Analyse van afwijkende oorzaken van hoogspanningskabel aardingcirculatie en typische gevallen

I. Inleiding tot de stroom in de kabelaardinglus

Kabels met een spanning van 110 kV en hoger gebruiken een enkelkernstructuur. Het wisselende magnetisch veld dat wordt opgewekt door de werkingstroom induceert een spanning op de metalen mantel. Als de mantel via de aarde een gesloten circuit vormt, zal er een aardinglusstroom door de metalen mantel stromen. Een te hoge aardinglusstroom (lusstroom die 50 A overschrijdt, meer dan 20% van de belastingstroom, of een verhouding tussen de maximale en minimale fasestroom groter dan 3) beïnvloedt niet alleen de ampèrage en levensduur van de kabel, maar kan ook zware verhitting veroorzaken die aardingsdraden of aardingsdozen kan verbranden. Indien dergelijke problemen niet tijdig worden opgelost, kunnen ze ernstige elektriciteitsnetwerkincidenten veroorzaken.

II. Factoren die de stroom in de kabelaardinglus beïnvloeden

De belangrijkste factoren die de stroom in de kabelaardinglus beïnvloeden zijn als volgt:

• Contactweerstand van de kabelSlechte lasnaden of slechte verbindingen die de contactweerstand in één fase verhogen, zullen de aardinglusstroom in die fase aanzienlijk verminderen. De lusstromen in de andere twee fasen nemen echter niet noodzakelijk overeenkomstig af. Terwijl de weerstand toeneemt, neemt de totale aardingstroom niet noodzakelijk af.

• AardingweerstandNaarmate de som van de aardingweerstand en de terugloopweerstand van de aarde toeneemt, neemt de aardinglusstroom in elke fase af. Echter, een te hoge aardingweerstand kan leiden tot slechte contacten op het aardingspunt, wat verhitting en energieverliezen veroorzaakt.

• KabelaardingmethodeOm de geïnduceerde spanning op de metalen mantel van de hoogspanningskabel te beperken, worden meestal aardingmethoden zoals enkele punt-aarding, beide-einden aarding of kruisverbinding voor de mantel of scherm gebruikt. Voor langere hoogspanningskabellijnen is de kruisverbinding methode effectief om de aardinglusstroom te beperken.

Hierbij zijn Ia, Ib en Ic de stroomwaarden die door de metalen mantels van de A, B en C-fase hoogspanningskabels stromen, respectievelijk; Ie is de stroom die door de terugloopweg van de aarde stroomt; Rd is de equivalente weerstand van de terugloopweg van de aarde, en Rd1 en Rd2 zijn de aardingweerstanden aan beide einden van de kabelmantel. Onder normale omstandigheden kan worden aangenomen dat de werkingstromen van de drie-fase kabels gelijk zijn. Door gebruik te maken van de fasedifferentie tussen de drie-fasestromen, kunnen de geïnduceerde spanningen op de metalen mantels binnen een volledig gekruiste sectie worden weggewerkt, waardoor het doel van het verminderen van de aardinglusstroom wordt bereikt.

(1) Kabelsegmentlengtes, kabelopstellingen en faseruimte

Kabels gebruiken meestal een kruisverbinding aardingmethode om de aardinglusstroom te verminderen. Bij de installatie van kabelbuizen in de praktijk hebben de individuele segmenten van de mantelkruisverbinding vaak verschillende lengtes en verschillende opstellingen. Bij dezelfde geleiderstroom is de geïnduceerde spanning op de metalen mantel per eenheid lengte hoger voor horizontaal of verticaal geplaatste kabels dan voor kabels in een rechthoekige configuratie. Daarom helpt het bij ongelijke segmentlengtes om de driehoeksopstelling (die lagere geïnduceerde spanning oplevert) voor langere kabelsegmenten te gebruiken en de horizontale of verticale opstelling (die hogere geïnduceerde spanning oplevert) voor kortere segmenten, om de totale geïnduceerde spanning in de langere segmenten te verminderen. Door de juiste opstelling voor elk sub-segment te kiezen, kan de spanningonevenwichtigheid die wordt veroorzaakt door verschillen in kabellengte worden gebalanceerd, waardoor de mantellusstroom wordt verminderd.

III. Analyse van abnormale kabelaardinglusstroom

Een transpositiefout zal resulteren in het verlies van een stroomvector in één richting, wat een aanzienlijke toename van de mantelaardingstroom veroorzaakt, wat uiteindelijk kan leiden tot bedrijfsfouten. Bij verschillende transpositiefoutscenario's verschillen de grootte en fase van de drie-fasestromen aanzienlijk. Een transpositiefout wordt meestal gekenmerkt door twee fasen met relatief vergelijkbare aardingstromen, terwijl de stroom in de andere fase aanzienlijk kleiner is - meestal ongeveer de helft van de kleinste aardingstroom in de andere twee fasen.

(1) Waterinbreng in de doos

Wanneer water een kruisverbindingdoos binnendringt, creëert het water binnenin een lage aardingweerstand, en de verbinding tussen het interne en externe water biedt effectief een directe aardingsweg voor de stroom. Zoals in de figuur hieronder wordt getoond, vindt er een directe aarding plaats op punt a, b of c.

Langdurige regenval kan leiden tot langdurige wateraccumulatie in kabelgreppelkruisverbindingdozen. Vooral wanneer beide dozen overstroomd raken, kan de aardingstroom gemakkelijk honderden amperes bereiken, wat leidt tot een plotselinge piek in de mantelstroom en een snelle stijging van de interne kabeltemperatuur. Wanneer slechts één doos overstroomd is, tonen de drie-fasestromen in de betreffende lus lichte verschillen en nemen ze ongeveer 2,5 keer toe ten opzichte van normale, foutvrije omstandigheden.

(2) Coaxiale kabelbreuk

Lijnen die kruisverbinding aarding gebruiken, zijn meestal langer dan 1 km. Als de coaxiale kabel breekt, kan er een spanning van meer dan honderd volt op het breukpunt ontstaan, wat een aanzienlijke bedreiging voor de lijn vormt. Het voorkomt ook dat de bijbehorende metalen mantels een gesloten lus vormen, waardoor de lusstroom niet meer door de mantel kan stromen.

IV. Typische casestudies van abnormale kabelaardinglusstroom

Een bepaalde 110 kV-lijn is een hybride bovengrondse-kabellijn. Het kabelmodel is YJLW03-64/110-1×800 mm². De lijn werd in september 2014 in gebruik genomen en is ongeveer 1220 meter lang. Op 27 december 2016 werd het kabelaardingssysteem gewijzigd naar een kruisverbinding aardingmethode. Het volledige gekruiste segment bestaat uit het transformatorium, Doos #1, Doos #2 en de externe transporttoren. Doos #1 en Doos #2 zijn kruisverbindingdozen, terwijl alle andere punten direct aangesloten zijn. De gemeten aardinglusstroomresultaten staan in de onderstaande tabel:

Volgens artikel 5.2.3 van Q/GDW 11316 "Testvoorschriften voor elektriciteitskabellijnen": de verhouding tussen de aardinglusstroom en de belastingstroom moet minder dan 20% zijn; de verhouding tussen de maximale en minimale enkelphase aardinglusstroom moet minder dan 3 zijn. Wanneer de belastingstroom 57,8 A is, overschrijden de mantelstromen van fase A, B en C in de direct aangesloten doos, Doos #1 en Doos #2, allemaal de vereisten die in de voorschriften zijn gesteld. Bovendien is de verhouding tussen de maximale en minimale enkelphase aardinglusstroom (37,6/9,7 = 3,88) ook groter dan 3.

Op basis van de analyse van de gemeten aardinglusstroomgegevens in de bovenstaande tabel: de fase A aardinglusstroom in Put #1 is 38,2 A, wat overeenkomt met de fase C aardinglusstroom van 37,6 A in Put #2; de fase B aardinglusstroom in Put #1 is 28,5 A, wat overeenkomt met de fase A aardinglusstroom van 32,7 A in Put #2; de fase C aardinglusstroom in Put #1 is 10,2 A, wat overeenkomt met de fase B aardinglusstroom van 9,7 A in Put #2. De drie-fase aardinglusstromen stromen via de volgende paden: de fase A aardinglusstroom stroomt niet door de fase B pantsering, de fase B aardinglusstroom stroomt niet door de fase C pantsering, en de fase C aardinglusstroom stroomt niet door de fase A pantsering, zoals wordt weergegeven in de figuur en tabel hieronder.

Ter plaatse bleek dat de interne kruisverbindingconfiguratie in de aardingdoos van Kabelonderhoudput #1 "ABC naar BCA" is, met fasevolgorde A, B, C. De interne kruisverbindingconfiguratie in de aardingdoos van Put #2 is "ABC naar CAB", ook met fasevolgorde A, B, C. Er werden geen sporen van vocht of brandverschijnselen gevonden op de kabelmantelbeschermers of isolerende componenten. Dit wordt weergegeven in de onderstaande figuren, respectievelijk:

Dus de oorzaak van de abnormale aardinglusstroom in dit 110 kV XX-lijnkabelsegment is een verkeerde bedrading van de koperen busbalken in de kruisverbindingdozen, waardoor de buitenvellen van de kabels geen daadwerkelijke kruisverbinding konden vormen. Dit resulteerde in een te hoge aardinglusstroom in het lokale gekruiste segment.

Na correctie van de bedrading configuratie voldoet de aardinglusstroom van de kabel aan de eisen van Q/GDW 11316-2014 "Testvoorschriften voor elektriciteitskabellijnen".