Analiza nenormalnih vzrokov zazemljenja kržnega toka visokonapetostne kablage in tipični primeri

I. Uvod v zemeljsko zanke struje v kabelih

Kabli z napetostjo 110 kV in višjo uporabljajo enojnožarno strukturo. Nihanje magnetskega polja, ki ga ustvari delovni tok, inducira napetost na metalni omotnici. Če omotnica tvori zaprto krožnico skozi tla, bo po metalni omotnici tečla zemeljska zankna struja. Prevelika zemeljska zankna struja (zankna struja večja od 50 A, več kot 20 % delovnega toka ali razmerje med največjim in najmanjšim faznim tokom večje od 3) ne le vpliva na prenosno zmogljivost in življenjsko dobo kabla, ampak tudi močno segreva zaradi toka lahko pokvari zemeljske druti ali zemeljske škatle. Nepravilno odpravljanje takšnih problemov lahko povzroči resne nesreče v električnem omrežju.

II. Faktorji, ki vplivajo na zemeljsko zanke struje v kabelih

Glavni faktorji, ki vplivajo na zemeljsko zanke struje v kabelih, so naslednji:

• Kontaktni upor kablaSlaba varnostna zavarovanja ali slabi stiki, ki povečajo kontaktni upor v eni fazi, zelo zmanjšajo zemeljsko zankno struja v tej fazi. Vendar se zankne struje v drugih dveh fazah ne nujno zmanjšajo sorazmerno. S povečanjem upora se skupna zemeljska struja tudi ne nujno zmanjša.

• Zemeljski uporS s povečanjem zemeljskega upora in upora poti preko tla se zemeljska zankna struja v vsaki fazi zmanjša. Vendar lahko prevelik zemeljski upor povzroči slabe stike pri zemeljskem točku, kar vodi v segrevanje in izgube energije.

• Metoda zemeljskega povezovanja za omejevanje inducirane napetosti na metalni omotnici visokonapetostnih kablov se običajno uporabljajo metode, kot so enotočkovno zemeljsko povezovanje, dvotočkovno zemeljsko povezovanje ali prekrivno povezovanje omotnice ali zaslone. Za daljše visokonapetostne kabelske linije je metoda prekrivnega povezovanja učinkovita za omejevanje zemeljske zankne struje.

Med tem so Ia, Ib in Ic vrednosti tokov, ki tečejo skozi metalne omotnice visokonapetostnih kablov A, B in C faze; Ie je tok, ki teče skozi pot preko tla; Rd je ekvivalentni upor poti preko tla, Rd1 in Rd2 pa sta zemeljska upora na koncih omotnice kabla. Pod normalnimi pogoji se lahko predpostavi, da so delovni toki treh faznih kablov enaki po velikosti. Z uporabo faznega razlike med tremi faznimi tokovi se lahko inducirane napetosti na metalnih omotnicah znotraj celotnega prekrivnega odseka izničijo, s tem pa dosežemo namen zmanjševanja zemeljske zankne struje.

(1) Dolžine odsekov kabla, načini postavitve kabla in razmik med fazami

Kabli običajno uporabljajo metodo prekrivnega zemeljskega povezovanja za zmanjševanje zemeljske zankne struje. V inženirskih praksah namestitve kablove ceste je pogosto, da imajo posamezni odseki prekrivnega povezovanja omotnice različne dolžine in različne postavitve. Pri enakem vodilnem toku je inducirana napetost na metalni omotnici za horizontalno ali vertikalno postavljene kablove na enoto dolžine višja kot za kablove postavljene v pravokotni trikotnik. Zato v neenakih dolžinah odsekov kabla pomaga zmanjšati celotno inducirano napetost v daljših odsekih, če za daljše odseke uporabimo trikotniško postavitev (ki proizvaja nižjo inducirano napetost) in za kraje odseke horizontalno ali vertikalno postavitev (ki proizvaja višjo inducirano napetost). Z ustrezno izbiro postavitve za vsak pododsek se lahko uravnovesi napetostna neravnovesja, nastala zaradi razlik v dolžini kabla, s tem pa zmanjša zankno struja v omotnici.

III. Analiza nezgodne zemeljske zankne struje v kablu

Neuspešna transpozicija bo povzročila izgubo toka v eni smeri, kar bo povzročilo značilno povečanje zemeljske zankne struje v omotnici, kar lahko končno vodi v operativne napake. V različnih primerih neuspešne transpozicije se velikosti in fazi treh faznih tokov razlikujejo. Neuspešna transpozicija se običajno karakterizira z relativno podobnima zemeljskima tokoma v dveh fazah, medtem ko je tok v tretji fazi značilno manjši - običajno približno polovica najmanjšega zemeljskega toka v drugih dveh fazah.

(1) Vstop vode v škatlo

Ko voda vstopi v škatlo prekrivnega povezovanja, voda znotraj ustvari nizek zemeljski upor, povezava med notranjim in zunanjim vodo učinkovito zagotavlja neposredni zemeljski potec za tok. Kot je prikazano na spodnjem prikazu, se neposredno zemeljski dogodki pri točkah a, b ali c.

Dolgotrajna deževalna vremena lahko vodi do dolgotrajne nagomilave vode v škatlih prekrivnega povezovanja kablove jare. Še posebej, ko so obe škatli poplavljene, lahko zemeljski tok lako doseže sto amper, kar povzroči nenadno povečanje zankne struje v omotnici in hitro povečanje notranje temperature kabla. Ko je poplavljena le ena škatla, se v zadevnem zanknem zanka razlikujejo le malo in povečajo približno 2,5-krat v primerjavi z normalnimi, breznapaktnimi pogoji.

(2) Poškodba koaksialnega kabla

Linije, ki uporabljajo metodo prekrivnega zemeljskega povezovanja, so običajno daljše od 1 km. Če se koaksialni kabel poškoduje, se lahko pri mestu poškodbe ustvari napetost več kot sto volt, kar predstavlja značilen tveganje za linijo. To tudi prepreči, da bi pripadajoče metalne omotnice ustvarile zaprto zanko, s tem pa prenehajo zankne struje teči v omotnici.

IV. Tipični primeri nezgodne zemeljske zankne struje v kablu

Določena 110 kV linija je mešana vzdušna-kabelska linija. Model kabla je YJLW03-64/110-1×800 mm². Linija je bila vvedena v uporabo leta 2014 in je približno 1220 metrov dolga. 27. decembra 2016 je bila zemeljska sistema kabla spremenjena na metodo prekrivnega zemeljskega povezovanja. Celoten prekriveni odsek sestavlja podstanic, škatla #1, škatla #2 in zunanji prenosni stolp. Škatla #1 in #2 so škatle prekrivnega povezovanja, medtem ko so vse ostale točke neposredno zemeljske. Merjeni rezultati zemeljske zankne struje so prikazani v spodnji tabeli:

Glede na člen 5.2.3 Q/GDW 11316 "Regulativi za testiranje kablove linije": razmerje zemeljske zankne struje in delovnega toka mora biti manjše od 20%; razmerje med največjim in najmanjšim enofaznim zemeljskim zanknim tokom mora biti manjše od 3. Ko je delovni tok 57,8 A, so zankne struje v fazah A, B in C v neposredni zemeljski škatli stanice, škatli #1 in škatli #2 zelo presegajo zahteve, določene v regulativih. Poleg tega je tudi razmerje med največjim in najmanjšim enofaznim zemeljskim zanknim tokom (37,6/9,7 = 3,88) večje od 3.

Na podlagi analize merjenih podatkov zemeljske zankne struje v zgornji tabeli: zemeljska zankna struja faze A v čevlju #1 je 38,2 A, kar odgovarja zemeljski zankni struj faze C 37,6 A v čevlju #2; zemeljska zankna struja faze B v čevlju #1 je 28,5 A, kar odgovarja zemeljski zankni struj faze A 32,7 A v čevlju #2; zemeljska zankna struja faze C v čevlju #1 je 10,2 A, kar odgovarja zemeljski zankni struj faze B 9,7 A v čevlju #2. Tri fazne zemeljske zankne struje tečejo skozi naslednje poti: zemeljska zankna struja faze A ne teče skozi oklop faze B, zemeljska zankna struja faze B ne teče skozi oklop faze C, zemeljska zankna struja faze C ne teče skozi oklop faze A, kot je prikazano na spodnjem prikazu in tabeli.

Na lokaciji je bilo odkrito, da je notranja prekrivna konfiguracija v zemeljski škatli čevlja #1 za vzdrževanje kabla "ABC to BCA", z faznim vrstnim redom A, B, C. Notranja prekrivna konfiguracija v zemeljski škatli čevlja #2 je "ABC to CAB", tudi z faznim vrstnim redom A, B, C. Na zaščitnih elementih kabla ali izolacijskih komponentah ni bilo odkritih znakov vlage ali popečenosti. To je prikazano na spodnjih slikah, tako kot je prikazano:

Torej je vzrok nezgodne zemeljske zankne struje v tem odseku 110 kV XX linije kabla napačna vezava bakrenih busov znotraj škatel prekrivnega povezovanja, ki je preprečila, da bi kabli oklopi dosegli dejansko prekrivno povezovanje. To je vodilo do prekomerne zemeljske zankne struje v lokalnem prekrivenem odseku.

Po popravljanju konfiguracije vezave je zemeljska zankna struja kabla v skladu s standardi Q/GDW 11316-2014 "Regulativi za testiranje kablove linije".