變電站二次系統等電位接地網敷設方式研究綜述

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(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031;2.四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041)

變電站二次系統等電位接地網敷設方式研究綜述

周思宇1,陳洛風2,杜洪波2,張利丹2

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031;
2.四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041)

近年來，隨著智能化變電站的興建，大量使用了基于數字電路原理工作的設備，這對二次系統抗干擾的能力提出了更高的要求，合理的二次系統等電位接地方式顯得尤為重要。首先，對二次系統等電位接地網的敷設方式研究現狀進行了歸納總結，涵蓋了等電位接地網總體敷設原則、室內外接地銅排敷設常見問題、等電位接地網和主接地網連接方式3個部分核心內容。最后分析了目前研究存在的問題和未來的研究方向。

二次設備；等電位接地網；接地銅排；主接地網

0 引 言

隨著電力系統的不斷發展，電壓等級和系統容量都在不斷提高，二次系統的監控、保護、測量、控制水平也在不斷提升，微處理器數字設備在二次系統中得到廣泛的應用。相較于老式的電磁設備，電子元件擁有更高的靈敏度，但抗干擾能力明顯減弱，對高頻信號、暫態干擾具有敏感性。在二次系統中，幾乎所有的電氣量都通過二次電纜引入設備，因此，系統故障時的各種暫態環境，諸如雷電過電壓、故障過電壓、電磁輻射等均易對二次電纜產生干擾，影響二次設備的運行。因此，研究二次系統接地方式，優化等電位接地網的敷設方法，對削弱電磁干擾，提高二次設備運行的完全性、可靠性有重大意義[1-2]。

國外對二次設備抗干擾的研究，主要集中在變電站電磁環境及其相關算法上，未有文獻涉及二次系統等電位接地網敷設研究。國內，國家電網公司頒布了《十八項電網重大事故措施(修訂版)及編制說明》(以下簡稱《反措》)，其中明確指出二次系統應敷設與主接地網緊密連接的等電位接地網[3]。但《反措》對一些細節問題并沒能做出確切的規定，導致各變電站等電位接地網的敷設方式無法統一。

下面通過對現有文獻資料的研究，從總體敷設原則、室內外接地銅排敷設常見問題、與主接地網連接方式3個方面總結了等電位接地網的敷設方式，分析了現有研究的不足并對未來研究方向做了展望。

1 等電位接地網總體敷設原則

1.1 等電位接地網適用電壓等級

對于等電位接地網適用的電壓等級范圍，《反措》中并未明確說明。文獻[4]通過分析認為，敷設等電位接地網的目的，是為了防止在發生接地故障時故障電流侵入二次電纜屏蔽層繼而對二次設備產生影響，因此，當變電站為不接地系統時，例如35 kV或10 kV變電站，可無需設置等電位接地網。對于110 kV及以上電壓等級的變電站，因能產生較大的地電位差，則需設置等電位接地網。文獻[5]則認為，220 kV及以上電壓等級的變電站，需敷設獨立的等電位接地網，110 kV變電站至少應敷設室內的等電位接地網。文獻[6]指出，應以220 kV電壓等級為界限，220 kV及以上電壓等級需敷設全站等電位接地網。

1.2 等電位接地網基本敷設原則

《反措》中對等電位接地網的敷設原則已做了詳細的要求，文獻[7]在此基礎上指出，室內等電位接地銅排應首尾相連，形成“目”字形環狀網絡，具體連接方式如圖1所示。

圖1 室內等電位接地網敷設方案

1.3 智能變電站等電位接地網敷設方式

隨著智能變電站的大量興建，對于光纖和電纜的使用有了一些變化。文獻[4]認為，雖然光纖對于故障干擾不敏感，但雷擊仍可以通過金屬成分進入，因此光纜的金屬鎧甲應接地，智能變電站仍需敷設等電位接地網。文獻[8]通過理論分析認為，智能變電站應利用高導電率導體將地面所有不帶電的金屬體如進線門型架、母線構架、設備支架、電纜托盤、金屬管道及設備外殼等連接起來，構建三維接地網，再與主接地網在合適位置連接，有效地降低了傳導干擾。文獻[9]提出了一種室內組合式二次設備一體化接地方案運用于智能變電站。

2 室內外接地銅排敷設常見問題分析

《反措》中雖然規定了等電位接地網的基本敷設原則，但對室內屏柜內部、室外電纜溝等接地銅排的設置方式，并未提出明確規定，導致目前在施工中沒有統一的執行標準，容易引發事故。

2.1 室內屏柜內部接地銅排設置

目前屏柜內部接地銅排的設置，一般有3種方式：設置1根接地銅排并與柜體連接；設置1根接地銅排與柜體絕緣；設置2根接地銅排，1根與柜體連接，1根與柜體絕緣。

文獻[7]提出室內保護屏柜下部應安裝截面積不小于100 mm2的接地銅排，并通過小絕緣子與柜體相連。屏柜內的保護設備、電纜屏蔽線及電壓、電流互感器接地線均連至接地銅排。文獻[10]同樣認為所有保護屏柜內的接地銅排應與柜體絕緣，所有二次接地全部接至接地銅排。具體接線方式如圖2所示。

圖2 屏柜內接地銅排應用方案1

文獻[11]提出，室內保護控制柜內部設置的接地銅排不應與柜體絕緣。文獻[12]認為，屏柜內部的接地銅排若使用絕緣子與柜體相連，當發生雷擊時，柜體接地銅排和柜體內的設備間將形成高電位差，造成反擊，因此，屏柜內接地銅排與柜體間不應使用絕緣子，應使用短線技術，將柜體內接地銅排和室內等電位接地網就近相連，使得柜體及內部二次設備始終保持等電位。文獻[13]同樣認為柜體與屏柜內接地銅排絕緣連接會導致屏柜內產生高電位差，損壞微機設備。具體接線方式如圖3。

圖3 屏柜內接地銅排應用方案2

文獻[14]指出，二次屏柜內部需設置2根接地銅排。1根為主接地網銅排，與柜體焊接，柜內裝置機箱外殼接地線與屏柜門接地線連接至此銅排。1根為等電位接地網專用銅排，電纜屏蔽層和電流、電壓互感器二次回路N線接至此銅排。文獻[15]認為，電纜屏蔽層和裝置接地端子都應接至等電位接地銅排，如圖4所示。文獻[4]卻認為，各裝置的抗干擾接地和交流電源接地應接至主接地網銅排上，如圖5所示。

圖4 屏柜內接地銅排應用方案3

圖5 屏柜內接地銅排應用方案4

文獻[16]通過對屏柜內部接地銅排不同設置方式進行研究，指出在圖2的連接方式中二次裝置連接到接地銅排，但裝置箱體與柜體接觸連接，形成“主接地網—接地槽鋼—柜體—二次設備—接地銅排—等電位接地網”的通路，這種連接方式將干擾引入到了二次設備，并形成了多點接地。而圖3的連接方式，則形成了“主接地網—接地槽鋼—柜體—接地銅排—等電位接地網”的通路，雖然也形成了多點接地，但防止了干擾進入二次設備中。因此，在只設置1根接地銅排時，宜采用圖3的接線方式，即接地銅排與柜體不絕緣。當柜內設置2根接地銅排時，圖4的連接方式同樣造成了多點連接，且將干擾引入裝置。因此，宜采用圖5的連接方式，裝置均接至主接地網銅排，電纜屏蔽層接至等電位接地網專用銅排。

文獻[17]還提出另一種觀點，屏柜底部槽鋼不與主接地網連接，而與等電位接地網連接，從而保證屏柜內部無電位差，具體接線方式如圖6所示。

圖6 屏柜內接地銅排應用方案5

2.2 室外電纜溝接地銅排設置

對于電纜溝內等電位接地銅排的鋪設，普遍認為應使用100 mm2的裸銅排通過小絕緣子固定在電纜支架上，如圖7所示[14]。

圖7 電纜溝內銅排布設圖

但是，對于室外電纜溝內銅排的整體布局，以及銅排與主接地網在電纜溝內是否應該連接，仍存在爭議。

文獻[18]提出，電纜溝內的接地銅排應首尾相連，形成一個覆蓋所有二次端子箱的環網。文獻[11]也認為電纜溝的接地銅排應搭接成閉合環網。但文獻[5]指出，室外二次接地系統不宜首尾相連，否則當發生接地故障時，容易形成環流，對二次設備影響較大。文獻[10]也認為電纜溝內的接地銅排應布置成“M”字形的開放式結構，不宜布置成環網結構，防止形成環流。

對于電纜溝內接地銅排和主接地網的連接，文獻[4]提出，室外等電位接地網在電纜的首末兩端不與主接地網直接連接，而在電纜的中間部位與主接地網緊密連接，連接方式見圖8。文獻[19-20]認為在電纜溝遠端處及溝內每隔約15～20 m并靠近就地端子箱的位置上，等電位接地銅排與主接地網相接一次。而文獻[10，15]卻認為在電纜溝內，等電位接地銅排不應與主接地網相連接，否則在發生接地故障時，相當于在接地銅排上T接了一個電源，進而對電纜屏蔽層的抗干擾效果產生影響。文獻[17]分析提出，當戶外端子箱內的接地銅排和箱體絕緣時，端子箱附近發生接地故障將使箱體和接地銅排間形成高電位差，因此應在端子箱附近選擇合適位置將等電位接地網和主接地網可靠連接，而在其余地方，兩者應絕緣。文獻[21]指出，在此基礎上端子箱內接地銅排應同時與等電位接地網和主接地網連接。還有一種觀點認為，在室外電纜溝的末梢處，等電位接地網均應與主接地網一點連接。

圖8 電纜溝內銅排連接圖

3 等電位接地網和主接地網連接方式

對于等電位接地網與主接地網的連接方式，《反措》中有如下規定：保護室內的等電位接地網與廠、站的主接地網只能存在唯一連接點，連接點位置宜選擇在電纜豎井處。沿二次電纜溝道鋪設截面不小于100 mm2的銅纜(排)，并在保護室(控制室)及開關場的就地端子箱處與主接地網緊密連接，保護室(控制室)的連接點宜設在室內等電位接地網與廠、站主接地網連接處。

現有文獻中，有學者提出了不同的觀點。文獻[22-23]提出，為了防止將干擾引入二次系統，將不同部分的等電位接地網連接形成全廠的等電位接地網，并與主接地網一點連接，其余部分保持良好的絕緣，真正實現一點連接。文獻[24]運用電磁暫態軟件ATP-Draw，對等電位接地網一點接地與多點接地進行了仿真分析，再搭建模型進行了實驗驗證。結果表明，等電位接地網一點接地不但不能消除電位差，反而會將干擾引入二次系統，多點接地才能確保雷擊等造成的地電位差不對二次系統產生影響。文獻[1，12]也同樣通過仿真分析指出，等電位接地網與主接地網多點連接是更優方案。文獻[8]通過理論分析指出，單點接地的方式，并不適合頻率較高的場合，對于高頻設備，應就近接地，構成環路狀多點接地。

文獻[25]運用能夠考慮接地體上電位降的矩量法，建立了一個簡化的等電位接地網計算模型。通過比較工頻故障和雷擊下室內等電位接地網一點接地、兩點接地、四點接地3種不同方案得出：在一點接地時，在不顯著提升屏蔽層內最大故障電流的情況下，可以大幅降低電纜上承受的電壓，因此每個室內等電位接地網單點接地是最佳設計方案。同時還指出，全站等電位接地網整體一點接地的情況下，雖然等電位接地網內部的電位差很小；但會導致連接點遠端和主接地網產生很大的電位差，造成設備的絕緣擊穿，所以，不建議全站等電位接地網和主接地網一點連接。

4 結 語

《反措》中給出了等電位接地網的敷設方法，但在一些關鍵問題上，并沒有做出明確的闡述。針對等電位接地網的設置，現有的文獻資料十分有限，研究存在諸多不足，現總結如下：

1) 現有研究大多以理論分析為主。僅通過理論，缺乏相應的仿真分析和實驗驗證，給出的觀點難以令人信服。

2) 在相同的問題上，往往會出現幾種不同的觀點，甚至某些觀點之間相互矛盾，無法達成統一，無法對實際施工做出有效的指導。

3) 現有仿真分析或實驗驗證中所建立的等電位接地網模型都過于簡單，利用現有模型無法對全站等電位接地網進行有效的研究。并且，現有的仿真或實驗因為解決問題的角度不同，也無法得出統一的結論。

對于未來等電位接地網的研究，應以現有研究成果為基礎，結合智能變電站的發展，建立更為全面、更為精確的等電位接地網仿真模型，并搭建實驗模型進行驗證，得出更為合理的二次系統等電位接地網敷設方案。

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In recent years, with the construction of smart substations, the equipment based on digital circuits is extensively used, which proposes higher requirements for the anti-interference ability of secondary system. A reasonable equipotential grounding mode of secondary system is particularly important. he research status of laying methods for equipotential ground screen of secondary system is summarized, covering the overall laying principle of equipotential ground screen, the common problems of laying indoor and outdoor equipotential ground screen, and the connection between equipotential ground screen and main grounding grid. Finally, the existing problems and future research directions are analyzed.

secondary device; equipotential ground screen; ground copper bar; main grounding grid

TM862

A

1003-6954(2017)06-0024-04

周思宇(1991)，碩士研究生，研究方向為變電站接地。

2017-10-14)