Analiza neobičnih uzroka cikliranja zemljišta visokonaponskog kabela i tipični slučajevi

I. Uvod u zemljušni strujni petlju kablova

Kablovi visokog napona od 110 kV i više koriste jednokorenu strukturu. Alternativno magnetno polje generisano radnom strujom indukuje napon na metalnoj omotaci. Ako se omotica zatvori putem zemlje, zemljušna strujna petlja će teći kroz metalnu omotu. Prekomerna zemljušna strujna petlja (struja veća od 50 A, preko 20% radne struje, ili omjer maksimalne i minimalne fazne struje veći od 3) ne samo što utiče na kapacitet kabla i vijek trajanja, ali i jako zagrijavanje od struje može spaliti zemljušne žice ili kutije za zemljenje. Ako se takve probleme ne reše pravo vremena, mogu dovesti do ozbiljnih električnih mrežnih nesreća.

II. Faktori koji utiču na zemljušnu strujnu petlju kablova

Glavni faktori koji utiču na zemljušnu strujnu petlju kablova su sljedeći:

• Kontaktni otpor kablaLošo zavarivajuće spojeve ili loše vezivanje koje povećava kontaktni otpor u jednoj fazi značajno smanjuje zemljušnu strujnu petlju u toj fazi. Međutim, strujne petlje u drugim dvema fazama ne nužno se smanjuju proporcionalno. Kako se otpor povećava, ukupna zemljušna struja ne nužno pada.

• Otpor zemljenjaKao što se zbir otpora zemljenja i otpora povratnog puta zemljom povećava, zemljušna strujna petlja u svakoj fazi opada. Međutim, previsoki otpor zemljenja može dovesti do lošeg kontakta na mjestu zemljenja, što dovodi do zagrijavanja i gubitaka snage.

• Metoda zemljenja kablaDa bi se ograničio inducirani napon na metalnoj omotaci kabla, visokonaponski kablovi obično koriste metode zemljenja poput zemljenja u jednoj tački, zemljenja na oba kraja ili presjekivanja za omotu ili ekran. Za duže linije visokonaponskih kablova, metoda presjekivanja je efikasna u ograničavanju zemljušne strujne petlje.

U ovome, Ia, Ib i Ic predstavljaju vrijednosti struja koje teku kroz metalne omotke faza A, B i C visokonaponskih kablova, redom; Ie je struja koja teče kroz povratni put zemljom; Rd je ekvivalentni otpor povratnog puta zemljom, a Rd1 i Rd2 su otpori zemljenja na oba kraja omotke kabla. Pod normalnim uvjetima, radne struje tri faze kabla mogu se pretpostaviti jednake po veličini. Koristeći faznu razliku između struja tri faze, inducirani naponi unutar cijele presječene sekcije mogu biti neutralizovani, time ostvarujući cilj smanjenja zemljušne strujne petlje.

(1) Dužine segmenata kabla, metode rasporeda kabla i razmak između faza

Kablovi obično koriste metodu presjekivanja zemljenja da bi smanjili zemljušnu strujnu petlju. U inženjerskoj praksi postavljanja kablove kanalice, često se pojedinačni segmenti presjekivanja omotke imaju različite dužine i različite konfiguracije rasporeda. Pod istom strujom vodilja, inducirani napon na metalnoj omotci horizontalno ili vertikalno raspoređenih kablova po jedinici dužine je veći nego kod kablova raspoređenih u pravouglom trouglu. Stoga, u nejednakim dužinama segmentiranih kablova, korištenje trougaonog rasporeda (koji proizvodi niži inducirani napon) za duže segmente kabla i horizontalnog ili vertikalnog rasporeda (koji proizvodi veći inducirani napon) za kraće segmente pomaže u smanjenju ukupnog induciranog napona u dužim segmentima. Odgovarajući izbor rasporeda za svaki podsegment može balansirati nesimetriju napona uzrokovanu razlikama u duljinama kabla, time smanjujući strujnu petlju omotke.

III. Analiza anormalne zemljušne strujne petlje kabla

Neuspjeh transpozicije rezultira gubitkom vektora struje u jednom smjeru, što dovodi do značajnog porasta strujne petlje omotke, što može dovesti do operativnih grešaka. U različitim scenarijima neuspjeha transpozicije, magnituda i faze struja tri faze značajno se razlikuju. Neuspjeh transpozicije obično se karakteriše sa dve faze koje imaju relativno slične zemljušne struje, dok je struja u trećoj fazi značajno manja—obično oko polovine najmanje zemljušne struje u drugim dvema fazama.

(1) Ulazak vode u kutiju

Kada voda uđe u kutiju za presjekivanje, voda unutar kutije stvara niski otpor zemljenja, a povezanost unutrašnjeg i vanjskog voda efektivno pruža direktnu putanju zemljenja za struju. Kao što je prikazano na slici ispod, direktno zemljenje se događa u tački a, b ili c.

Prolazni padovi mogu dovesti do dugotrajnog akumuliranja vode u kutijama za presjekivanje u kablovima. Posebno kada su obe kutije poplavljene, zemljušna struja lako može doseći stotine ampera, što dovodi do naglog porasta strujne petlje omotke i brzog porasta interne temperature kabla. Kada je poplavljena samo jedna kutija, struje tri faze u dotičnoj petlji pokazuju malu razliku i povećavaju se približno 2,5 puta u odnosu na normalne, bezgrešne uvjete.

(2) Pucanje koaksijalnog kabela

Linije koje koriste metodu presjekivanja zemljenja obično su duže od 1 km. Ako se koaksijalni kabel pukne, u tački pucanja može se generirati napon preko stotina volti, što predstavlja značajan rizik za liniju. Takođe, sprečava formiranje zatvorene petlje odgovarajućih metalnih omotaka, čime se zaustavlja tok strujne petlje u omotci.

IV. Tipični slučajevi anormalne zemljušne strujne petlje kabla

Određena 110 kV linija je hibridna linija nadzemnih i podzemnih kablova. Model kabla je YJLW03-64/110-1×800 mm². Linija je upućena u pogon u septembru 2014. godine i ima dužinu približno 1220 metara. 27. decembra 2016. godine, sistem zemljenja kabla je modifikovan na metodu presjekivanja zemljenja. Kompletan presječeni segment sastoji se od podstacione, Kutije #1, Kutije #2 i vanjske prenosne toranj. Kutije #1 i #2 su kutije za presjekivanje, dok su sve ostale tačke direktno zemljenje. Rezultati merenja zemljušne strujne petlje prikazani su u tablici ispod:

Prema stavu 5.2.3 Q/GDW 11316 "Regulativa za testiranje linija visokonaponskih kablova": omjer zemljušne strujne petlje i radne struje treba da bude manji od 20%; omjer maksimalne i minimalne jednofazne zemljušne strujne petlje treba da bude manji od 3. Kada je radna struja 57.8 A, struje omotke faza A, B i C u kutiji direktnog zemljenja stanice, Kutiji #1 i Kutiji #2, svi značajno prevazilaze zahtjeve propisanima. Takođe, omjer maksimalne i minimalne jednofazne zemljušne strujne petlje (37.6/9.7 = 3.88) takođe je veći od 3.

Na osnovu analize podataka o merenju zemljušne strujne petlje u gornjoj tablici: zemljušna strujna petlja faze A u Luku #1 je 38.2 A, što odgovara zemljušnoj strujnoj petlji faze C od 37.6 A u Luku #2; zemljušna strujna petlja faze B u Luku #1 je 28.5 A, što odgovara zemljušnoj strujnoj petlji faze A od 32.7 A u Luku #2; zemljušna strujna petlja faze C u Luku #1 je 10.2 A, što odgovara zemljušnoj strujnoj petlji faze B od 9.7 A u Luku #2. Struje tri faze teku kroz sljedeće puteve: zemljušna strujna petlja faze A ne teče kroz oklop faze B, zemljušna strujna petlja faze B ne teče kroz oklop faze C, a zemljušna strujna petlja faze C ne teče kroz oklop faze A, kao što je prikazano na slici i u tablici ispod.

Na terenu je utvrđeno da je unutarnja konfiguracija presjekivanja u kutiji za zemljenje u Održavanju kabla u Luku #1 "ABC do BCA", sa faznim redoslijedom A, B, C. Unutarnja konfiguracija presjekivanja u kutiji za zemljenje u Luku #2 je "ABC do CAB", također sa faznim redoslijedom A, B, C. Nisu pronađeni znaci vlage ili opeklini na zaštitnim elemenatima omotke kabla ili izolacijskim komponentama. To je prikazano na slikama ispod, redom:

Stoga, uzrok anormalne zemljušne strujne petlje u ovom 110 kV XX liniji kabla je netočno vezivanje bakrenih šinica unutar kutija za presjekivanje, što je sprečilo da se vanjske omotke kabla zapravo presjeknu. To je rezultiralo prekomernom zemljušnom strujnom petljom u lokalnom presječenom segmentu.

Nakon ispravljanja konfiguracije vezivanja, zemljušna strujna petlja kabla odgovara zahtjevima Q/GDW 11316-2014 "Regulativa za testiranje linija visokonaponskih kablova".