Analys av orsaker till avvikelser i jordningscirkulation för högspänningskabler och typfall

I. Introduktion till jordningsloopström i kabel

Kabler med en spänningsklass på 110 kV och över använder en enkärnig struktur. Den alternerande magnetfältet som genereras av driftströmmen inducerar en spänning på den metalliska skyddsmanteln. Om skyddsmanteln bildar en stängd circuit genom marken kommer en jordningsloopström att flöda i den metalliska skyddsmanteln. För hög jordningsloopström (loopström över 50 A, mer än 20% av belastningsströmmen, eller ett förhållande mellan maximalt och minimalt fasströmmer större än 3) påverkar inte bara kablens ampacitet och livslängd, utan allvarlig uppvärmning från strömmen kan bränna jordningsledningar eller jordningsboxar. Om sådana problem inte åtgärdas snabbt kan det utlösa allvarliga elnätshaverier.

II. Faktorer som påverkar jordningsloopström i kabel

De huvudsakliga faktorerna som påverkar jordningsloopström i kabel är följande:

• Kontaktfriktion i kabelDålig svetsning eller dåliga anslutningar som ökar kontaktfriktionen i en fas kommer att minska jordningsloopströmmen i den fasen betydligt. Dock minskar inte nödvändigtvis loopströmmarna i de andra två faserna motsvarande. När friktionen ökar, minskar inte heller den totala jordningsströmmen nödvändigtvis.

• JordningsmotståndNär summan av jordningsmotståndet och markreturvägens motstånd ökar, minskar jordningsloopströmmen i varje fas. Men alltför högt jordningsmotstånd kan leda till dålig kontakt vid jordningspunkten, vilket resulterar i uppvärmning och effektavbrott.

• Jordningsmetod för kabelFör att begränsa den inducerade spänningen på kabelns metalliska skyddsmantel använder högspänningskabler vanligtvis jordningsmetoder som enpunktjordning, båda ändars jordning eller korskoppling för skyddsmanteln eller skärmen. För längre högspänningskabellinjer är korskopplingsmetoden effektiv för att begränsa jordningsloopström.

Här är Ia, Ib och Ic strömvärdena som flödar genom metalliska skyddsmantlar för faserna A, B och C i högspänningskablar, respektive; Ie är strömmen som flödar genom markreturvägen; Rd är det ekvivalenta motståndet i markreturvägen, och Rd1 och Rd2 är jordningsmotstånden vid båda ändarna av kabelskyddsmanteln. Under normala omständigheter kan driftströmmarna i de trefasiga kablerna antas vara lika stora. Genom att utnyttja fasförskjutningen mellan de trefasiga strömmarna kan de inducerade spänningarna inuti en fullständig korskopplad sektion neutraliseras, vilket syftar till att reducera jordningsloopström.

(1) Kabellängder, kabellägen och fasskillnad

Kabler använder generellt en korskopplingsjordningsmetod för att minska jordningsloopström. I ingenjörspraxis för kabelläggning är det vanligt att individuella segment av skyddsmantelkorskoppling har olika längder och olika konfigurationer. Vid samma ledarström är den inducerade spänningen per enhetslängd på metalliska skyddsmantlar för horisontellt eller vertikalt placerade kablar högre än för kablar placerade i en rätttriangulär konfiguration. Därför hjälper det i ojämna segmentlängder att använda triangulär placering (som ger lägre inducerad spänning) för längre kabelsegment och horisontell eller vertikal placering (som ger högre inducerad spänning) för kortare segment för att reducera den totala inducerade spänningen i de längre segmenten. Genom att välja lämplig placering för varje undersegment kan den spänningsobalans som orsakas av skillnader i kabellängd balanseras, vilket minskar mantelloopström.

III. Analys av avvikande jordningsloopström i kabel

En transpositionsfel kommer att resultera i förlust av en strömsvektor i en riktning, vilket leder till en betydande ökning av skyddsmantels jordningsström, vilket slutligen kan leda till driftfel. I olika transpositionsfall skiljer sig magnituderna och faserna av de trefasiga strömmarna betydligt. Ett transpositionsfel kännetecknas ofta av att två faser har relativt liknande jordningsströmmar, medan strömmen i den tredje fasen är betydligt mindre—vanligtvis ungefär hälften av den minsta jordningsströmmen i de andra två faserna.

(1) Vattenintrång i lådan

När vatten tränger in i en korskopplingskontaktlåda skapar vattnet inuti en låg jordningsmotstånd, och anslutningen mellan internt och externt vatten ger effektivt en direkt jordningsväg för strömmen. Som visas i figuren nedan inträffar en direkt jordning vid punkt a, b eller c.

Långvarig regn kan leda till långvarig vattenackumulering i kabelläge korskopplingslådor. Särskilt när båda lådorna är översvämmade kan jordningsströmmen enkelt nå hundratals amper, vilket leder till en plötslig ökning av mantelström och en snabb temperaturökning inuti kablen. När endast en låda är översvämmad visar de trefasiga strömmarna i den berörda loopen lindriga skillnader och ökar med cirka 2,5 gånger jämfört med normala, icke-felaktiga förhållanden.

(2) Brytning av koaxialkabel

Linjer som använder korskopplingsjordning är vanligtvis längre än 1 km. Om koaxialkabeln bryts kan en spänning på över hundra volt genereras vid brytpunkten, vilket utgör en betydande hotbild för linjen. Det hindrar också de associerade metalliska skyddsmantlarna från att forma en stängd loop, vilket stoppar loopström från att flöda i skyddsmanteln.

IV. Typiska fallstudier av avvikande jordningsloopström i kabel

En viss 110 kV-linje är en hybrid luftlednings-kabellinje. Kabelmodellen är YJLW03-64/110-1×800 mm². Linjen kom i drift i september 2014 och är ungefär 1220 meter lång. Den 27 december 2016 ändrades kabelfjärrjordningssystemet för att använda en korskopplingsjordningsmetod. Den fullständiga korskopplade sektionen består av understationen, Låda #1, Låda #2 och den externa transporttornet. Låda #1 och Låda #2 är korskopplingslådor, medan alla andra punkter är direkt jordade. De mätta resultaten av jordningsloopström visas i tabellen nedan:

Enligt paragraf 5.2.3 i Q/GDW 11316 "Testregler för elkabellinjer": förhållandet mellan jordningsloopström och belastningsström skall vara mindre än 20%; förhållandet mellan den maximala och minimala ensidiga jordningsloopströmmen skall vara mindre än 3. När belastningsströmmen är 57,8 A överstiger skyddsmantelströmmarna i faserna A, B och C vid stationens direkta jordningslåda, Låda #1 och Låda #2 kraven som fastställs i reglerna. Dessutom är förhållandet mellan den maximala och minimala ensidiga jordningsloopströmmen (37,6/9,7 = 3,88) också större än 3.

Baserat på analysen av de mätta jordningsloopströmsdata i tabellen ovan: A-fasens jordningsloopström i Manhole #1 är 38,2 A, vilket motsvarar C-fasens jordningsloopström på 37,6 A i Manhole #2; B-fasens jordningsloopström i Manhole #1 är 28,5 A, vilket motsvarar A-fasens jordningsloopström på 32,7 A i Manhole #2; C-fasens jordningsloopström i Manhole #1 är 10,2 A, vilket motsvarar B-fasens jordningsloopström på 9,7 A i Manhole #2. De trefasiga jordningsloopströmmarna flödar genom följande vägar: A-fasens jordningsloopström flödar inte genom B-fasens pansar, B-fasens jordningsloopström flödar inte genom C-fasens pansar, och C-fasens jordningsloopström flödar inte genom A-fasens pansar, som illustreras i figuren och tabellen nedan.

Platsinspektion avslöjade att den interna korskopplingskonfigurationen i jordningslådan för Kabellagning Manhole #1 är "ABC till BCA", med fassekvens A, B, C. Den interna korskopplingskonfigurationen i jordningslådan för Manhole #2 är "ABC till CAB", även med fassekvens A, B, C. Inga tecken på fuktighet eller bränning hittades på kabellämnets skyddselement eller isoleringskomponenter. Detta visas i figurerna nedan, respektive:

Därför är orsaken till den avvikande jordningsloopströmmen i denna 110 kV XX-linje kabelsektion felaktig kablingskonfiguration av kopparbussarna inuti korskopplingslådorna, vilket hindrade kabellämnets yttre skyddsmantlar från att uppnå faktisk korskoppling. Detta resulterade i för hög jordningsloopström i den lokala korskopplade sektionen.

Efter korrigering av kablingskonfigurationen uppfyller kablens jordningsloopström kraven enligt Q/GDW 11316-2014 "Testregler för elkabellinjer".