Phân tích nguyên nhân bất thường của dòng tiếp đất cáp điện áp cao và các trường hợp điển hình

I. Giới thiệu về Dòng Điện Vòng Đất Cáp

Cáp có điện áp định mức 110 kV và cao hơn sử dụng cấu trúc một lõi. Từ trường xoay chiều do dòng điện hoạt động tạo ra gây ra điện áp trên vỏ kim loại. Nếu vỏ kim loại tạo thành mạch kín thông qua đất, dòng điện vòng đất sẽ chảy trên vỏ kim loại. Dòng điện vòng đất quá mức (dòng điện vòng vượt quá 50 A, hơn 20% của dòng điện tải, hoặc tỷ lệ giữa dòng điện pha lớn nhất và nhỏ nhất lớn hơn 3) không chỉ ảnh hưởng đến khả năng tải và tuổi thọ của cáp, mà nhiệt độ tăng cao do dòng điện còn có thể làm cháy dây nối đất hoặc hộp nối đất. Không khắc phục kịp thời các vấn đề này có thể gây ra tai nạn lưới điện nghiêm trọng.

II. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng đến Dòng Điện Vòng Đất Cáp

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến dòng điện vòng đất cáp là như sau:

• Điện Trở Tiếp Xúc của CápHàn kém hoặc kết nối xấu làm tăng điện trở tiếp xúc ở một pha sẽ giảm đáng kể dòng điện vòng đất trong pha đó. Tuy nhiên, dòng điện vòng trong hai pha khác không chắc chắn sẽ giảm theo. Khi điện trở tăng, tổng dòng điện vòng đất không chắc chắn sẽ giảm.

• Điện Trở Nối ĐấtKhi tổng của điện trở nối đất và điện trở đường đi qua đất tăng lên, dòng điện vòng đất trong mỗi pha giảm. Tuy nhiên, điện trở nối đất quá cao có thể gây ra tiếp xúc kém tại điểm nối đất, dẫn đến hiện tượng nóng và mất công suất.

• Phương Pháp Nối Đất CápĐể hạn chế điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại của cáp, cáp điện áp cao thường sử dụng các phương pháp nối đất như nối đất một điểm, nối đất cả hai đầu, hoặc chéo nối cho vỏ hoặc màn chắn. Đối với các tuyến cáp điện áp cao dài, phương pháp chéo nối hiệu quả trong việc hạn chế dòng điện vòng đất.

Trong đó, Ia, Ib, và Ic là các giá trị dòng điện chảy qua vỏ kim loại của cáp điện áp cao pha A, B, và C tương ứng; Ie là dòng điện chảy qua đường đi qua đất; Rd là điện trở tương đương của đường đi qua đất, và Rd1 và Rd2 là điện trở nối đất ở cả hai đầu của vỏ cáp. Trong điều kiện bình thường, dòng điện hoạt động của ba pha cáp có thể được giả định bằng nhau về độ lớn. Bằng cách tận dụng sự chênh lệch pha giữa ba dòng điện pha, điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại trong một đoạn chéo nối hoàn chỉnh có thể bị triệt tiêu, từ đó đạt được mục đích giảm dòng điện vòng đất.

(1) Độ Dài Đoạn Cáp, Phương Pháp Sắp Xếp Cáp, và Khoảng Cách Giữa Các Pha

Cáp thường sử dụng phương pháp nối đất chéo để giảm dòng điện vòng đất. Trong thực tế kỹ thuật lắp đặt ống cáp, các đoạn cáp chéo nối riêng lẻ thường có độ dài và cấu hình sắp xếp khác nhau. Với cùng dòng điện dẫn, điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại cho mỗi đơn vị chiều dài của cáp sắp xếp ngang hoặc dọc cao hơn so với cáp sắp xếp theo hình tam giác phải. Do đó, trong các đoạn cáp có độ dài khác nhau, sử dụng sắp xếp tam giác (tạo ra điện áp cảm ứng thấp hơn) cho các đoạn cáp dài hơn và sắp xếp ngang hoặc dọc (tạo ra điện áp cảm ứng cao hơn) cho các đoạn cáp ngắn hơn giúp giảm tổng điện áp cảm ứng trong các đoạn dài. Bằng cách chọn cấu hình sắp xếp phù hợp cho từng đoạn con, sự mất cân bằng điện áp do sự khác biệt về độ dài cáp có thể được cân bằng, từ đó giảm dòng điện vòng vỏ.

III. Phân Tích Dòng Điện Vòng Đất Cáp Bất Thường

Sự cố chuyển vị sẽ dẫn đến mất một vector dòng điện theo một hướng, gây tăng đáng kể dòng điện vòng vỏ, cuối cùng có thể dẫn đến sự cố vận hành. Trong các tình huống chuyển vị khác nhau, cường độ và pha của ba dòng điện pha khác nhau đáng kể. Sự cố chuyển vị thường được đặc trưng bởi hai pha có dòng điện nối đất tương đối giống nhau, trong khi dòng điện trong pha còn lại nhỏ hơn nhiều—thường khoảng một nửa dòng điện nối đất nhỏ nhất trong hai pha còn lại.

(1) Nước Lọt vào Hộp

Khi nước lọt vào hộp nối chéo, nước bên trong tạo ra điện trở nối đất thấp, và kết nối giữa nước bên trong và bên ngoài cung cấp một đường nối đất trực tiếp cho dòng điện. Như được hiển thị trong hình dưới đây, nối đất trực tiếp xảy ra tại điểm a, b, hoặc c.

Mưa kéo dài có thể dẫn đến tích tụ nước lâu dài trong các hộp nối chéo của hào cáp. Đặc biệt, khi cả hai hộp đều bị ngập, dòng điện nối đất có thể dễ dàng đạt hàng trăm ampe, gây ra sự gia tăng đột ngột của dòng điện vỏ và nhiệt độ nội bộ cáp tăng nhanh. Khi chỉ có một hộp bị ngập, dòng điện ba pha trong vòng bị ảnh hưởng có sự khác biệt nhỏ và tăng khoảng 2,5 lần so với điều kiện bình thường, không có sự cố.

(2) Sự Cứt Cáp Đồng Trục

Các đường dây sử dụng phương pháp nối đất chéo thường dài hơn 1 km. Nếu cáp đồng trục bị đứt, có thể tạo ra điện áp hơn một trăm volt tại điểm đứt, gây mối đe dọa đáng kể cho đường dây. Nó cũng ngăn chặn các vỏ kim loại liên quan tạo thành một vòng kín, do đó dừng dòng điện vòng chảy trong vỏ.

IV. Các Trường Hợp Nghiên Cứu Điển Hình về Dòng Điện Vòng Đất Cáp Bất Thường

Một đường dây 110 kV cụ thể là đường dây lai treo và cáp. Mô hình cáp là YJLW03-64/110-1×800 mm². Đường dây được đưa vào sử dụng vào tháng 9 năm 2014 và dài khoảng 1220 mét. Ngày 27 tháng 12 năm 2016, hệ thống nối đất của cáp được sửa đổi để sử dụng phương pháp nối đất chéo. Đoạn chéo nối hoàn chỉnh bao gồm trạm, Hộp #1, Hộp #2, và tháp truyền tải bên ngoài. Hộp #1 và Hộp #2 là các hộp nối chéo, trong khi tất cả các điểm khác được nối đất trực tiếp. Kết quả đo dòng điện vòng đất được hiển thị trong bảng dưới đây:

Theo điều 5.2.3 của Q/GDW 11316 "Quy Định Thử Nghiệm Đường Dây Cáp Điện": tỷ lệ giữa dòng điện vòng đất và dòng điện tải phải nhỏ hơn 20%; tỷ lệ giữa dòng điện vòng đất pha lớn nhất và nhỏ nhất phải nhỏ hơn 3. Khi dòng điện tải là 57,8 A, dòng điện vỏ của các pha A, B, và C tại hộp nối đất trực tiếp của trạm, Hộp #1, và Hộp #2 đều vượt quá yêu cầu quy định. Hơn nữa, tỷ lệ giữa dòng điện vòng đất pha lớn nhất và nhỏ nhất (37,6/9,7 = 3,88) cũng lớn hơn 3.

Dựa trên phân tích dữ liệu dòng điện vòng đất được đo trong bảng trên: dòng điện vòng đất pha A trong Hố #1 là 38,2 A, tương ứng với dòng điện vòng đất pha C là 37,6 A trong Hố #2; dòng điện vòng đất pha B trong Hố #1 là 28,5 A, tương ứng với dòng điện vòng đất pha A là 32,7 A trong Hố #2; dòng điện vòng đất pha C trong Hố #1 là 10,2 A, tương ứng với dòng điện vòng đất pha B là 9,7 A trong Hố #2. Dòng điện vòng đất ba pha chảy theo các đường sau: dòng điện vòng đất pha A không chảy qua vỏ pha B, dòng điện vòng đất pha B không chảy qua vỏ pha C, và dòng điện vòng đất pha C không chảy qua vỏ pha A, như được minh họa trong hình và bảng dưới đây.

Kiểm tra tại chỗ cho thấy cấu hình nối chéo nội bộ trong hộp nối đất của Hố Bảo Trì Cáp #1 là "ABC to BCA", với thứ tự pha A, B, C. Cấu hình nối chéo nội bộ trong hộp nối đất của Hố #2 là "ABC to CAB", cũng với thứ tự pha A, B, C. Không tìm thấy dấu hiệu ẩm ướt hoặc cháy hỏng trên các bộ bảo vệ vỏ cáp hoặc các thành phần cách điện. Điều này được hiển thị trong các hình dưới đây, tương ứng:

Do đó, nguyên nhân của dòng điện vòng đất bất thường trong đoạn cáp 110 kV XX là do đấu nối sai của thanh đồng bên trong các hộp nối chéo, khiến vỏ ngoài cáp không thực hiện được việc nối chéo thực sự. Điều này dẫn đến dòng điện vòng đất quá mức trong đoạn nối chéo cục bộ.

Sau khi sửa chữa cấu hình đấu nối, dòng điện vòng đất của cáp tuân thủ yêu cầu của Q/GDW 11316-2014 "Quy Định Thử Nghiệm Đường Dây Cáp Điện".