浅议变电站二次设备接地及其优化方案

黄毅文

摘要:文章阐述了二次设备及电缆的不同接地种类和接地要求，结合本人在变电站的电气安装经验，依据安全生产法则，对变电站的二次设备接地施工问题进行了相关探讨。

关键词:二次设备；变电站；接地

中图分类号：G267 文献标识码：A 文章编号：

1前言

在变电站施工中出于安全的考虑，都会布置一个范围覆盖全站的接地网，所有的一次、二次设备都要求与这个地网相连。在电力系统中发生的很多重大事故往往都和接地网的性能指标以及一、二次设备与地网的连接上有关。

2二次设备接地的种类和要求

目前，在综合自动化变电站二次设备已经普遍实现了微机化、电子化，极大地提高了电力系统的自动化水平。但与电磁设备相比，其抗干扰能力显著下降。一方面电子元器件要求有比较好的运行环境，另一方面变电站内的二次设备需能承受电磁干扰、过电压冲击、地网电压升高等恶劣环境的影响，所以其接地问题显得尤为重要。

2.1保护接地

保护接地是出于对人身安全的考虑，应将二次设备机柜和柜内设备的外壳接地，要求用专用接地线接于屏内的接地铜排上。屏柜内接地铜排应与等电位接地网相连接，这样所有二次设备都接在等电位接地网上。

2.2逻辑接地

电子设备内部都有地电位存在，部分设备的地电位实际是虚拟的，与外部没有任何电气的联系；但大部分尤其是国外的二次设备地电位有一个专门的接地连接位置，此时必须将这个接地连接位置与屏内接地排相连，这个地电位很多是和设备的外壳相连的，所以，必须把设备的外壳与屏内接地排连接。

2.3模拟量回路接地

模拟量回路接地是出于人身和设备安全的考虑，将设备TA、TV回路进行接地。为防止这些回路的测量出现误差，对这些回路都要求一点接地。除相互之间有电气连接的TV或TA要求在控制室内一点接地外，其它独立的回路一般都要求在现场一点接地。要求在现场一点接地，更多地考虑了二次设备试验时，断开柜内的接地点可能造成二次回路失去接地点保护的因素，对防范站内单相短路接地时地网的电位升高是不利的。因为一旦短路电流很大，接地电阻无法把电压升高控制在2000V内，可能会对二次设备输入回路的绝缘造成危害。一般二次设备的模拟量回路绝缘要求是2500V的耐压水平。

2.4交流电源接地

交流电源接地是指使用交流工作电源的二次设备的电源接地。对使用交流电源的控制保护设备应避免单相交流电源受雷击或操作过电压的影响而导致设备异常，应采用隔离变压器的方式供电。使用交流电源的设备基本集中于自动化和通信设备上。这部分设备由于一直采用普通民用的设备标准，没有考虑变电站比较强的电源干扰问题及直流供电方式，所以造成需要配置UPS电源(电源的蓄电池实际仍使用站内直流蓄电池)，以及由此带来的一系列维护的问题。此外，部分保护和故障录波器在屏内安装了打印机。由于打印机启动时会在接地线上产生较大的干扰信号，所以应注意其电源的接地线不能接在屏内的接地排上。

2.5二次电缆屏蔽层抗干扰接地

作为连接强电磁场环境(超高压交流开关场)的一次设备和高电磁防护要求的二次设备的电缆，其屏蔽层接地问题一直受到比较多的关注。国内外对于屏蔽层应1点接地还是2点接地的还有争议。最新的IEC国际标准推荐屏蔽层采用2点接地。国内的文献对此没有统一的意见。传统的二次电缆屏蔽层接地推荐方法如下:对于220kV及以上电压等级变电站，由开关场引入的微机保护及控制装置的二次控制电缆均应使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在离一次设备接地点3m～5m处或二次设备盘处实现接地。其实这也属于“两点接地”的范畴，即指在开关场和控制室两点接地。

3电缆屏蔽层的接地方式

3.1变电站的主要干扰源和防范措施

(1)磁场干扰

由于变电站一次设备中通常流过交变电流，将在二次电缆敷设空间产生交变磁场，因此在二次电缆中产生交变的感应电压。如图1所示，设L0为一次线路，L2为二次电缆。Lm为电缆屏蔽层，I0为一次线路中的电流，M20为一次线路与二次电缆芯线的互感，为I0的角频率，Mm0为一次回路与电缆屏蔽层的互感。当屏蔽层两端不接地时，I0对电缆芯产生的干扰电压E2为:

（1）

由式(1)可知，干扰电压的大小由M20(或Mm0)的大小来决定，即由一次设备与二次电缆之间的空间位置来决定。

图1磁场干扰示意图

二次电缆的屏蔽层是导体，它与二次电缆的芯线同样会产生一个交变的感应电压，当屏蔽层两端接地时就会在屏蔽层上流过感应电流，同时会在电缆芯线上产生1个交变的感应电压。这个电压会与一次设备在电缆芯线上产生的感应电压抵消。而屏蔽层不接地或一点接地都不会产生电流，无法起到抵消的作用，所以防范磁场干扰的办法是将电缆屏蔽层的两端接地。

(2)电容耦合干扰

由于一次设备载流体与二次电缆间存在电容，例如电压互感器和电流互感器高低压线圈之间的电容、电容式电压互感器的中间变压器两线圈之间的电容以及高压母线与二次电缆之间的寄生电容等。因此一次设备将会对二次电缆产生电容干扰，如图2所示。设U1为一次设备带电体电压；C1a为一次设备与二次电缆间的电容；Caa为二次电缆对地电容；Ua为由于电容耦合在电缆芯上产生的电压。则得:

（2）

因，故分母中的C1a可以忽略不计，则: ，由此可知，容性耦合干扰随着耦合电容的增大而增大。

图2电容耦合示意图

当电缆屏蔽层接地时，电缆芯线的对地电容变成电缆芯线对屏蔽层的电容，电容值增大，电容耦合干扰电压降低，所以防范电场耦合干扰的措施是将电缆屏蔽层接地。

(3)地电位差干扰

当大电流接地系统发生单相接地短路时，变电站的接地网中会流过故障电流，此电流流经接地体的阻抗时便会产生电压降，使变电站内各点的地电位出现电位差。在同一回路中有不同的接地点，当其分布在变电站的不同区域时，各接地点间地电位差就会在连接的电缆芯中产生电流。此外，地电位差也能在两端接地的电缆屏蔽层中产生电流，使电缆芯中产生干扰电压。在220kV及以上变压器中性点直接接地的大型变电站中发生站内单相短路接地时，变电站的接地网中会流过很大的故障电流。由于站内接地电阻不可能为零，流过接地点的短路电流会在这个电阻上产生一个电压降，而远离接地点的电压可以认为是零电位，这样从接地点至零电位处接地网上就自高向低存在着不均匀的电位。此时，地网上的电压差是必然存在的，且距离短路接地点越远电压差就越大。这样，站内接在地网上的二次设备尤其是屏蔽层两端接地的电缆，在接地端间会形成电压差。

(4)电磁辐射

电磁辐射是指干扰源产生的高频电磁干扰辐射，干扰能量以空间电磁波的形式传播到二次回路而产生干扰，并随二次回路的接地方式不同形成共模或差模干扰。

3.2电缆屏蔽层不同接地方式的试验事例

屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一。屏蔽不仅能防止外界电磁场对信号线的干扰，也能防止信号产生的电磁场对外界的干扰主动屏蔽和被动屏蔽。现在的控制、信号电缆用带镀层的细铜丝编织层构成屏蔽层，一般覆盖率在90%以上。控制回路电缆屏蔽层未接地，操作隔离刀闸投切220kV空载母线，在拉弧过程中使电源电缆芯线感应电压过高，击穿控制电源端子排。将屏蔽层一端接地后，感应电压明显降低，未再出现击穿现象。

3.3屏蔽电缆接地方式的总结

从主要干扰源的防范措施可以看到，为防止电磁场的耦合干扰问题，将电缆的屏蔽层两端接地是较好的解决办法。屏蔽层两端接地的方式，相当于并联在地电网上，地电网中的电流会有部分从屏蔽层流过，产生噪声电流，这个电流在正常运行时会在电缆芯线上产生一个干扰电压。传送较高电压或电流的电缆，干扰信号的比例相当小，完全可在二次设备的接收端消除；传送弱电信号的电缆(如通信电缆)，信号很可能会是一个较大的干扰，所以采用1点接地方式比较合适。对十分重要的信号也可以采用双屏蔽层电缆传送，内层1点接地，外层2点接地。

4二次设备等电位地网的敷设

敷设等电位地网不仅仅出于高频保护的反措要求，也是出于均衡地网电位、保证接地点数量、降低地网回路电阻的目的。

4.1一次开关场的敷设要求

在电缆沟内电缆支架上用小绝缘子架起100mm2铜排，首尾相连，布成可以覆盖所有二次端子箱的铜排环网。现场端子箱内的100mm2小接地排用不小于100mm2的绝缘导线与等电位铜排网连接。为安全可靠起见，柜内小接地排也应同时与主地网相连。铜排应使用不小于100mm2的绝缘导线在远离易发生单相接地短路电流入地点的明显处与主地网1点连接，并定期检测该接地点的接地电阻。为降低接触电阻，应采用压接方式连接各连接点，连接点镀锡处理。

4.2保护室的敷设要求

在主控室、保护室电缆层电缆支架上，按屏柜布置的方向用小绝缘子架起100mm2铜排，首尾相连，形成可以覆盖所有控制保护柜的铜排环网。保护屏内的小接地排用不小于50mm2的绝缘导线与铜排连接。为安全可靠起见，柜内小接地排也应同时与主地网相连。保护室内的等电位接地网必须用至少4根以上、截面不小于50mm2的铜排(缆)，在电缆竖井中明显接地点处与主地网一点连接，并定期检测该接地点的接地电阻。为降低接触电阻，应采用压接方式连接各连接点，连接点镀锡处理。分散布置的保护就地站、通信室与集控室之间，应使用截面不小于100mm2的铜排将保护就地站与集控室等电位接地网可靠连接。

4.3开关场与保护小室铜排环网之间的连接

用不小于100mm2的铜缆把开关场和保护小室铜排环网连接起来，构成1个大的只有2个接地点的接地网。

5一种新的二次电缆屏蔽层接地方法

当采用新型接地方法时，可把屏蔽层一端的接地电阻R接在开关场离一次设备接地点3m～5m处，屏蔽层另一端接地点的处理方法仍然可以沿用如上所述的传统推荐两点接地方法。新型接地方法可近似看作屏蔽层两端接地时一端接地不良，见图3。

图3新型二次电缆屏蔽层接地方法

5.1新方法主要解决的问题

二次电缆屏蔽层回路和地网回路共用2个接地点之间的这段地网作为共用通路，形成共阻抗耦合。地网中流过的电流主要有3种，包括系统短路时流过地网的工频电流、侵入地网的雷电冲击电流以及高频电流通过接地电容(如电容式电压互感器、补偿电容)流入地网的电流。二次电缆屏蔽层如果一端接地，由于无法构成电流回路，所以不存在共阻抗耦合的问题。但是如果两端接地，那么地网中流过的电流就会有一部分分流到与之并联的电缆屏蔽层中(也可认为是由于2个接地点的地电位差导致屏蔽层中流过电流)。在超高压和特高压变电站中，由外界电磁干扰所引起的流过电缆屏蔽层的干扰电流和注入地网的短路(雷)电流可能会很大以致烧毁屏蔽层。虽然可以通过并行敷设接地铜排的方法来减少流过电缆屏蔽层的干扰电流和均衡地电位，但是在某些情况下，仍然会在电缆屏蔽层中流过相当可观的电流，从而危及屏蔽层。

5.2新方法的技术要求

采用新型接地方法时，由于屏蔽层等效电阻增大，根据并联回路反比例分流定理可知，屏蔽层中分得的电流要比两端直接接地时小，从而保证了屏蔽层不被烧毁。虽然这个电流在接地电阻上也会产生一个压降，但其数值并不大(不会大于两端不接地时地网两点间的电位差)，因此不会产生负面的天线效应。综上所述，采用新型屏蔽层接地方法，可以降低二次电缆的共阻抗耦合。接地电阻的数值一般选取为和电缆屏蔽层的等效电阻相等。本文所提出的新型二次电缆屏蔽层接地方法，既可获得两端直接接地时良好的抗干扰效果，也避免了当地电流和干扰过大时烧毁屏蔽层的危险，可以达到较好的电磁兼容效果。而且这种方法不必附加铜排，新站、老站均可以方便地采用。

6结语

研究证明在采用合适的接地方式、低电阻的地网以及恰当的均压措施后，可以有效地提高二次设备的抗干扰能力，减少二次设备异常动作的发生，保证站内单相短路接地时的继电保护动作可靠性。

参考文献

[1]覃海清，刘南平，张召南.变电站二次电缆屏蔽层接地的抗干扰作用.广西电力工程，1998，(2).

[2]黄少锋，秦晓辉.一种新的二次电缆屏蔽层接地方法.电力系统自动化，2007，(8).