Analiza przyczyn nietypowych usterek w obwodzie ziemnym kabli wysokiego napięcia i typowe przypadki
I. Wprowadzenie do prądu pętli uziemienia kabla
Kabla o napięciu 110 kV i wyższym używają struktury jednoodbiornikowej. Przemienny pole magnetyczne generowane przez prąd roboczy indukuje napięcie na obudowie metalowej. Jeśli obudowa tworzy zamkniętą pętlę poprzez ziemię, prąd pętli uziemienia będzie płynął po obudowie metalowej. Zbyt duży prąd pętli uziemienia (prąd pętli przekraczający 50 A, więcej niż 20% prądu obciążenia, lub stosunek maksymalnego do minimalnego prądu fazowego większy niż 3) nie tylko wpływa na zdolność nośną kabla i jego żywotność, ale też silne nagrzewanie spowodowane prądem może spalić przewody uziemienia lub skrzynki uziemienia. Niewłaściwe i niezwłoczne rozwiązanie takich problemów może prowadzić do poważnych wypadków sieci energetycznej.
II. Czynniki wpływające na prąd pętli uziemienia kabla
Główne czynniki wpływające na prąd pętli uziemienia kabla są następujące:
Rezystancja kontaktowa kablaSłabe spawanie lub złe połączenia, które zwiększają rezystancję kontaktową w jednej fazie, znacznie zmniejszą prąd pętli uziemienia w tej fazie. Jednakże prądy pętli w dwóch pozostałych fazach nie muszą koniecznie odpowiednio maleć. Wraz ze wzrostem rezystancji, całkowity prąd uziemienia nie musi koniecznie maleć.
Rezystancja uziemieniaW miarę jak suma rezystancji uziemienia i rezystancji drogi zwrotnej przez ziemię rośnie, prąd pętli uziemienia w każdej fazie maleje. Jednak zbyt wysoka rezystancja uziemienia może prowadzić do słabego kontaktu w punkcie uziemienia, co powoduje nagrzewanie i straty mocy.
Metoda uziemienia kablaAby ograniczyć napięcie indukcyjne na obudowie metalowej kabla, wysokonapięciowe kabla zazwyczaj korzystają z metod uziemienia takich jak uziemienie w jednym punkcie, uziemienie na obu końcach, lub krzyżowe połączenie dla obudowy lub ekranu. Dla dłuższych linii wysokonapięciowych kabli, metoda krzyżowego połączenia jest skuteczna w ograniczaniu prądu pętli uziemienia.
Spośród nich, Ia, Ib i Ic to wartości prądów płynących przez obudowy metalowe kabli wysokiego napięcia fazy A, B i C, odpowiednio; Ie to prąd płynący przez drogę zwrotną przez ziemię; Rd to równoważna rezystancja drogi zwrotnej, a Rd1 i Rd2 to rezystancje uziemienia na obu końcach obudowy kabla. W normalnych warunkach można założyć, że prądy robocze trójfazowych kabli są równe pod względem wielkości. Wykorzystując różnicę fazową między prądami trójfazowymi, napięcia indukcyjne w obudowach metalowych w pełnym segmencie krzyżowego połączenia mogą się anulować, co prowadzi do celu redukcji prądu pętli uziemienia.
(1) Długości segmentów kabla, metody ułożenia kabla i odstępy fazowe
Kabla zazwyczaj stosują metodę krzyżowego uziemienia, aby zredukować prąd pętli uziemienia. W inżynierii montażu kabli w kanałach, poszczególne segmenty krzyżowego połączenia obudowy często mają różne długości i różne konfiguracje ułożenia. Przy tym samym prądzie przewodnika, napięcie indukcyjne na obudowie metalowej dla kabli ułożonych poziomo lub pionowo na jednostkę długości jest wyższe niż dla kabli ułożonych w konfiguracji trójkąta prostokątnego. Dlatego w przypadku segmentów kabla o nierównych długościach, stosowanie ułożenia trójkątnego (które generuje niższe napięcie indukcyjne) dla dłuższych segmentów kabla i ułożenia poziomego lub pionowego (które generuje wyższe napięcie indukcyjne) dla krótszych segmentów pomaga zredukować ogólne napięcie indukcyjne w dłuższych segmentach. Poprzez odpowiedni wybór ułożenia dla każdego podsegmentu, można zrównoważyć niestabilność napięcia spowodowaną różnicami w długości kabla, co prowadzi do zmniejszenia prądu pętli obudowy.
III. Analiza anomalii prądu pętli uziemienia kabla
Awaria transpozycji spowoduje utratę wektora prądu w jednym kierunku, co prowadzi do znacznego wzrostu prądu uziemienia obudowy, co może ostatecznie doprowadzić do awarii operacyjnych. W różnych scenariuszach awarii transpozycji, wielkości i fazy prądów trójfazowych różnią się znacznie. Awaria transpozycji charakteryzuje się zwykle dwiema fazami o podobnych prądach uziemienia, podczas gdy prąd w jednej fazie jest znacznie mniejszy – zazwyczaj około połowy najmniejszego prądu uziemienia w dwóch pozostałych fazach.
(1) Wpływ wody do skrzynki
Gdy woda wlewa się do skrzynki z krzyżowym połączeniem, woda wewnątrz tworzy niską rezystancję uziemienia, a połączenie wewnętrznej i zewnętrznej wody efektywnie zapewnia bezpośredni szlak uziemienia dla prądu. Jak pokazano na rysunku poniżej, bezpośredni uziemienie występuje w punkcie a, b lub c.
Długotrwałe opady deszczu mogą prowadzić do długotrwałego gromadzenia się wody w skrzynkach krzyżowego połączenia w rowach kablowych. Szczególnie, gdy obie skrzynki są zalane, prąd uziemienia może łatwo osiągnąć setki amper, co powoduje nagły wzrost prądu obudowy i szybkie podnoszenie się temperatury wewnętrznego kabla. Gdy tylko jedna skrzynka jest zalana, prądy trójfazowe w dotkniętej pętli pokazują lekkie różnice i zwiększają się o około 2,5 raza w porównaniu do normalnych, nieawaryjnych warunków.
(2) Uszkodzenie kabla koaksjalnego
Linie korzystające z krzyżowego uziemienia są zazwyczaj dłuższe niż 1 km. Jeśli kabla koaksjalny zostanie uszkodzony, w miejscu uszkodzenia może być wygenerowane napięcie powyżej stu wolt, stanowiąc istotne zagrożenie dla linii. To również uniemożliwia, aby związane obudowy metalowe tworzyły zamkniętą pętlę, co powstrzymuje przepływ prądu pętli w obudowie.
IV. Typowe przypadki anomalii prądu pętli uziemienia kabla
Pewna linia 110 kV jest linią hybrydową z nadziemnymi i podziemnymi kabli. Model kabla to YJLW03-64/110-1×800 mm². Linia została uruchomiona w wrześniu 2014 roku i ma około 1220 metrów długości. 27 grudnia 2016 roku system uziemienia kabla został zmodyfikowany, aby korzystać z metody krzyżowego uziemienia. Kompletny segment krzyżowego połączenia składa się z podstacji, Skrzynki #1, Skrzynki #2 i zewnętrznego masztu przesyłowego. Skrzynki #1 i #2 to skrzynki krzyżowego połączenia, podczas gdy wszystkie pozostałe punkty są bezpośrednio uziemione. Pomiarowe wyniki prądu pętli uziemienia przedstawiają się w poniższej tabeli:
Zgodnie z paragrafem 5.2.3 Q/GDW 11316 "Regulamin testów linii kablowych": stosunek prądu pętli uziemienia do prądu obciążenia powinien być mniejszy niż 20%; stosunek maksymalnego do minimalnego prądu pętli uziemienia jednofazowego powinien być mniejszy niż 3. Gdy prąd obciążenia wynosi 57,8 A, prądy obudowy faz A, B i C w bezpośredniej skrzynce uziemienia stacji, Skrzynce #1 i Skrzynce #2, wszystkie poważnie przekraczają wymagania określone w regulaminie. Ponadto stosunek maksymalnego do minimalnego prądu pętli uziemienia jednofazowego (37,6/9,7 = 3,88) jest również większy niż 3.
Na podstawie analizy pomierzonych danych prądu pętli uziemienia w powyższej tabeli: prąd pętli uziemienia fazy A w Schronie #1 wynosi 38,2 A, odpowiadając prądowi pętli uziemienia fazy C 37,6 A w Schronie #2; prąd pętli uziemienia fazy B w Schronie #1 wynosi 28,5 A, odpowiadając prądowi pętli uziemienia fazy A 32,7 A w Schronie #2; prąd pętli uziemienia fazy C w Schronie #1 wynosi 10,2 A, odpowiadając prądowi pętli uziemienia fazy B 9,7 A w Schronie #2. Trójfazowe prądy pętli uziemienia płyną przez następujące ścieżki: prąd pętli uziemienia fazy A nie płynie przez pancerz fazy B, prąd pętli uziemienia fazy B nie płynie przez pancerz fazy C, a prąd pętli uziemienia fazy C nie płynie przez pancerz fazy A, jak pokazano na rysunku i tabeli poniżej.
Inspekcja na miejscu wykazała, że wewnętrzna konfiguracja krzyżowego połączenia w skrzynce uziemienia Kabla w Schronie #1 to "ABC do BCA", z sekwencją faz A, B, C. Wewnętrzna konfiguracja krzyżowego połączenia w skrzynce uziemienia Schronu #2 to "ABC do CAB", również z sekwencją faz A, B, C. Nie znaleziono oznak wilgoci ani uszkodzeń spaleniowych na ochronach obudowy kabla ani elementach izolacyjnych. Są one przedstawione na poniższych rysunkach, odpowiednio:
Dlatego przyczyną anomalii prądu pętli uziemienia w tym segmencie kabla 110 kV XX linii jest błędne przewodzenie miedzianych pasków wewnątrz skrzynek krzyżowego połączenia, co uniemożliwiło rzeczywiste krzyżowe połączenie obudów zewnętrznych kabla. To spowodowało nadmierny prąd pętli uziemienia w lokalnym segmencie krzyżowego połączenia.
Po poprawieniu konfiguracji przewodzenia, prąd pętli uziemienia kabla spełnia wymagania Q/GDW 11316-2014 "Regulamin testów linii kablowych".
