Анализ причин аномалий заземления высоковольтных кабелей и типичные случаи

I. Введение в ток заземления петли кабеля

Кабели напряжением 110 кВ и выше используют одноядерную конструкцию. Переменное магнитное поле, создаваемое рабочим током, индуцирует напряжение на металлической оболочке. Если оболочка образует замкнутую цепь через землю, по металлической оболочке будет протекать ток заземления петли. Избыточный ток заземления петли (ток петли, превышающий 50 А, более 20% нагрузочного тока или отношение максимального к минимальному фазному току больше 3) не только влияет на проводимость кабеля и срок его службы, но и сильный нагрев от тока может привести к перегоранию заземляющих проводов или коробок заземления. Несвоевременное устранение таких проблем может вызвать серьезные аварии в энергосистеме.

II. Факторы, влияющие на ток заземления петли кабеля

Основные факторы, влияющие на ток заземления петли кабеля, следующие:

• Сопротивление контакта кабеляПлохая сварка или неправильные соединения, увеличивающие сопротивление контакта в одной фазе, значительно снижают ток заземления петли в этой фазе. Однако токи петли в двух других фазах не обязательно уменьшаются соответствующим образом. При увеличении сопротивления общее заземляющее сопротивление также не обязательно уменьшается.

• Сопротивление заземленияПо мере увеличения суммы сопротивления заземления и сопротивления пути заземления через землю, ток заземления петли в каждой фазе уменьшается. Однако слишком высокое сопротивление заземления может привести к плохому контакту в точке заземления, что вызывает нагрев и потери мощности.

• Метод заземления кабеляДля ограничения индуцированного напряжения на металлической оболочке, высоковольтные кабели обычно используют методы заземления, такие как одноточечное заземление, двухстороннее заземление или перекрестное соединение для оболочки или экрана. Для длинных линий высоковольтных кабелей метод перекрестного соединения эффективен для ограничения тока заземления петли.

Здесь Ia, Ib и Ic — значения тока, протекающего через металлические оболочки фаз A, B и C высоковольтных кабелей соответственно; Ie — ток, протекающий через путь заземления через землю; Rd — эквивалентное сопротивление пути заземления через землю, а Rd1 и Rd2 — сопротивления заземления на обоих концах оболочки кабеля. В нормальных условиях можно предположить, что рабочие токи трехфазных кабелей равны по величине. Используя разность фаз между токами трех фаз, можно компенсировать индуцированные напряжения на металлических оболочках в полном перекрестно соединенном участке, тем самым достигая цели снижения тока заземления петли.

(1) Длины участков кабеля, методы расположения кабеля и расстояние между фазами

Кабели обычно используют метод перекрестного заземления для уменьшения тока заземления петли. В инженерной практике при установке кабельных каналов часто бывают случаи, когда отдельные участки перекрестного соединения оболочки имеют разную длину и разные конфигурации расположения. При одинаковом токе проводника индуцированное напряжение на металлической оболочке горизонтально или вертикально расположенных кабелей на единицу длины выше, чем у кабелей, расположенных в правильном треугольнике. Поэтому, в кабелях с разной длиной участков, использование треугольного расположения (которое создает меньшее индуцированное напряжение) для более длинных участков кабеля и горизонтального или вертикального расположения (которое создает большее индуцированное напряжение) для коротких участков помогает уменьшить общее индуцированное напряжение в более длинных участках. С помощью правильного выбора расположения каждого подучастка можно сбалансировать напряжение, вызванное различием в длине кабеля, тем самым уменьшив ток петли оболочки.

III. Анализ аномального тока заземления петли кабеля

Неудачная перестановка приведет к потере вектора тока в одном направлении, что вызовет значительное увеличение тока заземления оболочки, что может в конечном итоге привести к оперативным отказам. В различных случаях неудачной перестановки величины и фазы трехфазных токов существенно различаются. Неудачная перестановка обычно характеризуется двумя фазами с относительно схожими токами заземления, в то время как ток в другой фазе значительно меньше — обычно около половины наименьшего тока заземления в двух других фазах.

(1) Попадание воды в коробку

Когда вода попадает в коробку перекрестного соединения, вода внутри создает низкое сопротивление заземления, и соединение между внутренней и внешней водой эффективно обеспечивает прямой путь заземления для тока. Как показано на рисунке ниже, прямое заземление происходит в точке a, b или c.

Продолжительные осадки могут привести к длительному накоплению воды в коробках перекрестного соединения кабельных каналов. Особенно, когда обе коробки затоплены, ток заземления легко может достичь сотен ампер, вызывая внезапный скачок тока оболочки и быстрый рост внутренней температуры кабеля. Когда затоплена только одна коробка, трехфазные токи в затронутой петле показывают небольшие различия и увеличиваются примерно в 2,5 раза по сравнению с нормальными, безаварийными условиями.

(2) Обрыв коаксиального кабеля

Линии, использующие метод перекрестного заземления, обычно длиннее 1 км. Если коаксиальный кабель обрывается, на месте обрыва может возникнуть напряжение более ста вольт, представляющее значительную угрозу для линии. Это также препятствует формированию замкнутого контура из связанных металлических оболочек, что останавливает ток петли в оболочке.

IV. Типичные примеры аномального тока заземления петли кабеля

Определенная линия 110 кВ представляет собой гибридную воздушно-кабельную линию. Модель кабеля YJLW03-64/110-1×800 мм². Линия была введена в эксплуатацию в сентябре 2014 года и имеет длину около 1220 метров. 27 декабря 2016 года система заземления кабеля была изменена на метод перекрестного заземления. Полностью перекрестно соединенный участок состоит из подстанции, коробки №1, коробки №2 и внешней опоры. Коробки №1 и №2 являются коробками перекрестного соединения, тогда как все остальные точки заземлены напрямую. Результаты измерений тока заземления петли приведены в таблице ниже:

Согласно пункту 5.2.3 Q/GDW 11316 "Регламент испытаний линий электропередачи": отношение тока заземления петли к нагрузочному току должно быть менее 20%; отношение максимального к минимальному однофазному току заземления петли должно быть менее 3. Когда нагрузочный ток составляет 57,8 А, токи оболочки фаз A, B и C на станционной коробке прямого заземления, коробке №1 и коробке №2 значительно превышают требования, указанные в регламенте. Кроме того, отношение максимального к минимальному однофазному току заземления петли (37,6/9,7 = 3,88) также превышает 3.

На основе анализа данных измерений тока заземления петли в таблице выше: ток заземления петли фазы A в колодце №1 составляет 38,2 А, что соответствует току заземления петли фазы C 37,6 А в колодце №2; ток заземления петли фазы B в колодце №1 составляет 28,5 А, что соответствует току заземления петли фазы A 32,7 А в колодце №2; ток заземления петли фазы C в колодце №1 составляет 10,2 А, что соответствует току заземления петли фазы B 9,7 А в колодце №2. Трехфазные токи заземления петли протекают по следующим путям: ток заземления петли фазы A не проходит через броню фазы B, ток заземления петли фазы B не проходит через броню фазы C, и ток заземления петли фазы C не проходит через броню фазы A, как показано на рисунке и в таблице ниже.

При осмотре на месте было обнаружено, что внутренняя конфигурация перекрестного соединения в коробке заземления колодца обслуживания кабеля №1 является "ABC to BCA", с последовательностью фаз A, B, C. Внутренняя конфигурация перекрестного соединения в коробке заземления колодца №2 является "ABC to CAB", также с последовательностью фаз A, B, C. На защитных элементах оболочки кабеля и изоляционных компонентах не было обнаружено признаков влаги или повреждений от нагрева. Эти данные показаны на рисунках ниже, соответственно:

Таким образом, причина аномального тока заземления петли в этом участке кабеля 110 кВ XX заключается в неправильной коммутации медных шин внутри коробок перекрестного соединения, что не позволило металлическим оболочкам кабеля достичь фактического перекрестного соединения. Это привело к избыточному току заземления петли в местном перекрестно соединенном участке.

После исправления конфигурации коммутации, ток заземления петли кабеля соответствует требованиям Q/GDW 11316-2014 "Регламент испытаний линий электропередачи".