电缆屏蔽接地方式探讨

2012-12-21马国欣

石油化工建设 2012年5期

关键词：单芯单端芯线

马国欣

中国石油天然气第一建设公司河南洛阳 471023

电缆屏蔽接地方式探讨

马国欣

中国石油天然气第一建设公司河南洛阳 471023

电缆护套或屏蔽接地形式是否正确将会影响电缆的使用寿命、信号的传输质量乃至设备和人员的安全。一般情况下，电力电缆接地方式的选择主要取决于其感应电压或环路电流大小的影响；控制电缆屏蔽接地根据“法拉第笼效应”原理可减少外界对芯线的电磁干扰，但是单端或双端接地要根据具体情况来选择，总的来说单端接地不形成回路，主要用于防静电接地；双端接地形成了电气通路，当线路较长，感应电压较大时使用，降低电缆线路上不同位置屏蔽层的电位差。

电力电缆控制电缆屏蔽层接地环流干扰

现在工程中大量使用的交联电缆，多含有屏蔽层。我们知道屏蔽层的主要作用有：保持零电位，使缆芯之间没有电位差；在短路时承载短路电流，以免因短路引起电缆温升过高而损坏绝缘层，同时屏蔽层也可以防止周围外界强电场对电缆内传输电流的干扰；屏蔽层还可以有效地将电缆产生的强电场限制在屏蔽层内，不会对周围的弱电线路及仪表，产生强电干扰或危及人身安全。可见屏蔽层对电网安全运行起着重要作用。但是，在工程建设中，仍有一些技术人员和施工人员不明确动力或控制电缆屏蔽层接地的方式和其中的原理，就这一问题从规范和经验简单进行分析。

1 三芯电力电缆的接地方式

我们知道，三芯动力电缆在正常运行时会有对称电流流过，其电流和为零，即∑I=0，此时在铠装或屏蔽层外基本无磁链，也就没有感应电压或感应电流。但在实际运行中，三相负荷不可能完全对称，即电流和不为零。如果三芯电缆两端接地，那么不平衡电流产生的感应电动势就会在铠装电缆或金属屏蔽层与大地之间形成环流，但由于铠装或金属屏蔽层的阻抗较大，环流很小，环流对电缆本身以及对由环流产生的电磁干扰较小。根据有关实验表明，三芯电缆产生的环流仅为芯线的5～8%。【1】因此，国家电力安全规程规定三芯电力电缆都要采用两端接地的方式，目的在于防止电缆铠装或金属屏蔽层过电压时引起对电缆和人身造成的伤害。

2 单芯电力电缆的接地方式

目前，随着设备容量的增加，现场单芯电缆的采用在逐渐增加。单芯电缆不同于三芯电缆，每相之间存在一定的距离，感应电势不能完全抵消。当单芯线通过电流时，在交变电场作用下，金属屏蔽层必然感应一定的电动势。单芯电缆的线芯与金属屏蔽的关系，可看作一个变压器的初级绕组。?金属屏蔽层感应电压的大小与电缆长度和线芯负荷电流成正比，还与电缆排列的中心距离、金属屏蔽层的平均直径有关。电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，屏蔽上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘，造成电缆运行事故。同时还会影响电缆的载流量，加速电缆老化，降低电缆使用寿命。因此，如何正确选择单芯电缆的接地方式使得电缆既能经济运行又能避免安全事故的发生。

单芯电缆屏蔽的接地方式分为单端接地（一端接地另外一端悬空、一端接地另外一端通过电压限制器接地、护层中点接地两端通过过电压限制器接地）、两端直接接地和交叉互联接地。

单端接地是在电缆的一端将金属屏蔽层或金属套直接接地，另一端则不接地或者通过保护接地。电缆在这种悄况下运行时，金属屏蔽层对地之间有感应电压，但不产生环流。感应电压的大小与电缆长度成正比。因此这种接地方式仅仅适用于长度较短的线路，也就是说电缆长度所对应的感应电压不能超过GB50217-2007《电力工程电缆设计规程》中所规定的50V（当加电压限制器时可达100V）。有些国家规定可达300～500V，这样虽然使得电缆的敷设长度增加了3倍，但对电压限制器的选择提出了更高的要求。

双端接地是将电缆两端的金属屏蔽层直接接地。电缆在这种情况下运行时，金属屏蔽层中有环流通过（当然会引起发热）,会降低电缆的载流量。双端接地时的电缆载流量比单端接地（或下面讲的交叉互联接地）时的载流量要小得多，它不仅造成资源（导体材料）的浪费，而且造成能源的损失。因此，这种接地方式仅仅适用于在特殊情况下采用：例如电缆需要过江、河、湖、海底以及受条件限制无法采用交叉互联接地的场合。

交叉互联接地是将电缆的金属屏蔽层或金属套一端直接接地，采用中间绝缘接头和交叉互联箱将三相（即三根单芯）电缆的金属屏蔽层进行换位连接，而电缆的另一端则通过保护接地（称为单点互联接地）或者直接接地（称为两点互联接地）。试验表明，单点互联接地时的载流最略大于两点互联接地时的载流量。在完全换位的情况下，金属屏蔽层或金属套中没有环流通过，两端对地之间也没有感应电压，但每段电缆中间有感应电压，且换位处的感应电压为最高值。交叉互联接地的电缆载流最与单端接地时的电缆载流量基本上是相同的。交叉互联接地方式适合于较长距离线路，但应考虑根据最高允许感应电压来确定相邻两个换位点之间的最大距离。

因此，单芯动力电缆屏蔽接地方式的选择主要决定于其感应电压的大小。根据研究表明电缆敷设方式不同，感应电压大小不同，其计算公式如下【2】：

其中：S为电缆中心间距，DS为金属屏蔽层外径；I为电缆工作电流；L为电缆单相长度；USA、USB、USC为电缆 A、B、C三相电缆感应电压。

通过上面的公式可知，高压单芯电缆排列为三相三角形时的感应电压要比三相水平排列时的感应电压要低。单芯电缆敷设时尽量采用三角形敷设方式，每隔200mm-500mm用非铁磁绑扎捆绑在一起。一般情况下，短距离单芯电缆可以通过电缆护套一端接地、另一端接保护器的方式，使电缆护套的感应电流不形成回路而得到限制；而长距离单芯电缆往往可以采用护层交叉互联的方式来平衡感应电流，以降低感应电压；双端直接接地不常用，仅适用于特殊场合或者极短电缆和小负载电缆线路。

3 控制电缆屏蔽层两端接地

控制电缆用于控制、测量、保护等用途，金属屏蔽层接地后，根据“法拉第笼效应”原理，可减少外界对芯线的干扰，精确传导信号，避免造成误动和损坏控制设备，从而保证设备安全运行。我们知道信号干扰主要以两种方式存在，即静电感应干扰和电磁感应干扰。静电感应，是指一个带电的物体与不带电的导体相互靠近时由于电荷间的相互作用，会使导体内部的电荷重新分布，异种电荷被吸引到带电体附近，而同种电荷被排斥到远离带电体的导体另一端．这种现象叫静电感应。静电感应是以电容耦合的方式存在。电磁感应，是指因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应。电磁感应是以电感耦合的方式存在。

在现实中，静电感应干扰和电磁感应干扰两种方式可能同时存在。要想消除或减少干扰，需要根据具体情况，具体分析，对控制电缆屏蔽层采用合理的接地方式。

DCS系统，因为广泛应用集成电路和各式各样的电子元器件，集成电路和电子元器件对静电敏感，根据其产品技术要求，需降低静电干扰。一端接地后，屏蔽层就可有效阻止控制电缆芯线与外界形成电容，因而控制电缆芯线不会因外界电场的变化而产生充放电等现象，可以有效防止静电干扰。如果屏蔽层两端接地，两端的接地点存在电位差，随着电缆的长度增加，电位差更大，屏蔽层内形成接地环流，容易造成设备误动或损坏。而一端接地，就避免了上述问题。所以，DCS系统控制电缆屏蔽层应采用一端接地，考虑到施工的方便和接地点等电位要求，应在DCS机柜侧统一进行一点接地。

针对应用于连接开关场引入控制室继电保护及自动控制回路的屏蔽电缆，由于其输入和输出均有一端是在开关场的高压或超高压环境中，主要目的是抗电磁感应干扰，故屏蔽层在两端接地。屏蔽层采用两端接地后，可以消除静电干扰，同时根据楞次定律可知，电磁感应可在屏蔽层金属表面形成涡流，涡流反过来可以阻碍磁场的变化，阻碍感应强度增加，虽不能完全屏蔽掉电磁感应，可将感应电压降到不接地时感应电压的1%以下。需要注意的是，两点接地可能因接地点电位差，屏蔽层内产生环流。因此，此部分区域电缆屏蔽层的两端应有等电位接地网，减小接地电位差，克服两端接地带来接地环流的问题。

但是，当电气量进入DCS时，两种规定发生冲突，根据电缆接线的工程实践，进入DCS系统的电缆最好采用单端接地。有些资料认为单端接地点一般按取用原则设置，凡是从设备送到DCS盘柜的反馈信号（位置、故障和模拟量信号），均应在DCS侧做单端接地；凡是从DCS盘柜送出的控制指令（合、跳闸或其他指令），均应在保护盘侧做单端接地。

对于传输特别敏感信号的二次电缆，一点接地或两点接地可能都无法满足抗干扰的要求，这时就需要选择双层屏蔽电缆，且外屏蔽层还应采取两点接地，内屏蔽层则采用一点接地。两层屏蔽电缆最外层两端接地是由于引入的电位差而感应出电流，因此产生降低源磁场强度的磁通，从而基本上抵消掉没有外屏蔽层时所感应的电压；而最内层屏蔽一端接地，由于没有电位差，因此仅用于一般性的防静电感应。外屏蔽层上流动的噪声电流对内屏蔽层的芯线几乎没有影响。在干扰特别严重的地方，则应采用光纤。