Análise das Causas Anormais da Circulação de Aterramento de Cabos de Alta Tensão e Casos Típicos

I. Introdução à Corrente de Loop de Aterramento do Cabo

Cabos classificados em 110 kV ou mais usam uma estrutura de núcleo único. O campo magnético alternado gerado pela corrente de operação induz uma tensão na blindagem metálica. Se a blindagem forma um circuito fechado através da terra, uma corrente de loop de aterramento fluirá na blindagem metálica. Uma corrente de loop de aterramento excessiva (corrente de loop superior a 50 A, mais de 20% da corrente de carga, ou uma razão de corrente máxima para mínima maior que 3) não apenas afeta a capacidade e a vida útil do cabo, mas o aquecimento severo causado pela corrente pode queimar os fios de aterramento ou as caixas de aterramento. A falha em corrigir tais problemas prontamente pode desencadear acidentes graves na rede elétrica.

II. Fatores que Influenciam a Corrente de Loop de Aterramento do Cabo

Os principais fatores que afetam a corrente de loop de aterramento do cabo são os seguintes:

• Resistência de Contato do Cabo - Soldagens ruins ou conexões deficientes que aumentam a resistência de contato em uma fase reduzirão significativamente a corrente de loop de aterramento nessa fase. No entanto, as correntes de loop nas outras duas fases nem sempre diminuirão proporcionalmente. À medida que a resistência aumenta, a corrente total de aterramento nem sempre diminui.

• Resistência de Aterramento - À medida que a soma da resistência de aterramento e da resistência do caminho de retorno ao solo aumenta, a corrente de loop de aterramento em cada fase diminui. No entanto, uma resistência de aterramento excessivamente alta pode causar um contato ruim no ponto de aterramento, levando a aquecimento e perdas de energia.

• Método de Aterramento do Cabo - Para limitar a tensão induzida na blindagem metálica, cabos de alta tensão geralmente usam métodos de aterramento como aterramento em um único ponto, aterramento em ambas as extremidades ou ligação cruzada para a blindagem ou tela. Para linhas de cabo de alta tensão mais longas, o método de ligação cruzada é eficaz para limitar a corrente de loop de aterramento.

Nesses, Ia, Ib e Ic são os valores de corrente que fluem pelas blindagens metálicas dos cabos de alta tensão das fases A, B e C, respectivamente; Ie é a corrente que flui pelo caminho de retorno ao solo; Rd é a resistência equivalente do caminho de retorno ao solo, e Rd1 e Rd2 são as resistências de aterramento nas duas extremidades da blindagem do cabo. Em circunstâncias normais, as correntes de operação dos três cabos trifásicos podem ser consideradas iguais em magnitude. Utilizando a diferença de fase entre as correntes trifásicas, as tensões induzidas nas blindagens metálicas dentro de uma seção totalmente ligada em cruz podem ser anuladas, alcançando assim o objetivo de reduzir a corrente de loop de aterramento.

(1) Comprimentos de Segmentos de Cabo, Métodos de Arranjo e Espaçamento de Fase

Geralmente, os cabos adotam um método de aterramento com ligação cruzada para reduzir a corrente de loop de aterramento. Na prática de engenharia para instalações de dutos de cabo, é comum que os segmentos individuais de ligação cruzada da blindagem tenham comprimentos e configurações de arranjo diferentes. Sob a mesma corrente do condutor, a tensão induzida na blindagem metálica por unidade de comprimento para cabos dispostos horizontalmente ou verticalmente é maior do que para cabos dispostos em configuração triangular reta. Portanto, em cabos segmentados de comprimentos desiguais, usar o arranjo triangular (que produz tensão induzida menor) para seções de cabo mais longas e o arranjo horizontal ou vertical (que produz tensão induzida maior) para seções mais curtas ajuda a reduzir a tensão induzida total nas seções mais longas. Ao selecionar adequadamente o arranjo para cada subsegmento, o desequilíbrio de tensão causado por diferenças no comprimento do cabo pode ser equilibrado, reduzindo assim a corrente de loop na blindagem.

III. Análise de Corrente de Loop de Aterramento de Cabo Anormal

Uma falha de transposição resultará na perda de um vetor de corrente em uma direção, causando um aumento significativo na corrente de aterramento da blindagem, o que pode, eventualmente, levar a falhas operacionais. Em diferentes cenários de falha de transposição, as magnitudes e fases das correntes trifásicas diferem consideravelmente. Uma falha de transposição é tipicamente caracterizada por duas fases terem correntes de aterramento relativamente semelhantes, enquanto a corrente na outra fase é significativamente menor - geralmente cerca de metade da menor corrente de aterramento nas outras duas fases.

(1) Ingresso de Água na Caixa

Quando a água entra em uma caixa de ligação cruzada, a água interna cria uma baixa resistência de aterramento, e a conexão entre a água interna e externa fornece efetivamente um caminho de aterramento direto para a corrente. Como mostrado na figura abaixo, ocorre um aterramento direto nos pontos a, b ou c.

Chuvas prolongadas podem levar a acumulação de água a longo prazo em caixas de ligação cruzada de trincheiras de cabo. Especialmente quando ambas as caixas estão inundadas, a corrente de aterramento pode facilmente atingir centenas de amperes, causando um aumento súbito na corrente da blindagem e uma elevação rápida na temperatura interna do cabo. Quando apenas uma caixa está inundada, as correntes trifásicas no loop afetado mostram pequenas diferenças e aumentam aproximadamente 2,5 vezes em comparação com as condições normais, sem falhas.

(2) Ruptura de Cabo Coaxial

Linhas que usam aterramento com ligação cruzada geralmente têm mais de 1 km de comprimento. Se o cabo coaxial se romper, uma tensão de mais de cem volts pode ser gerada no ponto de ruptura, representando uma ameaça significativa para a linha. Também impede que as blindagens metálicas associadas formem um loop fechado, interrompendo assim a corrente de loop na blindagem.

IV. Estudos de Caso Típicos de Corrente de Loop de Aterramento de Cabo Anormal

Uma certa linha de 110 kV é uma linha híbrida aérea-subterrânea. O modelo do cabo é YJLW03-64/110-1×800 mm². A linha foi comissionada em setembro de 2014 e tem aproximadamente 1220 metros de comprimento. Em 27 de dezembro de 2016, o sistema de aterramento do cabo foi modificado para usar um método de aterramento com ligação cruzada. A seção totalmente ligada em cruz consiste na subestação, Caixa #1, Caixa #2 e a torre de transmissão externa. As Caixas #1 e #2 são caixas de ligação cruzada, enquanto todos os outros pontos são aterrados diretamente. Os resultados medidos da corrente de loop de aterramento são mostrados na tabela abaixo:

Conforme o item 5.2.3 da Q/GDW 11316 "Regulamentos de Teste de Linhas de Cabo Elétrico": a relação da corrente de loop de aterramento para a corrente de carga deve ser inferior a 20%; a relação da corrente de loop de aterramento monofásica máxima para a mínima deve ser inferior a 3. Quando a corrente de carga é de 57,8 A, as correntes na blindagem das fases A, B e C nas caixas de aterramento direto da estação, Caixa #1 e Caixa #2, superam severamente os requisitos especificados nos regulamentos. Além disso, a relação da corrente de loop de aterramento monofásica máxima para a mínima (37,6/9,7 = 3,88) também é maior que 3.

Com base na análise dos dados medidos da corrente de loop de aterramento na tabela acima: a corrente de loop de aterramento da fase A na Caixa de Manutenção #1 é de 38,2 A, correspondendo à corrente de loop de aterramento da fase C de 37,6 A na Caixa #2; a corrente de loop de aterramento da fase B na Caixa de Manutenção #1 é de 28,5 A, correspondendo à corrente de loop de aterramento da fase A de 32,7 A na Caixa #2; a corrente de loop de aterramento da fase C na Caixa de Manutenção #1 é de 10,2 A, correspondendo à corrente de loop de aterramento da fase B de 9,7 A na Caixa #2. As correntes de loop de aterramento trifásicas fluem pelos seguintes caminhos: a corrente de loop de aterramento da fase A não flui pela armadura da fase B, a corrente de loop de aterramento da fase B não flui pela armadura da fase C, e a corrente de loop de aterramento da fase C não flui pela armadura da fase A, conforme ilustrado na figura e na tabela abaixo.

A inspeção no local revelou que a configuração interna de ligação cruzada na caixa de aterramento da Caixa de Manutenção #1 é "ABC para BCA", com sequência de fases A, B, C. A configuração interna de ligação cruzada na caixa de aterramento da Caixa #2 é "ABC para CAB", também com sequência de fases A, B, C. Não foram encontrados sinais de umidade ou danos por queima nos protetores de blindagem do cabo ou componentes isolantes. Isso é mostrado nas figuras abaixo, respectivamente:

Portanto, a causa da corrente de loop de aterramento anormal nesta seção de cabo da linha de 110 kV XX é a ligação incorreta das barras de cobre dentro das caixas de ligação cruzada, o que impediu que as blindagens externas dos cabos realizassem a ligação cruzada real. Isso resultou em corrente de loop de aterramento excessiva na seção local de ligação cruzada.

Após a correção da configuração de ligação, a corrente de loop de aterramento do cabo atende aos requisitos da Q/GDW 11316-2014 "Regulamentos de Teste de Linhas de Cabo Elétrico".