变电站二次等电位接地网设置方法

郭宜果，魏 鑫，王慧轩

（国网山东省电力公司电力经济技术研究院，山东 济南 250021）

0 引言

为保障电力系统可靠运行和故障条件下变电站电气设备和人员的安全，需要设置接地装置，构成电力系统和电气设备与大地的电气连接。相对于一次设备来说，变电站内二次系统耐压能力弱，更易受到电磁干扰，如果将其直接接在主接地网上，变电站正常运行或出现故障时可能产生较强的电磁干扰，严重时影响二次设备运行，因而需要设置单独的二次等电位接地网［1］。

二次等电位接地网用于变电站内监控、保护、测量、通信等二次设备及连接光缆、电缆线的接地，是全站接地网的一部分。随着电力系统规模的扩大及智能化、互动化的深度发展，变电站内二次设备数量种类日益增多，重要性也日益提高，二次等电位接地是保障二次设备安全可靠运行的重要环节，需要予以进一步的关注。

不同规范对于二次等电位系统的屏柜接地设置、室内等电位地网与主地网的连接方式、电缆沟屏蔽铜排的设置方面存在差异，实际工程中二次等电位系统的设置方式不统一，实际工程中问题较多［2］，对电网的实际运行产生不利的影响［3-4］。因而有必要对变电站二次系统可能受到的干扰及接地种类进行归纳，在此基础上对现行规程规范中二次等电位接地的相关内容进行分析，总结出适用的变电站二次等电位接地设置原则。

1 二次系统干扰源及接地的分类

1.1 二次系统干扰源的分类

变电站是一个强电磁干扰环境，正常运行时会因为电力系统的工频电压、电流对二次系统产生一定的工频干扰，也会因为一次设备操作、局部放电、电晕等产生高频电磁干扰；在雷击或短路等故障情况下，系统参数剧烈变化，可能通过传导、耦合对二次系统产生更大的影响［5］。一般来说，变电站设计时均采取了降低干扰的措施，正常运行的干扰对二次系统的影响不大，但是由于故障本身的不确定性，会对二次系统产生更强的干扰。因而，威胁二次系统的主要干扰源有两类：电力系统短路时，在空间形成的工频电磁干扰、工频入地电流和电位分布（电位差）；电力系统、变电站遭受雷击时，雷电流流经避雷针、避雷器进入地网，形成的高频暂态干扰。

这些干扰侵入二次系统的主要方式有电场耦合、磁场耦合、辐射、传导等［6］。

1.2 二次系统干扰源的分类

1.2.1 按功能划分

从二次系统接地的功能上划分，可以分为以下4 类。

逻辑接地。一般保护、测控等装置的开关量开入、输出控制回路的逻辑信号公共端均需要接地，形成稳定的参考零电位。对于逻辑接地来说，要求接地电阻很低，提供装置所有逻辑电路的公共基准点。微机装置中使用的各种TTL 门电路的逻辑“1”和“0”电平的电位差仅2 V 多，如果公共地的接地电阻较大，则会在信号地线上产生电位波动，造成微机装置的工作异常甚至损坏［7］。值得注意的是，部分二次设备逻辑接地是悬空的，与外部没有任何电气的联系，不需要逻辑接地［8］。

安全接地。二次设备本身有电源接入，出于人身安全考虑，要求二次设备及安全二次设备屏柜采用专用的接地线可靠接地。

互感器接地。出于测量准确性和设备安全性的考虑，电压互感器、电流互感器的中性线（N）需要可靠接地。

电缆屏蔽接地。大部分干扰信号是通过二次回路侵入二次系统的，因而采用屏蔽电缆加强对二次回路的屏蔽，对电缆的屏蔽层进行接地是过滤侵入二次回路各种干扰的重要措施。

1.2.2 按组成划分

二次系统的接地是通过构建二次等电位接地网实现的，根据等电位地网的组成来说，可以分为以下3 个部分：

屏柜、箱体的接地。设置于安装二次设备的屏柜、箱体上，主要为本柜内二次设备、回路提供接地。

室内等电位地网。安装二次设备屏柜的房间内敷设专用地网，构建等电位面，有效减少参考电位差异带来的干扰。

电缆沟屏蔽铜排。沿二次电缆敷设于电缆沟内，为二次电缆提供屏蔽、接地。

2 二次等电位接地的设置

2.1 屏柜接地设置

现行标准 GB／T 14285—2006、GB 50169—2006、GB／T 50976—2014 和DL／T 5136—2012 均要求保护、控制屏柜下部应设置截面不小于100 mm2的接地铜排［7，9-11］，但对接地铜排设置的数量、是否与屏柜绝缘、铜排与屏柜上装置的连接方式等方面，各规范要求不够明确。

二次屏柜不仅需要提供保护、测控装置等直流装置的正常工作接地，还要提供辅助设备等交流设备的保护接地。为避免交流系统的波动对直流装置的损害［8］，二次屏柜应设置两根接地排，其中与屏柜电气可靠连接的一根用于交流系统保护接地，另一根用于直流系统设备工作接地。

DL／T 5136—2012 指出，当单个屏柜内部的多个装置的信号逻辑零电位点分别独立，并且不需要引出装置小箱（浮空）或需与小箱壳体连接时，总接地铜排可不与屏体绝缘；当屏柜上多个装置组成一个系统时，屏柜内部各装置的逻辑接地点应均与装置小箱壳体绝缘，并分别引接至屏柜内总接地铜排，总接地铜排应与屏柜壳体绝缘。GB／T 14285—2006 仅要求装置的接地端子应采用截面不小于4 mm2的多股铜线和接地排相连，接地铜排应用截面不小于50 mm2的铜缆与保护室内的等电位接地网连接。GB／T 14285—2006 对于“装置的接地端子”描述不够准确，二次系统的接地包括多种，如全部接到二次等电位铜排上将会产生问题。

当柜内装置的逻辑接地点不引出时，屏柜接地方式有2 种，分别如图1 和图2 所示。图1 中，屏柜内分别设置一次、二次接地排，二次接地排与柜体不绝缘。屏柜内一次接地排与保护室一次接地网紧密连接，二次接地排与二次等电位地网连接，装置外壳接地端子与二次接地排连接。由于二次等电位地网与一次接地网是在保护室电缆竖井位置一点连接的，构建二次设备室等电位接地体，在这种连接方式下，二次地网与屏体不绝缘，则二次设备室的等电位地网通过屏柜与一次地网连接，破坏了二次地网的一点接地。图2 所示的接地方式将图1 的二次接地排与屏柜绝缘，装置外壳接地端子与一次接地排连接，二次接地排连接电缆屏蔽层、互感器中性线等。此时保护的二次接地与一次接地完全分开，不会将一次地网中的干扰引入二次等电位地网。

图1 逻辑接地不引出的屏柜接地方式Ⅰ

图2 逻辑接地不引出的屏柜接地方式Ⅱ

当屏柜内逻辑接地点需要引出时，屏柜接地方式有2 种，分别如图3 和图4 所示。图3 中，屏柜内设置两根接地排，二次接地排与屏柜绝缘。如果将保护的逻辑接地、装置外壳接地都接到二次接地排时，由于装置的外壳本身与屏柜是结构上连接的，一次接地网会构成“一次接地排—装置外壳—二次接地排—二次等电位地网”的通路，从而将一次接地网的干扰在屏柜处引入二次等电位地网。由于保护的逻辑接地引出接到二次接地排，一次地网的干扰将直接窜入保护装置内部，对保护装置造成影响。图4 所示接地方式有效避免了这个问题，将保护装置的外壳与一次接地排连接，断开一次接地网与二次等电位地网的通路，实现两者的隔离，保证装置的安全可靠运行。

图3 逻辑接地引出的屏柜接地方式Ⅰ

图4 逻辑接地引出的屏柜接地方式Ⅱ

综合以上分析，无论二次装置的逻辑接地点是否引出，二次屏柜上均应设置两根接地铜排，一根与屏柜可靠连接，另一根与屏柜绝缘。屏柜上的二次装置外壳应连接与屏柜绝缘的铜排，装置逻辑接地、互感器中性线、电缆屏蔽层应连接与屏柜绝缘的接地铜排。

2.2 室内等电位地网设置

DL／T 5136—2012 要求保护室屏柜下的电缆沟或电缆半层内，应该沿屏柜方向敷设截面不小于100 mm2的铜排，并将首尾两端连接，形成独立设置室内等电位地网，该地网应采用不少于50 mm2的4 根铜排与变电站的一次接地网相连。文献［12-13］对连接进行了具体规定，要求室内等电位地网必须与主接地网的连接点只能有一点，连接点应设置在电缆竖井或电缆沟道入口处。具体方式如图5 所示。

图5 室内等电位接地网敷设

小室二次等电位地网与主控制室内二次等电位地网的连接有两种方式。

方式Ⅰ如图6 所示，主控制室内等电位地网就近与一次地网连接，保护小室二次等电位地网未就近与一次地网连接，通过连接铜排与主控室二次等电位地网连接。在这种连接方式下，如果系统内的故障造成一次地网电位分布不均，主控制室处一次地网地电位为U1，远方的二次小室处地网电位为U2，装置外壳电位与一次地网电位一致，也为U1。二次小室处等电位地网与主地网不连接，通过连接铜排接到主控制室二次等电位地网，故小室二次等电位地网的电位为U2，保护装置的逻辑接地与小室内二次等电位地网连接，因而装置内部逻辑接地点电位也为U2。保护装置外壳和内部存在电位差U1-U2，仿真计算表明［14］，即使面积不大的变电站（50 m×50 m），小室处的地电位与主控制室处的在短路故障时地电位差可达600～700 V，雷击故障时甚至能达到7～18 kV，微机承受工频电压一般不大于3 kV，冲击耐受电压低于6 kV［15］，如此大的电压差足以造成保护装置损坏，影响系统的安全运行。

图6 全站等电位地网连接方式Ⅰ

方式Ⅱ如图7 所示，小室内等电位地网就地与主地网连接后，通过铜排连接至控制室主地网。虽然小室和主控室电位不一致，由于连接铜排的电阻率很低，可起到对主控室和小室的一次地网的均压作用，使得两点电位差大大降低［14］，保证装置的安全。值得注意的是，为避免额外干扰，二次小室与主控室等电位地网的连接铜排应接在两者与各自一次地网的一点接地处。

图7 全站等电位地网连接方式Ⅱ

2.3 电缆沟屏蔽铜排设置

DL／T 1682—2016 要求沿二次电缆沟道敷设截面不小于100 mm2铜排，且电缆屏蔽层在端子箱处与该铜排连接，保护室内与二次等电位地网连接。《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》对于铜排与室内等电位地网的连接进行了规定，要求铜排在端子箱处与一次地网连接，在与室内等电位地网与主地网的一点接地处连接。然而，变电站内电缆沟众多，许多电缆沟呈环形布置，电缆沟内敷设铜排是否与电缆沟一致，DL／T 1682—2016 对此没有规定，需要进行具体分析。

图8 屏蔽铜排电磁耦合

如图8 所示，发生短路时，除了考虑由于地电位分布不均，在电缆沟屏蔽铜排上产生的干扰电流外，还应考虑短路电流沿地网流动时因电磁耦合在屏蔽铜排中产生的感应电流。计算数据表明，高压母线发生短路时，可能产生高达数千伏的共模电压作用在屏蔽线中［16］。由于二次电缆屏蔽层两端连接在电缆沟屏蔽铜排上，二次电缆缆芯可能感应出较大的干扰电压，对二次回路产生干扰。

如图9 所示，如果屏蔽铜排沿电缆沟敷设并构成环形。此时某一屏蔽铜排回路产生的干扰电压会沿各个环路传播，将干扰引入与之相关的所有回路，在更大范围内对二次设备造成威胁。相反，如图10所示，屏蔽铜排采用辐射式布置，在首端接于二次等电位地网一点接地处，远端在端子箱处与一次地网就近连接，这样可以破坏环路条件，减小干扰范围。

图9 电缆沟屏蔽铜排设置方式Ⅰ

图10 电缆沟屏蔽铜排设置方式Ⅱ

事实上，对于地电流特别大的变电站，可以把二次电缆屏蔽层在端子箱处经接地电阻与一次地网连接。

3 结语

由于二次设备本身的特殊性，二次系统的接地与一次系统的接地设置原则有一定的差异。经过分析，二次等电位地网的设置中应注意3 个问题。

二次屏柜内均应设置2 根接地排，一根与屏柜可靠连接，用于低压交流供电的保护线接地、屏内安装的二次设备外壳接地；一根与屏柜绝缘，并与室内二次等电位地网可靠连接，用于装置的逻辑引出接地、电缆屏蔽层接地、保护中性线接地。

各保护小室内分别设置的等电位地网应就近与一次接地网一点连接，保护小室之间的等电位地网与主控制室等电位地网采用铜排连接，连接点设在等电位地网与一次地网一点连接处。

电缆沟内辐射式设置二次屏蔽接地排，在首端接于二次等电位地网一点接地处，远端在端子箱处与一次地网就近连接，不应构成环形闭合回路。