การวิเคราะห์สาเหตุผิดปกติของการไหลเวียนการต่อพื้นดินของสายเคเบิลแรงสูงและกรณีศึกษาที่เป็นแบบอย่าง

I. บทนำเกี่ยวกับวงจรป้อนกลับการต่อกราวด์ของสายเคเบิล

สายเคเบิลที่มีอัตราแรงดัน 110 kV ขึ้นไปใช้โครงสร้างแบบแกนเดียว สนามแม่เหล็กสลับที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในการทำงานจะทำให้เกิดแรงดันบนเปลือกโลหะ หากเปลือกนี้เชื่อมต่อเป็นวงจรป้อนกลับผ่านพื้นดิน กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์จะไหลผ่านเปลือกโลหะ กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ที่มากเกินไป (กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เกิน 50 A หรือมากกว่า 20% ของกระแสโหลด หรืออัตราส่วนระหว่างกระแสเฟสสูงสุดและต่ำสุดมากกว่า 3) ไม่เพียงแต่จะส่งผลกระทบต่อความจุของสายเคเบิลและความยาวชีวิตเท่านั้น แต่ความร้อนจากการไหลของกระแสอาจทำให้สายต่อกราวด์หรือกล่องต่อกราวด์ไหม้ การไม่รีบแก้ไขปัญหาดังกล่าวอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุทางระบบไฟฟ้าที่ร้ายแรงได้

II. ปัจจัยที่มีผลต่อวงจรป้อนกลับการต่อกราวด์ของสายเคเบิล

ปัจจัยหลักที่มีผลต่อวงจรป้อนกลับการต่อกราวด์ของสายเคเบิลคือดังนี้:

• ความต้านทานการต่อสัมผัสของสายเคเบิล การเชื่อมที่ไม่ดีหรือการเชื่อมต่อที่ไม่เหมาะสมที่ทำให้ความต้านทานการต่อสัมผัสในเฟสใดเฟสหนึ่งเพิ่มขึ้น จะลดกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ในเฟสนั้นอย่างมาก แต่กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ในสองเฟสอื่น ๆ ไม่จำเป็นต้องลดลงตามไปด้วย ขณะที่ความต้านทานเพิ่มขึ้น กระแสกราวด์รวมก็ไม่จำเป็นต้องลดลงด้วย

• ความต้านทานการต่อกราวด์ เมื่อความต้านทานการต่อกราวด์และความต้านทานเส้นทางการไหลผ่านพื้นดินเพิ่มขึ้น กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ในแต่ละเฟสจะลดลง แต่ความต้านทานการต่อกราวด์ที่สูงเกินไปอาจทำให้การต่อสัมผัสที่จุดต่อกราวด์ไม่ดี ทำให้เกิดความร้อนและการสูญเสียพลังงาน

• วิธีการต่อกราวด์ของสายเคเบิล เพื่อลดแรงดันที่เกิดขึ้นบนเปลือกโลหะของสายเคเบิลแรงดันสูง สายเคเบิลแรงดันสูงมักใช้วิธีการต่อกราวด์ เช่น การต่อกราวด์จุดเดียว การต่อกราวด์ทั้งสองปลาย หรือการต่อขวางสำหรับเปลือกหรือหน้าจอ สำหรับสายเคเบิลแรงดันสูงที่ยาว การต่อขวางเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการจำกัดกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์

ในนี้ Ia, Ib, และ Ic คือค่ากระแสที่ไหลผ่านเปลือกโลหะของสายเคเบิลแรงดันสูงเฟส A, B, และ C ตามลำดับ; Ie คือกระแสที่ไหลผ่านเส้นทางการไหลผ่านพื้นดิน; Rd คือความต้านทานเทียบเท่าของเส้นทางการไหลผ่านพื้นดิน และ Rd1 และ Rd2 คือความต้านทานการต่อกราวด์ที่ปลายทั้งสองของเปลือกสายเคเบิล ในกรณีปกติ กระแสการทำงานของสายเคเบิลสามเฟสสามารถถือว่าเท่ากัน ด้วยการใช้ความแตกต่างของเฟสระหว่างกระแสสามเฟส แรงดันที่เกิดขึ้นบนเปลือกโลหะภายในส่วนที่ต่อขวางทั้งหมดสามารถยกเลิกกันได้ ทำให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการลดกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์

(1) ความยาวของส่วนสายเคเบิล วิธีการเรียงสายเคเบิล และระยะห่างระหว่างเฟส

สายเคเบิลโดยทั่วไปใช้วิธีการต่อขวางเพื่อลดกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรมสำหรับการติดตั้งสายเคเบิลด้วยท่อ มักพบว่าส่วนต่อขวางของเปลือกแต่ละส่วนมีความยาวและวิธีการเรียงตัวที่แตกต่างกัน ภายใต้กระแสในสายนำที่เท่ากัน แรงดันที่เกิดขึ้นบนเปลือกโลหะต่อหน่วยความยาวสำหรับสายเคเบิลที่เรียงตัวในแนวนอนหรือแนวตั้งจะสูงกว่าสายเคเบิลที่เรียงตัวในรูปสามเหลี่ยมขวา ดังนั้น ในสายเคเบิลที่มีความยาวไม่เท่ากัน การใช้วิธีการเรียงตัวเป็นรูปสามเหลี่ยม (ซึ่งทำให้เกิดแรงดันที่ต่ำกว่า) สำหรับส่วนสายเคเบิลที่ยาว และวิธีการเรียงตัวในแนวนอนหรือแนวตั้ง (ซึ่งทำให้เกิดแรงดันที่สูงกว่า) สำหรับส่วนสายเคเบิลที่สั้น จะช่วยลดแรงดันที่เกิดขึ้นในส่วนที่ยาว โดยการเลือกวิธีการเรียงตัวที่เหมาะสมสำหรับแต่ละส่วนย่อย ความไม่สมดุลของแรงดันที่เกิดจากความยาวของสายเคเบิลที่แตกต่างกันสามารถปรับสมดุลได้ ทำให้ลดกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ของเปลือก

III. การวิเคราะห์กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ของสายเคเบิลที่ผิดปกติ

การเปลี่ยนตำแหน่งที่ผิดพลาดจะทำให้เกิดการสูญเสียเวกเตอร์กระแสในทิศทางหนึ่ง ทำให้กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ของเปลือกเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งอาจนำไปสู่ความผิดปกติในการทำงาน ในสถานการณ์การเปลี่ยนตำแหน่งที่ผิดพลาดที่แตกต่างกัน ขนาดและเฟสของกระแสสามเฟสจะแตกต่างกันอย่างมาก การเปลี่ยนตำแหน่งที่ผิดพลาดมักมีลักษณะที่สองเฟสมีกระแสป้อนกราวด์ที่คล้ายคลึงกัน ในขณะที่กระแสในเฟสอื่น ๆ น้อยกว่ามาก—โดยทั่วไปประมาณครึ่งหนึ่งของกระแสป้อนกราวด์ที่น้อยที่สุดในสองเฟสอื่น ๆ

(1) การเข้าของน้ำในกล่อง

เมื่อน้ำเข้าไปในกล่องต่อขวาง การมีน้ำภายในทำให้มีความต้านทานการต่อกราวด์ต่ำ และการเชื่อมต่อระหว่างน้ำภายในและภายนอกทำให้มีเส้นทางการต่อกราวด์โดยตรงสำหรับกระแส ดังแสดงในรูปด้านล่าง การต่อกราวด์โดยตรงเกิดขึ้นที่จุด a, b หรือ c

ฝนตกนาน ๆ อาจทำให้มีการสะสมน้ำในกล่องต่อขวางของสายเคเบิลในรางเป็นเวลานาน โดยเฉพาะเมื่อทั้งสองกล่องถูกน้ำท่วม กระแสกราวด์สามารถสูงถึงหลายร้อยแอมแปร์ ทำให้กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ของเปลือกเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและอุณหภูมิภายในสายเคเบิลเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อมีเพียงกล่องเดียวที่ถูกน้ำท่วม กระแสสามเฟสในวงจรที่ได้รับผลกระทบจะมีความแตกต่างเล็กน้อยและเพิ่มขึ้นประมาณ 2.5 เท่าเมื่อเทียบกับภาวะปกติที่ไม่มีความผิดปกติ

(2) การขาดสายโคแอกเชียล

สายที่ใช้วิธีการต่อขวางโดยทั่วไปมีความยาวมากกว่า 1 กม. ถ้าสายโคแอกเชียลขาด แรงดันที่เกินกว่าหนึ่งร้อยโวลต์สามารถเกิดขึ้นที่จุดที่ขาด ซึ่งเป็นภัยคุกคามอย่างมากต่อสาย นอกจากนี้ยังทำให้เปลือกโลหะที่เกี่ยวข้องไม่สามารถสร้างวงจรป้อนกลับได้ ทำให้กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์หยุดไหลในเปลือก

IV. กรณีศึกษาที่สำคัญของกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ของสายเคเบิลที่ผิดปกติ

สาย 110 kV บางสายเป็นสายผสมระหว่างสายอากาศและสายเคเบิล รุ่น YJLW03-64/110-1×800 mm² สายถูกใช้งานในเดือนกันยายน 2014 และมีความยาวประมาณ 1220 เมตร วันที่ 27 ธันวาคม 2016 ระบบต่อกราวด์ของสายเคเบิลถูกแก้ไขให้ใช้วิธีการต่อขวาง ส่วนที่ต่อขวางทั้งหมดประกอบด้วยสถานี Box #1, Box #2 และเสาส่งไฟฟ้าภายนอก Box #1 และ Box #2 เป็นกล่องต่อขวาง ในขณะที่จุดอื่น ๆ ต่อกราวด์โดยตรง ผลการวัดกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์แสดงในตารางด้านล่าง:

ตามข้อ 5.2.3 ของ Q/GDW 11316 "กฎระเบียบทดสอบสายเคเบิลไฟฟ้า": อัตราส่วนของกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ต่อกระแสโหลดต้องน้อยกว่า 20%; อัตราส่วนของกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟสเดียวสูงสุดต่อต่ำสุดต้องน้อยกว่า 3 ขณะที่กระแสโหลดเป็น 57.8 A กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ของเฟส A, B, และ C ที่กล่องต่อกราวด์โดยตรงของสถานี Box #1 และ Box #2 ทั้งหมดสูงเกินกว่าที่กำหนดไว้ในกฎระเบียบ นอกจากนี้ อัตราส่วนของกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟสเดียวสูงสุดต่อต่ำสุด (37.6/9.7 = 3.88) ก็สูงกว่า 3

ตามการวิเคราะห์ผลการวัดกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ในตารางด้านบน: กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟส A ใน Manhole #1 เป็น 38.2 A ซึ่งสอดคล้องกับกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟส C 37.6 A ใน Manhole #2; กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟส B ใน Manhole #1 เป็น 28.5 A ซึ่งสอดคล้องกับกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟส A 32.7 A ใน Manhole #2; กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟส C ใน Manhole #1 เป็น 10.2 A ซึ่งสอดคล้องกับกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟส B 9.7 A ใน Manhole #2 กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์สามเฟสไหลผ่านเส้นทางต่อไปนี้: กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟส A ไม่ไหลผ่านเกราะเฟส B กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟส B ไม่ไหลผ่านเกราะเฟส C และกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์เฟส C ไม่ไหลผ่านเกราะเฟส A ดังแสดงในรูปและตารางด้านล่าง

จากการตรวจสอบที่หน้างานพบว่าการต่อขวางภายในกล่องต่อกราวด์ของ Manhole #1 สำหรับการบำรุงรักษาสายเคเบิลคือ "ABC to BCA" ด้วยลำดับเฟส A, B, C การต่อขวางภายในกล่องต่อกราวด์ของ Manhole #2 คือ "ABC to CAB" ด้วยลำดับเฟส A, B, C ไม่พบสัญญาณของความชื้นหรือความเสียหายจากการไหม้บนอุปกรณ์ป้องกันเปลือกสายเคเบิลหรือส่วนประกอบฉนวน ดังแสดงในรูปด้านล่าง:

ดังนั้น สาเหตุของกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ที่ผิดปกติในส่วนสายเคเบิล 110 kV XX คือการต่อสายบัสทองแดงภายในกล่องต่อขวางที่ผิดพลาด ทำให้เปลือกนอกของสายเคเบิลไม่สามารถต่อขวางได้จริง ทำให้เกิดกระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ที่มากเกินไปในส่วนที่ต่อขวางท้องถิ่น

หลังจากแก้ไขการต่อสายแล้ว กระแสป้อนกลับการต่อกราวด์ของสายเคเบิลสอดคล้องกับข้อกำหนดใน Q/GDW 11316-2014 "กฎระเบียบทดสอบสายเคเบิลไฟฟ้า"