Аналіз причин виникнення аномальних станів у заземленні високовольтного кабелю та типові випадки

I. Вступ до питання заземлення петлі кабелю

Кабелі класу напруги 110 кВ і вище використовують одноядерну структуру. Альтернативне магнітне поле, що утворюється робочим струмом, викликає напругу на металевій оболонці. Якщо оболонка утворює замкнений контур через землю, по металевій оболонці буде протікати струм заземлення. Частковий струм заземлення (струм, який перевищує 50 А, більше 20% від струму навантаження або співвідношення максимального та мінімального фазового струму більше 3) не тільки впливає на пропускну здатність кабелю та термін його служби, але й суттєве нагрівання від струму може спалити дроти заземлення або коробки заземлення. Невідкладне вирішення таких проблем може запобігти серйозним аваріям електромережі.

II. Фактори, що впливають на струм заземлення петлі кабелю

Основні фактори, що впливають на струм заземлення петлі кабелю, такі:

• Контактна опір кабелюПоганий зварювання або погані з'єднання, що збільшують контактний опір однієї фази, значно зменшать струм заземлення цієї фази. Однак, струми заземлення двох інших фаз не обов'язково зменшаться відповідно. При збільшенні опору загальний струм заземлення не обов'язково зменшується.

• Опір заземленняЗбільшення суми опору заземлення та опору шляху повороту через землю призводить до зменшення струму заземлення в кожній фазі. Однак, надто високий опір заземлення може призвести до поганого контакту в точці заземлення, що викликає нагрівання та втрати енергії.

• Метод заземлення кабелюДля обмеження викликаної напруги на металевій оболонці, високонапільні кабелі зазвичай використовують методи заземлення, такі як одноточкове заземлення, заземлення з обох кінців або перехресне з'єднання для оболонки або екрану. Для довших ліній високонапільних кабелів метод перехресного з'єднання ефективний для обмеження струму заземлення петлі.

Серед них, Ia, Ib та Ic - це значення струму, що проходить через металеві оболонки кабелів високого напруги фаз A, B та C відповідно; Ie - це струм, що проходить через шлях повернення через землю; Rd - еквівалентний опір шляху повернення через землю, а Rd1 та Rd2 - опори заземлення на обох кінцях оболонки кабелю. У нормальних умовах робочі струми трьохфазних кабелів можна вважати рівними за величиною. Використовуючи фазову різницю між трьома фазовими струмами, викликані напруги на металевих оболонках в межах повного перехресного з'єднання можна скасувати, таким чином досягаючи мети зменшення струму заземлення петлі.

(1) Довжина сегментів кабелю, методи розташування та відстань між фазами

Зазвичай кабелі використовують метод перехресного з'єднання для зменшення струму заземлення петлі. У інженерній практиці встановлення кабельних каналів типові сегменти перехресного з'єднання мають різні довжини та різні конфігурації розташування. При однаковому струмі провідника, викликана напруга на металевій оболонці горизонтально або вертикально розташованих кабелів на одиницю довжини вища, ніж для кабелів, розташованих у правильній трикутній конфігурації. Тому, у кабелях з різними довжинами сегментів, використання трикутної конфігурації (яка викликає нижчу напругу) для довших секцій кабелю та горизонтальної або вертикальної конфігурації (яка викликає вищу напругу) для коротших секцій допомагає зменшити загальну викликану напругу у довших секціях. Вибираючи відповідний метод розташування для кожного підсегменту, можна збалансувати невідповідності в напрузі, що викликаються різницею у довжині кабелю, таким чином зменшуючи струм заземлення оболонки.

III. Аналіз аномального струму заземлення петлі кабелю

Помилка перехресного з'єднання призведе до втрати вектора струму в одному напрямку, що призведе до значного збільшення струму заземлення оболонки, що може в кінцевому підсумку призвести до аварійних ситуацій. У різних сценаріях помилки перехресного з'єднання, величина та фаза трьохфазних струмів відрізняються значно. Помилка перехресного з'єднання характеризується тим, що два фазові струми мають відносно схожі струми заземлення, тоді як струм іншої фази значно менший - зазвичай приблизно половина найменшого струму заземлення з двох інших фаз.

(1) Проникнення води в коробку

Коли вода потрапляє в коробку перехресного з'єднання, вода всередині створює низький опір заземлення, а з'єднання внутрішньої та зовнішньої води ефективно забезпечує прямий шлях заземлення для струму. Як показано на малюнку нижче, пряме заземлення відбувається в точках a, b або c.

Тривалі опади можуть призвести до довготривалого збирання води в коробках перехресного з'єднання кабельних каналів. Зокрема, коли обидві коробки затоплені, струм заземлення може легко досягти сотень ампер, що призведе до гострого зростання струму оболонки та швидкого підвищення внутрішньої температури кабелю. Коли затоплена лише одна коробка, струми трьох фаз в порушеної петлі показують невеликі відмінності та збільшуються приблизно в 2,5 рази порівняно з нормальними, неаварійними умовами.

(2) Переріз коаксіального кабелю

Лінії, що використовують метод перехресного з'єднання для заземлення, зазвичай довші за 1 км. Якщо коаксіальний кабель перерізається, в точці перерізу може утворитися напруга понад сто вольт, що становить значну загрозу для лінії. Це також заважає пов'язаним металевим оболонкам утворити замкнений контур, що припиняє потік петлевого струму в оболонці.

IV. Типові випадки аномального струму заземлення петлі кабелю

Певна лінія 110 кВ є комбінованою лінією з надземними та кабельними частинами. Модель кабелю YJLW03-64/110-1×800 мм². Лінія була запущена в експлуатацію у вересні 2014 року і має довжину приблизно 1220 метрів. 27 грудня 2016 року система заземлення кабелю була модифікована для використання методу перехресного з'єднання. Повна перехресно з'єднана секція складається з підстанції, коробки №1, коробки №2 та зовнішньої опори передачі. Коробки №1 та №2 є коробками перехресного з'єднання, тоді як всі інші точки прямо заземлені. Результати вимірювання струму заземлення петлі показані в таблиці нижче:

Згідно з пунктом 5.2.3 Q/GDW 11316 "Правила випробування ліній електропередач": співвідношення струму заземлення петлі до струму навантаження має бути меншим за 20%; співвідношення максимальної до мінімальної фазової струму заземлення петлі має бути меншим за 3. Коли струм навантаження становить 57.8 А, струми оболонки фаз A, B та C на станції, прямо заземленій коробці, коробці №1 та коробці №2, значно перевищують вимоги, вказані в правилах. Крім того, співвідношення максимальної до мінімальної фазової струму заземлення петлі (37.6/9.7 = 3.88) також більше за 3.

На основі аналізу виміряних даних струму заземлення петлі в таблиці вище: струм заземлення петлі фази A в люкі №1 становить 38.2 А, що відповідає струму заземлення петлі фази C в люку №2, який становить 37.6 А; струм заземлення петлі фази B в люку №1 становить 28.5 А, що відповідає струму заземлення петлі фази A в люку №2, який становить 32.7 А; струм заземлення петлі фази C в люку №1 становить 10.2 А, що відповідає струму заземлення петлі фази B в люку №2, який становить 9.7 А. Струми заземлення петлі трьох фаз проходять наступними шляхами: струм заземлення петлі фази A не проходить через броню фази B, струм заземлення петлі фази B не проходить через броню фази C, а струм заземлення петлі фази C не проходить через броню фази A, як показано на малюнку та в таблиці нижче.

При візуальному огляді виявлено, що внутрішня конфігурація перехресного з'єднання в коробці заземлення люка №1 для обслуговування кабелю є "ABC to BCA", з послідовністю фаз A, B, C. Внутрішня конфігурація перехресного з'єднання в коробці заземлення люка №2 є "ABC to CAB", також з послідовністю фаз A, B, C. На захисних пристроях оболонки кабелю та ізоляційних компонентах не виявлено ознак вологи або пожежних пошкоджень. Це показано на малюнках нижче, відповідно:

Отже, причиною аномального струму заземлення петлі в цьому розділі кабелю 110 кВ XX є неправильне з'єднання медних шин всередині коробок перехресного з'єднання, що не дозволило металевим оболонкам кабелю досягти фактичного перехресного з'єднання. Це призвело до надмірного струму заземлення петлі в локальному перехресно з'єднаному розділі.

Після виправлення конфігурації з'єднання, струм заземлення петлі кабелю відповідає вимогам Q/GDW 11316-2014 "Правила випробування ліній електропередач".