Cross-bonding ekranu kabla — dlaczego długie jednożyłowe kable wysokiego napięcia nie uziemia się po prostu na obu końcach

Poradnik o jednostronnym kontra dwustronnym uziemieniu ekranu kabla omawia powszechny kompromis między uziemieniem jednostronnym (zapobiega pętli brumu, ale zapewnia mniejsze ekranowanie wysokoczęstotliwościowe) a uziemieniem dwustronnym (najlepsze ekranowanie EMC, ale może powodować krążący prąd ekranu, który obniża obciążalność prądową). Ten artykuł omawia trzecią, wyspecjalizowaną technikę stosowaną specyficznie na długich jednożyłowych trasach kabli wysokiego napięcia w celu rozwiązania tego problemu prądu ekranu bez akceptowania wad uziemienia jednostronnego: cross-bonding.

Dlaczego uziemienie dwustronne staje się problemem na długiej trasie jednożyłowej

W kablu jednożyłowym prąd przemienny w żyle generuje pole magnetyczne, które poprzez indukcję generuje napięcie w ekranie tego samego kabla — efekt, który staje się silniejszy wraz z wydłużaniem kabla. Jeśli ekran jest uziemiony na obu końcach, to indukowane napięcie zamyka pętlę i napędza krążący prąd ekranu, proporcjonalny do prądu obciążenia w żyle. Na krótkiej trasie kablowej ten prąd ekranu i związane z nim dodatkowe wytwarzanie ciepła są zazwyczaj pomijalne, ale na długiej trasie wysokiego napięcia (myśl kilometry, nie metry) krążący prąd ekranu może osiągnąć znaczącą część prądu żyły, znacznie obniżając efektywną obciążalność prądową kabla i powodując niepożądane dodatkowe straty.

Dlaczego uziemienie jednostronne nie jest zadowalającym rozwiązaniem dla takiej trasy

Uziemienie jednostronne (jak omówiono w poradniku o uziemieniu ekranu kabla) faktycznie rozwiązuje problem prądu krążącego, ale wprowadza nowy problem na długiej trasie wysokiego napięcia: na nieuziemionym końcu narasta, na pełnej długości kabla, indukcyjne napięcie ekranu, które przy długiej trasie i wysokim prądzie roboczym może osiągnąć niebezpiecznie wysoki poziom — znacznie powyżej tego, co jest bezpiecznie dotykalne podczas konserwacji muf lub głowic kablowych.

Zasada cross-bonding: cykliczna transpozycja w krótkich sekcjach

Cross-bonding rozwiązuje oba problemy jednocześnie, dzieląc trasę na krótkie, mniej więcej równe sekcje mniejsze (zazwyczaj trzy sekcje mniejsze tworzą razem jedną sekcję główną) i cyklicznie zamieniając ekran każdej fazy w każdej skrzynce łączeniowej z ekranem następnej fazy:

• W obrębie jednej sekcji głównej ekran każdej fazy jest zatem kolejno łączony z trzema sekcjami mniejszymi, w stałej, cyklicznej kolejności (na przykład R→Y→B→R).
• Ponieważ każda sekcja ekranu fazy dzięki temu "widzi" porównywalną część całkowitego indukowanego napięcia od każdej z trzech faz, wygenerowane napięcia ekranu w dużej mierze wzajemnie się znoszą na pełnej sekcji głównej — podobnie jak transpozycja samych przewodów na napowietrznej linii wysokiego napięcia zmniejsza niezrównoważenie między fazami.
• Tylko na obu końcach pełnej sekcji głównej ekran jest faktycznie uziemiony; w punktach pośrednich (granicach między sekcjami mniejszymi) ekran jest przełączany zgodnie ze schematem transpozycji, a nie uziemiany bezpośrednio.

Skrzynki łączeniowe, izolatory sekcjonujące i ograniczniki napięcia

Cykliczna zamiana ekranu odbywa się w specjalnych skrzynkach łączeniowych (link boxes), w których ekran każdej sekcji mniejszej jest przerwany za pomocą izolatorów sekcjonujących i prowadzony przewodami do właściwej następnej fazy. Ponieważ pomimo wzajemnej kompensacji między końcami sekcji głównej w praktyce pozostaje resztkowe (zazwyczaj znacznie mniejsze) napięcie ekranu — i ponieważ chwilowe zakłócenie w sieci może tymczasowo znacznie zwiększyć to napięcie — przy każdym izolatorze sekcjonującym w skrzynce łączeniowej zazwyczaj instaluje się ogranicznik napięcia ekranu (sheath voltage limiter, SVL): element, który podczas normalnej pracy pozostaje wysokoimpedancyjny, ale przebija przy zbyt wysokim przejściowym napięciu ekranu, chroniąc w ten sposób izolację izolatora sekcjonującego przed przeskokiem.

Uwaga: dokładny podział na sekcje mniejsze i główne, liczba skrzynek łączeniowych i dobór ograniczników napięcia wynikają ze studium systemowego dla konkretnej trasy kablowej (długość, prąd roboczy, poziom zwarcia); ten artykuł omawia zasadę, a nie gotową tabelę projektową dla każdej trasy wysokiego napięcia.

Dlaczego jest to specyficznie technika dla długich tras

Dla krótkiej jednożyłowej trasy kablowej — na przykład przyłącza transformatora w tej samej stacji rozdzielczej — indukowane napięcie ekranu przy uziemieniu jednostronnym jest zazwyczaj już wyraźnie w bezpiecznych granicach, a złożoność i dodatkowe koszty skrzynek łączeniowych z cross-bonding nie są uzasadnione: zwykłe uziemienie jednostronne lub dwustronne (patrz powiązany poradnik) jest wtedy wystarczające. Cross-bonding jest stosowany specyficznie, gdy długość trasy jest wystarczająco duża, aby zarówno degradacja obciążalności z powodu prądu krążącego przy uziemieniu dwustronnym, jak i narastające napięcie ekranu przy uziemieniu jednostronnym, stały się nieakceptowalne.

Znaczenie praktyczne

Przy inspekcji lub konserwacji długiej trasy kabla wysokiego napięcia z cross-bonding każdą skrzynkę łączeniową należy traktować jako miejsce, gdzie pomimo wzajemnej kompensacji może nadal być obecne napięcie resztkowe — przed otwarciem skrzynki łączeniowej musi to zostać wyraźnie sprawdzone, zamiast zakładać, że ekran jest tam bezpotencjałowy tylko dlatego, że "wygląda na uziemiony".

Częste błędy

1. Zwykłe uziemienie długiej jednożyłowej trasy wysokiego napięcia na obu końcach jak przy krótkim kablu — powoduje to krążący prąd ekranu, który może znacznie obniżyć obciążalność prądową trasy.
2. Uziemienie długiej trasy jednostronnie zamiast zastosowania cross-bonding — może to spowodować niebezpiecznie wysokie napięcie ekranu na nieuziemionym końcu.
3. Otwarcie skrzynki łączeniowej bez sprawdzenia napięcia resztkowego na ekranie — pomimo wzajemnej kompensacji między fazami, skrzynka łączeniowa może nadal zawierać napięcie niebezpieczne dla dotyku.
4. Pominięcie lub błędny dobór ograniczników napięcia (SVL) przy izolatorach sekcjonujących — bez prawidłowo dobranych SVL, tymczasowe przepięcie na ekranie może spowodować przeskok na izolatorach sekcjonujących.

Powiązane materiały

• Uziemienie ekranu kabla — jednostronne czy dwustronne i dlaczego ta różnica ma znaczenie
• Metody referencyjne i obciążalność prądowa
• Materiał izolacyjny kabla (PVC/XLPE/EPR) i temperatura pracy
• Pomiar wyładowań niezupełnych (PD) i tan-delta na kablach SN