물 사이의 연결은 전류에 대한 직접적인 접지 경로를 제공합니다. 아래 그림에서 a, b, c 점에서 직접 접지가 발생합니다.

장기간의 강우로 인해 케이블 트렌치 크로스 본딩 상자 내부에 장기적으로 물이 축적될 수 있습니다. 특히 두 상자가 모두 물에 잠겼을 때, 접지 전류는 쉽게 수백 암페어에 이를 수 있으며, 외피 전류가 갑작스럽게 증가하여 내부 케이블 온도가 급격히 상승합니다. 한 상자만 물에 잠겼을 때, 영향을 받은 루프의 세 위상 전류는 약간의 차이를 보이면서 정상 상태와 비교하여 약 2.5배 증가합니다.

(2) 동축 케이블 단선

크로스 본딩 접지를 사용하는 선로는 일반적으로 1 km 이상입니다. 동축 케이블이 단선되면 단선 지점에서 수백 볼트의 전압이 생성되어 선로에 큰 위협을 가할 수 있습니다. 또한 관련된 금속 외피가 폐회로를 형성하지 못하여 외피를 통해 루프 전류가 흐르지 않게 됩니다.

IV. 비정상적인 케이블 접지 루프 전류의 대표적인 사례 연구

특정 110 kV 선로는 혼합식 공중-케이블 선로입니다. 케이블 모델은 YJLW03-64/110-1×800 mm²입니다. 이 선로는 2014년 9월에 운영되었으며 약 1220 미터 길이입니다. 2016년 12월 27일, 케이블 접지 시스템은 크로스 본딩 접지 방법으로 변경되었습니다. 완전한 크로스 본딩 구간은 변전소, Box #1, Box #2, 그리고 외부 송전탑으로 구성됩니다. Box #1과 Box #2는 크로스 본딩 상자이며, 모든 다른 점은 직접 접지됩니다. 측정된 접지 루프 전류 결과는 아래 표에 나와 있습니다:

Q/GDW 11316 "전력 케이블 선로 시험 규정"의 5.2.3 조항에 따르면: 접지 루프 전류와 부하 전류의 비율은 20% 미만이어야 하며, 최대 단일 위상 접지 루프 전류와 최소 단일 위상 접지 루프 전류의 비율은 3 미만이어야 합니다. 부하 전류가 57.8 A일 때, 변전소의 직접 접지 상자, Box #1, Box #2에서 A, B, C 위상의 외피 전류는 모두 규정에 명시된 요구사항을 크게 초과합니다. 또한, 최대 단일 위상 접지 루프 전류와 최소 단일 위상 접지 루프 전류의 비율 (37.6/9.7 = 3.88)도 3을 초과합니다.

위 표의 측정된 접지 루프 전류 데이터 분석에 따르면: Manhole #1의 A 위상 접지 루프 전류는 38.2 A로, Manhole #2의 C 위상 접지 루프 전류 37.6 A에 해당합니다; Manhole #1의 B 위상 접지 루프 전류는 28.5 A로, Manhole #2의 A 위상 접지 루프 전류 32.7 A에 해당합니다; Manhole #1의 C 위상 접지 루프 전류는 10.2 A로, Manhole #2의 B 위상 접지 루프 전류 9.7 A에 해당합니다. 세 위상 접지 루프 전류는 다음 경로를 통해 흐릅니다: A 위상 접지 루프 전류는 B 위상 아머를 통과하지 않고, B 위상 접지 루프 전류는 C 위상 아머를 통과하지 않고, C 위상 접지 루프 전류는 A 위상 아머를 통과하지 않습니다. 아래 그림과 표에 나와 있습니다.

현장 검사 결과, Cable Maintenance Manhole #1의 접지 상자의 내부 크로스 본딩 구성은 "ABC to BCA"로, 위상 순서는 A, B, C입니다. Manhole #2의 접지 상자의 내부 크로스 본딩 구성은 "ABC to CAB"로, 위상 순서는 A, B, C입니다. 케이블 외피 보호기나 절연 부품에 습기나 화상의 징후는 발견되지 않았습니다. 아래 그림에 나와 있습니다:

따라서, 이 110 kV XX 선로 케이블 구간의 비정상적인 접지 루프 전류의 원인은 크로스 본딩 상자 내의 구리 바의 잘못된 배선으로, 케이블 외피가 실제 크로스 본딩을 이루지 못했기 때문입니다. 이로 인해 국부적인 크로스 본딩 구간에서 접지 루프 전류가 과다하게 발생했습니다.

배선 구성이 수정된 후, 케이블의 접지 루프 전류는 Q/GDW 11316-2014 "전력 케이블 선로 시험 규정"의 요구사항을 충족합니다.