關(guān)于變電站保護二次電纜屏蔽層接地方式研究

白立強

（國網(wǎng)山東省電力公司東阿縣供電公司，山東聊城，252200）

1 變電站的主要干擾源及耦合方式

1.1 主要干擾源分析

變電站干擾源類別多樣，本質(zhì)上看，變電站在常規(guī)工作狀態(tài)下是一個巨大的電磁場，即便出現(xiàn)異常，也對周圍具有明顯的干擾，這種干擾均屬于電磁干擾。當外界存在其他電磁場時，干擾是相向進行的，也即一般意義上的互擾。結(jié)合常規(guī)工作資料可以發(fā)現(xiàn)，變電站干擾源包括七個方面，即處于運行狀態(tài)下的一次設(shè)備（非運行狀態(tài)下影響較小）、自然狀態(tài)下快速富集的帶電粒子（比如雷電）、一次系統(tǒng)中開關(guān)操作產(chǎn)生的電場、由于異常工作產(chǎn)生的短路電流、二次回路、設(shè)備的局部放電現(xiàn)象、其他通信設(shè)備和步話機的工作。

1.2 耦合方式分析

耦合方式上看，不同干擾源也存在差異，這種差異帶有一定的不確定性，主要受到干擾源發(fā)生位置和強度的影響。根據(jù)文獻資料記載，可以將耦合的常見方式分為四大類，即電場耦合、磁場耦合、電磁輻射干擾和公共阻抗耦合。電場耦合也被稱為電容耦合，在正常情況下，所有通過電能驅(qū)動的設(shè)備，自身都存在分布電容，變電站的特殊環(huán)境使此分布電容和用電設(shè)備受到了更多因素的影響，包括耦合電容、補償電容、電容式電壓互感器等等，當導(dǎo)體上的電壓以不同電容作為媒介，影響其他導(dǎo)體的電位時，會產(chǎn)生傳導(dǎo)型干擾，電場耦合情況就產(chǎn)生了。磁場耦合也被稱為電感耦合，多由帶有電流的導(dǎo)體產(chǎn)生，其與交變磁場會在其周圍閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，造成耦合現(xiàn)象。電磁輻射干擾主要受到高頻電磁干擾影響，可以形成差模干擾，也可能形成共模干擾。公共阻抗耦合多由電位差導(dǎo)致，較為常見，但危害較小。

2 屏蔽層的抗干擾作用

2.1 屏蔽層的抗干擾作用基本原理

為求應(yīng)對各類干擾，現(xiàn)代變電站多采用屏蔽層進行抗干擾保護，屏蔽層抗干擾的原理實際上比較簡單，主要是通過物理隔絕的方式應(yīng)對放電問題，只要保持其電位與保護目標相當，就能夠有效的應(yīng)對互擾，既能避免外界對變電站設(shè)備造成電磁干擾，也能避免保護對象出現(xiàn)放電情況，干擾外界活動。當前的控制、信號電纜多采用由細銅絲（經(jīng)過電鍍處理）編織層構(gòu)成的屏蔽層。屏蔽層覆蓋率一般在90%以上，芯線為1對或者多對雙絞線。對屏蔽層的抗干擾作用進行分析，可以就電容性耦合、電感性耦合兩個方面入手。

2.2 電容性耦合

結(jié)合一般性工作資料可以發(fā)現(xiàn)，電容性耦合是變電站各類干擾源的主要耦合方式，這是由于變電站的不同電氣設(shè)備幾乎總是處于運行狀態(tài)，且各類設(shè)備本身的電容也始終是存在的，電容性耦合也就無法避免。早在20世紀早期，德國學(xué)者就曾對電容性耦合的控制進行過研究，結(jié)果上看，在不采用接地手段的方式下，其他方法很難對電容性耦合產(chǎn)生控制作用，當時的德國科學(xué)家路德維希甚至嘗試將設(shè)備埋入地下，但處理效果依然不夠理想。現(xiàn)代屏蔽層接地處理通常根據(jù)變電站工作需要確定接地端數(shù)目，研究結(jié)果上看，應(yīng)用1個或者2個接地端都能起到控制電容性耦合的作用，且結(jié)果接近。如果屏蔽層接地電阻為零，且屏蔽編織層的覆蓋率為 100%，則芯線上的感應(yīng)電壓為零。從電磁場的角度來看，如果屏蔽體接地良好，則電場終止于屏蔽體，直接耦合到地。

2.3 電感性耦合

電感性耦合的出現(xiàn)與電位差存在直接關(guān)系，集合此前一般性工作資料，可以發(fā)現(xiàn)電感性耦合還可能受到其他因素的影響，不同線路之間的電位差、老化程度以及工作內(nèi)容的差異都可能導(dǎo)致互擾，這種互擾的電壓可以通過計算式表達：

U21=JωM12I1. （1）

式中，1、2表示兩根不同的電纜線，U表示電壓，I表示電流。J、ω、M表示各類影響因素。此處將電纜線看做是常規(guī)導(dǎo)體，當2號線路應(yīng)用屏蔽層進行了保護，且沒有進行接地時，屏蔽層沒有改變導(dǎo)線 1 和導(dǎo)線 2 之間的幾何位置關(guān)系，計算式和計算結(jié)果不發(fā)生任何改變；當屏蔽層進行了接地處理，計算結(jié)果將受到影響，額外增加了接地電流傳導(dǎo)系數(shù)，該系數(shù)受到導(dǎo)線電流大小影響存在變動可能，一般穩(wěn)定在80%-98%之間，即互擾電壓計算為：

（20%-2%）U21=JωM12I1. （2）

式2中，U表示電壓，I表示電流。J、ω、M表示各類影響因素，括號中的“20%-2%”代表屏蔽層接地后的影響系數(shù)，帶有一定的動態(tài)變化特征，但能夠顯著降低兩條線路之間的忽然水平。

3 屏蔽層接地方式

以上述研究為基礎(chǔ)，提升屏蔽層接地建議如下：在研究中，屏蔽層接地工作可以對芯線中的信號產(chǎn)生干擾，這種影響主要受到屏蔽層內(nèi)部電流的影響。經(jīng)過后續(xù)實驗研究，該構(gòu)想得到證實，屏蔽層中流過的電流越大，其對芯線中信號的影響也越大，因此在非必要情況下，不建議應(yīng)用單根線路進行電能的傳輸。也有研究表明，當過大電流瞬間注入接地網(wǎng)，可能導(dǎo)致屏蔽層被瞬間燒毀。我國學(xué)者的研究則表明，屏蔽層表面電鍍工藝水平、老化程度也會影響其工作效果。因此要求在進行屏蔽層接地時，使其遠離水源，并強調(diào)電鍍工作質(zhì)量，周期進行材料更換。

研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，屏蔽層中的電流并不是完全來自線路本身，有大約2%-10%來源與外界磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其作用是抵消外界磁場的干擾，另有一部分屬于噪聲電流，通常地網(wǎng)電阻越小，噪聲電流就越小，在實際工作中，芯線與屏蔽層之間存在分布電容、分布電感，噪聲電流會成為一個持續(xù)存在的小型電壓源、電流源，干擾線路工作，這種干擾基本為共模形式，為避免噪音電流干擾，要求在工作中設(shè)法降低地網(wǎng)電阻，加大屏蔽層埋深，將電流控制5A以下。

在地網(wǎng)電阻較低的情況下，可以應(yīng)用扁鋼或銅排進行接地導(dǎo)體的并聯(lián)，實現(xiàn)電流的分散處理。該項工作的積極價值在于，在屏蔽層的外圍額外增設(shè)了保護層，能夠使感應(yīng)電流在固有基礎(chǔ)上下降10%-85%，通常并聯(lián)導(dǎo)體越多，下降作用越明顯，此外并聯(lián)電流距離越大，感應(yīng)電流的下降也越大。此外，為進一步提升保護效果，要求在進行接地處理時候注意二次電纜位置，使其要盡可能原理高頻暫態(tài)電流入地點（例如避雷器、避雷針的接地點，電容式低壓互感器、耦合電容器和帶電容型套管設(shè)備的接地點），一般性變電站應(yīng)保證二者距離在5m以上。