智能变电站二次系统接地方式研究:(一)理论探讨

殷建刚，黄逊勋，黄叙银，张 婷

（1.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；2.中能电力科技开发有限公司，北京 100034；3.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085；4.中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

智能变电站二次系统接地方式研究:(一)理论探讨

殷建刚1，黄逊勋2，黄叙银3，张 婷4

（1.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；2.中能电力科技开发有限公司，北京 100034；3.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085；4.中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

利用高导电率导体将地面不带电的导电体相互连接，构成多环路的三维等电位接地网，并与主接地网在适当的位置连通，构成全站的接地系统。设备通过该接地系统可就近实现无引线或短引线接地，降低了传导电流产生的传导性干扰和地电位差干扰，从而进一步降低接地阻抗的效能。通过以上措施可达到消除或降低回路耦合干扰的目的。

敏感源；骚扰源；耦合路径；等电位接地网

0 前言

变电站安装有基于微处理器数字电路工作原理的二次设备，对高频电场、磁场及电磁场等参量敏感，这样的二次设备是高频信号敏感源；骚扰源则是以快速瞬变脉冲串为代表的高频信号；干扰耦合途径主要是磁（感应）耦合和电磁波辐射耦合。因此，原来二次回路的安全接地与一次回路共用一个地下主接地网的接地方式已经过时，需要根据敏感源对高频场量敏感的特点做相应的改变。

国际大电网会议（CIGRE）从变电站电磁兼容技术实用性角度出发，做了深入研究，编写了《发电厂和变电站电磁兼容导则》（以下简称《导则》）。该《导则》以大量的计算分析和模拟实验为基础，理论联系实际，从电磁干扰的基本物理概念解释到具体防范措施的实施方案，作了深入的介绍，对相关专业技术人员具有很高的使用价值，国外多参照执行[1]。

国内为应对电磁干扰，在变电站接地方面的改进始于1990年代初。首先应用于电力线载波（PLC）数字式高频保护收发信机的抗干扰措施：将同轴电缆屏蔽层接地由单端接地改为两端接地，并紧靠其敷设两端接地的接地铜排，获得较好的抗电磁干扰效果。

1990年代后期，变电站采用综合自动化设备，全站二次电缆屏蔽层两端接地，二次电缆沟全面敷设接地铜排，二次设备室内敷设等电位接地网。国家电网公司《十八项电网重大反事故措施（修订版）及编制说明》（以下简称《反措》）中关于变电站接地已有相关规定[2]。

近年来，国家电网公司大规模建设智能变电站，智能变电站与综合自动化变电站相比在电缆和光缆的使用方面发生了一些变化。国网湖北省电力公司承担了国家电网公司依托工程新技术研究项目“智能变电站二次接地方式研究”，研究成果已入选国家电网公司依托工程设计新技术推广应用实施目录（2015年版）。

1 接地方式与电磁干扰密切相关

电磁兼容技术中敏感源、骚扰源和骚扰耦合途径三要素构成电磁骚扰链。消除其中任何一项，电磁干扰即可消失。在骚扰源和敏感源无法消除的现实情况下，截断骚扰耦合途径是消减电磁干扰唯一有效的措施。

变电站骚扰源主要是来自于遭受雷击和操作高压电气设备时产生的次暂态电压和瞬变电流。这些干扰都是以大地作为返回源头的路径，大多会产生共模干扰信号，地线成为其主要耦合途径。如果接地方式处理得不好，敏感源容易受到骚扰源的骚扰。因此对变电站接地系统的结构、性能应有一个正确的认识，才能选择适合的接地方式，从而起到降缓电磁干扰的作用。对于变电站设备的接地方式而言，主要有单点接地和多点接地两种类型，供其接地的接地系统由地面等电位接地网和地下主接地网组成。

1.1 单点接地

这是一种广为人知的接地方式，它是将一组相互关联的设备和电路接到公共接地网的同一点，无论是地面上的接地网，还是地下主接地网。单点接地的好处是避免了大地环路，不致因地电流产生电位差干扰。为了防止共用一段接地线产生共阻抗耦合干扰，接地引线往往很多，而且较长。因此，遇到高频信号时，地线的阻抗值很大，甚至发生谐振，造成接地阻抗乃至地电位不稳定。对于频率较高的信号，尽管地线很短，它们的电感和电阻也不可忽略。实际上，当信号频率较高时，各种杂散参数已经起到很重要的作用，即使形式上采用单点接地结构，实际上不能起到单点接地的作用。因此，单点接地方式并不适合于频率较高的场合。

现在的二次设备多为微处理器数字电路设备，对高频信号敏感，单点接地方式已不再适合，应该彻底放弃。对于工作频率较高的设备的接地，需缩短接地线，就是说各接地点要就近接地，实际上也就构成了环路状多点接地[3]。

1.2 多点接地

多点接地的结构必然形成多个接地环路，接地环路上因地电流流过而产生电位差，因而对接入地线上的设备及电路可能会产生地电位差干扰。在变电站中，二次设备接地点应尽可能远离一次设备大电流接地点（不小于一个安全距离），避免一次电流流经二次接地网而产生共阻抗耦合；应尽可能缩小接地环路面积，降缓地电位差干扰；更重要的是要防范磁（感应）等耦合下的传导性干扰。

为达此目的，无论是地下的主接地网还是地面的等电位接地网，搭接网格个数更多、每个网格包围面积更小的接地系统，可获得更好地降缓电磁干扰的效果。因此，针对现代变电站中二次设备为高频信号敏感源这一现实，二次系统接地方式应彻底放弃单点接地观念，全面采用多点接地，理解多点接地的物理概念，掌握多点接地的实际措施、方法、工艺。

2 接地系统的构成原理

2.1 麦克斯韦第二方程确立小面积接地网格

根据麦克斯韦第二方程，

式中：U为电压；E为电场；s为面积；t为时间；Φ为磁通量。

如图1所示，沿闭合回路对电场E的线积分等于线环绕面积中环链的磁力线变化率。

图1 沿闭合回路的电场线积分示意图（法拉第法则）Fig.1 Schematic diagram for line integral of electric field along a closed loop(Faraday law)

从图1中可知，在磁通密度一定的条件下，接地环路面积越大，可环链的磁力线越多，环路上不同点间的电压差就越大，由地电位差引发的干扰就越严重。为降缓地电位差引发的干扰，需要尽量缩小接地环路面积，降低地环路电压。因此，在接地网构建中，不仅是要搭接成环路的接地网格，还要根据场所安装设备性质不同，设计不同网格面积的接地网。比如，中控室、继电器小室、通信设备室等是集中安装敏感性较高的设备之地，需要加密接地网格，《导则》推荐在室内构建2 m×2 m的接地铜排网格，而在室外则无此要求。

2.2 高斯散度定理奠定多环路接地网理论基础

对于高频骚扰电流，入地点并不是单一的，它只是电流回路中的一部分，电流至少要通过一支其它导体返回源头，如图2所示，图中支路线段宽度表示其中电流的大小。

图2 环路多点接地系统示意图Fig.2 Schematic diagram for looped multi-point earthing system

如同高斯散度定理所描述的，

式中:J为全电流；D为电移位；iv为运流电流，流动环节形成；ic为传导电流。

变电站属于无源场，其散度值为零，如公式（2）中所表达的那样。从公式中（2）可见，在变电站内，骚扰电流源产生磁场在本区域生成的全电流J为某一定值时，运流电流越大，传导电流越小。运流电流是在磁场传播过程中在与其环链的闭合导体中产生的感应电流，其生成的反向磁通抵消原磁通，运流电流越大，传导电流就越小，由传导电流产生的传导性干扰就越小。

建立在此原理基础上的等电位接地网就是要将变电站地面所有不带电的金属体如进线门型架、母线构架、设备支架、电缆托盘、金属管道及设备外壳等采用良导体相互连接成环路，以此构成地面三维接地网。利用接地网的网格状环路能环链骚扰磁通而产生更多的运流电流，从而减少传导电流支路数和电流，达到削减传导性干扰的作用。

2.3 克希荷夫定理确立地面接地网的理论依据

克希荷夫的闭合回路电压降之和定理，

即

即电压升等于电压降，又有

可由等式（1）和（5）推导出

当约定Φ、I为变化量时，回路电感可由图3表示,Z=R+jωL,L=Φ/I。

图3 电流回路的阻抗及电感Fig.3 Impedance and inductance of current loop

这又表明，接地回路电感量与回路环链的磁通量成正比，而与回路电流成反比。也就是说，接地环路所包围的面积越小，环链磁通量少，回路电感量就越小；回路中电流越大，电感量就越小。

不难看出，可以在两个方面应用这一结论：其一，通过缩短接地引线长度（＜10 cm）或无引线搭接来减小接地环路面积，即可减少所包围的磁力线，从而达到降低回路阻抗的目的；其二，尽可能利用地面接地导体构成接地网格，不与土壤接触，使得环路电流不因土壤散流而减少，不至于使得接地回路电感增加，接地阻抗增大。否则，接地回路阻抗要受土壤电阻率的影响，电阻率越低则对回路阻抗影响越大，这就是为什么要搭接地面接地网格，而不是加强地下主接地网的理由。

诚然，地下主接地网的水平导体没有地面接地导体的效果好，但还是能起到辅助作用，尤其是当地面接地导体不能自成闭合环路时，可将其与地下主接地网连接构成环路，仍然能起到一定的降低接地回路阻抗的作用。否则，不成环路的接地导体不能起到应有作用。

综上所述，运用以上理论采用良导体将地面不带电的导电体相互连接成多环路的三维等电位接地网，并在适当的位置与主接地网连通，构成全站的接地系统。利用该接地系统降低传导电流产生的传导性干扰和地电位差干扰；设备就近实现无引线或短引线接地，从而获得进一步降低接地阻抗的效能。通过以上措施达到消除或降缓回路耦合干扰的目的。

3 结语

（1）根据麦克斯韦电磁感应定理，闭合回路的感应电压等于其交链的磁力线的变化率。要降低回路感应电压，就要减少其包围的磁力线，即缩小环路包含的面积。对于集中安装敏感源设备的控制室，要降低接地环路产生地电位差干扰，就需要加密接地网格，缩小网格的面积。

（2）高斯散度定律表明，对于每一流入大地的全电流，除了运流（环路）电流外，至少有一支传导电流要通过其它导体返回其源，并有运流电流越大，传导电流就越小。据此，要降缓传导性电磁干扰，需要接地环路产生更多的运流电流，减少传导电流，可采用搭接地面三维接地网与地下主接地网构成全站的接地系统来实现。

（3）根据克希荷夫沿回路电压降之和为零的原理，推导出回路电感与环链的磁通成正比，与回路电流成反比。据此，为避免接地环路经土壤散流，而导致回路电感增加，需要搭接不与土壤接触的地面接地网。

以上三条奠定了变电站搭接地面等电位接地网与地下主接地网共同组成的接地系统，以适应二次设备抗电磁干扰要求的理论依据。

（References）

[1]国际大电网会议36.4工作组.发电厂和变电站电磁兼容导则[S].北京:中国电力科学研究院,2000.

CIGRE,36.4 Work Group.Power plants and substa⁃tions electromagnetic compatibility guidelines[S]. Beijing:China Electric Power Research Institute, 2000.

[2]国家电网公司运维检修部.国家电网公司十八项重大反事故措施（修改版）及编制说明[S].北京:中国电力出版社,2012.

The Operation,Maintenance and Overhaul Depart⁃ment of State Grid Corporation of China.The eigh⁃teen major anti-accident measures of State Grid Corporation of China(revised version)and explana⁃tion[S].Beijing:China Electric Power Press,2012.

[3]杨继深.电磁兼容技术之产品开发与认证[M].北京：电子工业出版社，2004.

Yang Jishen.EMC's product development and certi⁃fication[M].Beijing:Electronic Industry Press，2004.

Grounding of Secondary System in Smart Substation: (1)Theoretical Study

YIN Jiangang1，HUANG Xunxun2，HUANG Xuyin3，ZHANG Ting4
(1.State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China; 2.Zhongneng Power-Tech Development Co.,Ltd.,Beijing 100034,China; 3.Beijing Sifang Automation Co.Ltd.,Beijing 100085,China; 4.Central Southern China Electric Power Design Insititue Co.Ltd.,Wuhan Hubei 430071,China)

The uncharged conductors on the ground are connected to each other by high conductiv⁃ity conductors to form a three-dimensional multi-loop equipotential ground network.The network is connected with the main grounding network on proper points,which constitutes the grounding sys⁃tem of the whole substation.The equipments can conveniently implement lead-free or lead short grounding through the grounding system,which reduces conducted interference and ground poten⁃tial difference interference caused by the conduction current,and further reduces the effectiveness of the grounding impedance.These measures can eliminate or reduce the coupling loop interference.

sensitive source；disturbance source;coupling path;equipotential grounding network

TM862

A

1006-3986(2016)04-0001-04

10.19308/j.hep.2016.04.001

2016-03-06

殷建刚 (1971)，男，江苏江阴人，高级工程师。