变电站二次系统接地方法与控制

杨漪俊　赵志新

摘 要：变电站接地系统设计中的电气安全技术就是通过设计确保设备安全（主要是二次设备及二次电缆等的要求）和人身安全。设备安全主要是将地电位升限制在合理的水平，不会出现因为过高的地电位升引起二次设备及二次电缆的反击破坏。而人身安全则要依靠均衡地表电位和降低地电位升，以确保人体承受的接触电压和跨步电压在人体允许的安全限值内。确保人身安全还可以通过提高人体允许的接触电压和跨步电压的安全限值来实现，即在地表敷设高电阻率的材料。

关键词：变电站；二次系统；接地；方法与控制

引言

地电位升高是变电站设计与运行管理中必须面对、重视和设法控制的问题。电力故障或雷击会使得地电位升高造成设备损坏甚至人身伤害。影响地电位升高的原因有电力故障、电气接地方式、土壤电阻等。我国DL/T621-1997《交流电气装置的接地》关于变电站电气设备保护接地规程的规定：“有效接地和低电阻接地系统中发电厂、变电所的接地装置的接地电阻R一般情况下应满足R≤2000/I。”当接地装置的接地电阻不符合R≤2000/I时，可通过技术经济的比较增大接地电阻，但接地电阻的值不得大于5Ω。但通信系统的接地一般要求接地电阻小于1，一般应将接地电阻降低到小于1。文章主要讨论接地方式对电力二次系统地电位升的影响。

1 影响地电位升的因素

变电站二次系统多使用低电压精密器件，地电位升与二次系统的安全紧密相关。变电站以站内接地网产生等电位区域来减少站内地电压升高的影响，变电站接地网将所有金属部件连接在一起，形成一个等电位区域。系统正常工作时，地网电流很小，地电压差接近于零，系统故障时，伴随着很大的电流流经大地土壤时，流过地网的电流将在地网接地电阻上产生压降，即地电位升高。当二次电缆单端接地时，如果不考虑短路时二次电缆芯线上的感应电位，短时故障或雷击时，二次电缆承受的电位差即为地电位升。该电位差施加在二次电缆的绝缘上，因此地电位升直接决定于二次电缆的交流绝缘耐压及二次设备的交流绝缘耐压值。

控制电缆正常工作时，芯线上是低压控制信号，绝缘外皮或金属铠装接地，系统发生故障后，控制电缆承受非对称地网电阻产生的地电位升高，因此，控制电缆的工频耐压特性是影响提高允许地网电位升高值的主要因素。限制允许地电位升高，考虑控制电缆固体绝缘和爬电距离，研究二次设备放电间隙，是确保二次设备不被反击电压击穿，确保人身与设备安全的主要方法。接地故障时，二次电缆及二次设备承受电压的时间为继电保护动作的时间。一般来说，继电保护应在1s动作，考虑一定的裕度，我们取3s的交流耐受电压作为设备的绝缘耐压。

2 二次系统电缆接地方式对控制地电位升的作用

传统变电站大量使用二次电缆连接，二次系统在系统故障时承受的地电位升决定了二次电缆的接地方式。由于过去金属导线的电话线的绝缘耐压一般都只有2000V，同时假设短路故障时，二次电缆芯线上没有感应电位，这样作用在二次电缆屏蔽层及二次设备上的电压就有地电位升。因此，我国电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》从确保二次系统的安全出发，要求地电位升IR<2000V。

2.1 二次电缆单端接地

二次电缆单端接地时，电缆屏蔽层中没有电缆流过，短路时二次电缆芯线上的感应电位很小，短路时，二次电缆承受的电位差即为地电位升。该电位差施加在二次电缆的绝缘上，因此地电位升直接决定于电缆连接二次设备的交流绝缘耐压值。

2.2 二次电缆双端接地

对于地网上接有的双端接地电缆，电流注入地网时，部分短路电流从电缆的外皮中流过，将在二次电缆的芯线上感应较高的电位，从而使作用在二次电缆的芯皮电位差较小。芯皮电位差主要与接地网电阻值、导体尺寸、土壤电阻、电缆长度、电流注入点与电缆接地点相对位置以及故障电流有关。且地网规模较大，导体间距较密，土壤电阻率较小，电缆长度较大，电流注入点距电缆接地点较近（但不是紧紧相邻），故障电流较大时，电缆上感应的芯皮电位最高。

对于土壤电阻率为50m左右，边长100m的地网，即使在二次电缆屏蔽层接地点附近发生短路事故时，通过大量的计算表明，双端接地电缆上感应的芯皮电位通常不到地网电位升的20%，芯皮两端电位小于地网电位升的40%。这时假设二次电缆及二次设备的绝缘耐压只有2kV，采用二次电缆双端接地，可以将地电位升高放宽到2000/（40%）=5000V。采用二次电缆双端接地的方式，即使故障时地电位升达到5kV，但作用在二次电缆芯皮之间和二次设备上的电位差只有2000V，仍然满足了接地规程的要求。考虑到二次电缆双端接地带来的部分故障电流流过二次电缆的屏蔽层，如果故障电流较大，可能烧毁电缆屏蔽层问题。电力系统反事故措施要求在电缆沟中与二次电缆平行布置一条铜接地带，铜接地带连接接地网，二次电缆与铜接地带两端可靠连接。在电力系统故障时，由于铜接地带的阻抗比二次电缆屏蔽层的阻抗小得多，故障电流主要从铜接地带中流过，大大减少了故障电流烧毁二次电缆屏蔽层的可能。

2.3 变电所二次系统允许的地电位升及控制措施

根据长期实践，综合各方面的因素，变电所的地电位升取5kV是可行的。

对于变电站内的设备和电缆，当变电站的地电位升增加时，这些设备和电缆的电位升也相应增高，其相对于变电站地电位的差不会增加很多，二次电缆采用屏蔽层双端接地时，作用在二次系统的芯皮电位差不超过2kV，即加在二次设备上的电压不会超过2kV，因此地电位升取5kV对这些设备不会造成较大影响。

对于引出变电站的通信线路，必须注意通信线路引起的高电位引出及其它隔离措施，目前变电所的通信线路一般采用光缆通信线路，因此这方面的问题可以不予考虑。但其它从变电所引出的低压电源线必须采用隔离变压器，防止变电所接地故障时造成的高电位引出。对于引出变电站的35kV和10kV电力电缆，由于其耐压较高，变电所的地电位升取5kV不会对其造成绝缘破坏，为了防止向站外引出高电位，建议电力电缆屏蔽层在远离变电站端经护层绝缘保护器（金属护层电压限制器）接地。

另外从充分考虑裕度的情况下，假设二次设备及二次电缆的绝缘耐受电压只有2kV，则采用二次电缆双端接地方式，同样可以将允许的地电位升提高到5kV。

参考文献

[1]大型变电站接地网的优化设计[J].高电压技术，2005，12.

[2]110kV变电站接地网的优化设计[J].电力建设，2009.

作者简介：杨漪俊（1972-），男，高级工程师，主要从事电力系统设计与继电保护管理与运行管理工作。

赵志新（1981-），男，工程师，主要从事电力配电网设计、运行与管理工作。