关于变电站保护二次电缆屏蔽层接地方式研究

白立强

（国网山东省电力公司东阿县供电公司，山东聊城，252200）

1 变电站的主要干扰源及耦合方式

1.1 主要干扰源分析

变电站干扰源类别多样，本质上看，变电站在常规工作状态下是一个巨大的电磁场，即便出现异常，也对周围具有明显的干扰，这种干扰均属于电磁干扰。当外界存在其他电磁场时，干扰是相向进行的，也即一般意义上的互扰。结合常规工作资料可以发现，变电站干扰源包括七个方面，即处于运行状态下的一次设备（非运行状态下影响较小）、自然状态下快速富集的带电粒子（比如雷电）、一次系统中开关操作产生的电场、由于异常工作产生的短路电流、二次回路、设备的局部放电现象、其他通信设备和步话机的工作。

1.2 耦合方式分析

耦合方式上看，不同干扰源也存在差异，这种差异带有一定的不确定性，主要受到干扰源发生位置和强度的影响。根据文献资料记载，可以将耦合的常见方式分为四大类，即电场耦合、磁场耦合、电磁辐射干扰和公共阻抗耦合。电场耦合也被称为电容耦合，在正常情况下，所有通过电能驱动的设备，自身都存在分布电容，变电站的特殊环境使此分布电容和用电设备受到了更多因素的影响，包括耦合电容、补偿电容、电容式电压互感器等等，当导体上的电压以不同电容作为媒介，影响其他导体的电位时，会产生传导型干扰，电场耦合情况就产生了。磁场耦合也被称为电感耦合，多由带有电流的导体产生，其与交变磁场会在其周围闭合电路中产生感应电势，造成耦合现象。电磁辐射干扰主要受到高频电磁干扰影响，可以形成差模干扰，也可能形成共模干扰。公共阻抗耦合多由电位差导致，较为常见，但危害较小。

2 屏蔽层的抗干扰作用

2.1 屏蔽层的抗干扰作用基本原理

为求应对各类干扰，现代变电站多采用屏蔽层进行抗干扰保护，屏蔽层抗干扰的原理实际上比较简单，主要是通过物理隔绝的方式应对放电问题，只要保持其电位与保护目标相当，就能够有效的应对互扰，既能避免外界对变电站设备造成电磁干扰，也能避免保护对象出现放电情况，干扰外界活动。当前的控制、信号电缆多采用由细铜丝（经过电镀处理）编织层构成的屏蔽层。屏蔽层覆盖率一般在90%以上，芯线为1对或者多对双绞线。对屏蔽层的抗干扰作用进行分析，可以就电容性耦合、电感性耦合两个方面入手。

2.2 电容性耦合

结合一般性工作资料可以发现，电容性耦合是变电站各类干扰源的主要耦合方式，这是由于变电站的不同电气设备几乎总是处于运行状态，且各类设备本身的电容也始终是存在的，电容性耦合也就无法避免。早在20世纪早期，德国学者就曾对电容性耦合的控制进行过研究，结果上看，在不采用接地手段的方式下，其他方法很难对电容性耦合产生控制作用，当时的德国科学家路德维希甚至尝试将设备埋入地下，但处理效果依然不够理想。现代屏蔽层接地处理通常根据变电站工作需要确定接地端数目，研究结果上看，应用1个或者2个接地端都能起到控制电容性耦合的作用，且结果接近。如果屏蔽层接地电阻为零，且屏蔽编织层的覆盖率为 100%，则芯线上的感应电压为零。从电磁场的角度来看，如果屏蔽体接地良好，则电场终止于屏蔽体，直接耦合到地。

2.3 电感性耦合

电感性耦合的出现与电位差存在直接关系，集合此前一般性工作资料，可以发现电感性耦合还可能受到其他因素的影响，不同线路之间的电位差、老化程度以及工作内容的差异都可能导致互扰，这种互扰的电压可以通过计算式表达：

U21=JωM12I1. （1）

式中，1、2表示两根不同的电缆线，U表示电压，I表示电流。J、ω、M表示各类影响因素。此处将电缆线看做是常规导体，当2号线路应用屏蔽层进行了保护，且没有进行接地时，屏蔽层没有改变导线 1 和导线 2 之间的几何位置关系，计算式和计算结果不发生任何改变；当屏蔽层进行了接地处理，计算结果将受到影响，额外增加了接地电流传导系数，该系数受到导线电流大小影响存在变动可能，一般稳定在80%-98%之间，即互扰电压计算为：

（20%-2%）U21=JωM12I1. （2）

式2中，U表示电压，I表示电流。J、ω、M表示各类影响因素，括号中的“20%-2%”代表屏蔽层接地后的影响系数，带有一定的动态变化特征，但能够显著降低两条线路之间的忽然水平。

3 屏蔽层接地方式

以上述研究为基础，提升屏蔽层接地建议如下：在研究中，屏蔽层接地工作可以对芯线中的信号产生干扰，这种影响主要受到屏蔽层内部电流的影响。经过后续实验研究，该构想得到证实，屏蔽层中流过的电流越大，其对芯线中信号的影响也越大，因此在非必要情况下，不建议应用单根线路进行电能的传输。也有研究表明，当过大电流瞬间注入接地网，可能导致屏蔽层被瞬间烧毁。我国学者的研究则表明，屏蔽层表面电镀工艺水平、老化程度也会影响其工作效果。因此要求在进行屏蔽层接地时，使其远离水源，并强调电镀工作质量，周期进行材料更换。

研究结果可以发现，屏蔽层中的电流并不是完全来自线路本身，有大约2%-10%来源与外界磁场产生的感应电流，其作用是抵消外界磁场的干扰，另有一部分属于噪声电流，通常地网电阻越小，噪声电流就越小，在实际工作中，芯线与屏蔽层之间存在分布电容、分布电感，噪声电流会成为一个持续存在的小型电压源、电流源，干扰线路工作，这种干扰基本为共模形式，为避免噪音电流干扰，要求在工作中设法降低地网电阻，加大屏蔽层埋深，将电流控制5A以下。

在地网电阻较低的情况下，可以应用扁钢或铜排进行接地导体的并联，实现电流的分散处理。该项工作的积极价值在于，在屏蔽层的外围额外增设了保护层，能够使感应电流在固有基础上下降10%-85%，通常并联导体越多，下降作用越明显，此外并联电流距离越大，感应电流的下降也越大。此外，为进一步提升保护效果，要求在进行接地处理时候注意二次电缆位置，使其要尽可能原理高频暂态电流入地点（例如避雷器、避雷针的接地点，电容式低压互感器、耦合电容器和带电容型套管设备的接地点），一般性变电站应保证二者距离在5m以上。