變電站內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)的作用與設(shè)置分析

周謙

（云南欣博工程咨詢有限公司，云南 昆明 650000）

0 前言

變電站運(yùn)行環(huán)境中，由于大型感性負(fù)荷操作、大故障電流等情況會(huì)產(chǎn)生各種電磁干擾，并以各種耦合方式，對(duì)站內(nèi)二次系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的暫態(tài)干擾。這種干擾，尤其會(huì)對(duì)站內(nèi)二次設(shè)備間經(jīng)長(zhǎng)電纜傳輸?shù)牡头惦娦盘?hào)造成畸變。嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)使二次設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，極端情況時(shí)甚至?xí)p壞設(shè)備，這將導(dǎo)致站內(nèi)二次系統(tǒng)停止工作，進(jìn)而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，變電站的二次設(shè)備中也更多地采用由固體電路、電子及微電子元件組成的新型電路，但新型電路的抗干擾能力比電磁式設(shè)備的抗干擾能力減弱，對(duì)暫態(tài)干擾具有更明顯的敏感性和脆弱性，因此暫態(tài)電壓的干擾問題就顯得更為突出。與此同時(shí)，一次系統(tǒng)設(shè)備的高電壓、大容量，也會(huì)對(duì)作用于二次系統(tǒng)的電磁干擾進(jìn)行加強(qiáng)。

目前，為降低變電站內(nèi)電磁干擾對(duì)二次設(shè)備的影響，通常采用在站內(nèi)設(shè)置等電位接地網(wǎng)的方法，也就是設(shè)置常說的靜態(tài)接地網(wǎng)，將保護(hù)裝置的二次回路進(jìn)行等電位連接接地。本文以現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范及南方電網(wǎng)公司相關(guān)反措要求為依據(jù)，對(duì)變電站內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)的作用及設(shè)置進(jìn)行歸納分析，并結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)靜態(tài)接地網(wǎng)的設(shè)置進(jìn)行分析及建議。

1 靜態(tài)接地網(wǎng)作用的歸納分析

將二次系統(tǒng)的干擾電壓限制到二次設(shè)備可承受的耐壓水平范圍內(nèi)，就能進(jìn)一步提高變電站運(yùn)行的安全和可靠性。同時(shí)結(jié)合屏蔽技術(shù)，采用合適的靜態(tài)接地網(wǎng)設(shè)置方式，就能解決站內(nèi)大部分干擾產(chǎn)生的問題。靜態(tài)接地網(wǎng)以功能和對(duì)應(yīng)作用劃分，大致可歸納為三類，見表1。

表1 靜態(tài)接地網(wǎng)劃分表

其中，電子裝置的邏輯接地和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接地均在二次裝置的內(nèi)部完成。抗干擾接地實(shí)現(xiàn)的重要途徑之一，就是將控制電纜的金屬屏蔽層進(jìn)行雙端接地。

在交流電磁場(chǎng)中的控制電纜，可看作單一的RL 串聯(lián)電路（圖1）。這時(shí)，外部的電磁場(chǎng)會(huì)以電纜中心形成對(duì)其包圍的干擾磁通，這部分磁通會(huì)在控制電纜屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)（Es）及感應(yīng)電流（Is），此關(guān)系公式為：

圖1 站內(nèi)無靜態(tài)接地網(wǎng)的等效電路圖

由公式（1）可知，感應(yīng)電勢(shì)（Es）大小，分別與與感應(yīng)電流（Is）及作用于屏蔽層的電阻（Rs）及感抗（XL）的壓降有關(guān)。

對(duì)于公式（1）中的電抗部分：可理解為感應(yīng)電流（Is）作用于感抗（XL）形成的壓降。這部分壓降，根據(jù)公式XL=2πfL 可知，頻率（f）越高，感抗（XL）越大，對(duì)應(yīng)的壓降就越大，所以在高頻時(shí)的電抗特性，能夠抵消外部干擾的影響。當(dāng)屏蔽層雙端同時(shí)接地，且接地于同一靜態(tài)接地網(wǎng)中時(shí)，此部分所產(chǎn)生的電流可近似于0，因此金屬屏蔽層能抑制外部交流電磁場(chǎng)對(duì)控制電纜纜芯的高頻干擾。

對(duì)于公式（1）中的電阻部分：可理解為感應(yīng)電流（Is）作用于電阻（Rs）形成的壓降。這部分壓降，會(huì)在以下兩方面產(chǎn)生作用：其一，可將由外部交流電磁場(chǎng)形成的感應(yīng)電流經(jīng)屏蔽層流通，進(jìn)一步減小干擾電流對(duì)流經(jīng)控制電纜纜芯的影響；其二，當(dāng)站內(nèi)發(fā)接地故障時(shí)，可將流經(jīng)控制電纜的部分故障電在屏蔽層流過，從而使控制電纜纜芯進(jìn)一步減少短路影響。

根據(jù)清華大學(xué)研究結(jié)論[1]，在控制電纜屏蔽層采用雙端接地的前提下，即便站內(nèi)發(fā)生最嚴(yán)酷的接地故障時(shí)，控制電纜屏蔽層內(nèi)的電位差仍小于主接地網(wǎng)電位升高的40%。因此可將全站二次系統(tǒng)的絕緣耐受電壓由2 kV 提高到2 kV/（40%）=5 kV，進(jìn)而全站接地電阻允許值可按公式R允≤5000/IG對(duì)入地電流進(jìn)行計(jì)算。

為避免故障電流較大，燒毀屏蔽層，則需設(shè)置靜態(tài)接地網(wǎng)，并將屏蔽層雙端接地與靜態(tài)接地網(wǎng)可靠連接（圖2）。根據(jù)公式R=ρ（L/S）可知，電阻率（ρ）相同情況下，電阻值（R）與長(zhǎng)度（L）為正比，與截面積（S）為反比。靜態(tài)接地網(wǎng)截面積最小為100 mm2，控制電纜金屬屏蔽層最薄處不小于0.05 mm，在同一長(zhǎng)度下，靜態(tài)接地網(wǎng)的電阻（RJ）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控纜金屬屏蔽層的電阻（Rs）。因此當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障電流主要從靜態(tài)接地網(wǎng)中流過，流過控制電纜屏蔽層的電流較小。因此靜態(tài)接地網(wǎng)的設(shè)置，進(jìn)一步消除了控制電纜燒毀的危險(xiǎn)，確保了二次系統(tǒng)的安全。

圖2 站內(nèi)有靜態(tài)接地網(wǎng)的等效電路圖

綜上所述，在變電站內(nèi)進(jìn)行電子裝置的邏輯接地、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接地，并將控制電纜采用屏蔽層雙端接地并設(shè)置靜態(tài)接地網(wǎng)后，可最大限度減少站內(nèi)電磁干擾對(duì)二次系統(tǒng)的影響。同時(shí)，設(shè)置靜態(tài)接地網(wǎng)后，可將全站二次系統(tǒng)的絕緣耐受電壓提高到5 kV，進(jìn)一步確保了二次系統(tǒng)的安全。

2 靜態(tài)接地網(wǎng)的設(shè)置分析

變電站內(nèi)的靜態(tài)接地網(wǎng)根據(jù)設(shè)置地點(diǎn)的不同，大致可分為戶內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)與戶外靜態(tài)接地網(wǎng)，其設(shè)置方式、作用分別如下。

戶內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)：其主要目的是為了讓主控室內(nèi)的各保護(hù)裝置形成等電位連接。在主控室內(nèi)保護(hù)屏下方的電纜通道中，沿屏位方向，采用截面不小于100 mm2的銅排（或銅纜），首末端連接形成“目”字型結(jié)構(gòu)的等電位接地網(wǎng)。各保護(hù)屏內(nèi)的保護(hù)裝置，采用截面不小于4 mm2的多股銅線與屏內(nèi)接地銅排可靠連接；保護(hù)屏內(nèi)接地專用銅排，采用截面不小于100 mm2銅排，首尾可靠連接形成環(huán)網(wǎng)后，再以截面不小于50 mm2的銅纜與室內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)一點(diǎn)可靠連接。就此完成戶內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)的設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)主控室內(nèi)各保護(hù)屏的一點(diǎn)接地，使各保護(hù)屏間均形成等電位面，從而可避免由于參考地電位的不同而引起電位差，而導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)。

戶外靜態(tài)接地網(wǎng)：其主要目的是為了讓戶外各控制電纜回路形成等電位連接。在戶外控制電纜溝內(nèi)，沿二次電纜溝方向敷設(shè)一根截面不小于100 mm2的銅排（或銅纜），形成戶外等電位接地網(wǎng)。由一次設(shè)備引出的控制電纜在接入戶外端子箱內(nèi)的端子排時(shí)，將控制電纜屏蔽層用截面不小于4 mm2的多股銅線與端子箱內(nèi)接地銅排可靠連接；箱內(nèi)接地專用銅排（截面不小于100 mm2銅排），以截面不小于50 mm2的銅纜與戶外靜態(tài)接地網(wǎng)可靠連接。就此完成控制電纜的屏蔽層在戶內(nèi)、戶外雙端接地與同一等電位點(diǎn)。需要注意的是戶外靜態(tài)接地網(wǎng)不可首尾相連，避免當(dāng)一次設(shè)備發(fā)生故障或其他干擾入侵時(shí)，在戶外靜態(tài)接地網(wǎng)中形成環(huán)流。

戶內(nèi)、戶外靜態(tài)接地網(wǎng)的連接：其主要目的是為了確保戶內(nèi)、戶外靜態(tài)接地網(wǎng)形成等電位連接的效果。在每條電纜溝的戶外與戶內(nèi)交界處，用截面積不小于100 mm2的銅纜與戶外靜態(tài)接地網(wǎng)可靠連接。

戶內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)的連接：其主要目的是為了鞏固接入靜態(tài)接地網(wǎng)中的各保護(hù)設(shè)備間的等電位連接。采用4 根截面不小于50 mm2的銅排（纜），與主接地網(wǎng)在外部電纜溝或豎井的入口處一點(diǎn)連接。需要注意的是，當(dāng)主控室存在多個(gè)外部電纜入口時(shí)，各二次電纜溝道內(nèi)敷設(shè)的接地銅排要匯集到主控室內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)處，一點(diǎn)接地。戶內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)只能存在唯一連接點(diǎn)。

戶外靜態(tài)接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)的連接：其主要目的是為了鞏固接入靜態(tài)接地網(wǎng)中的各保護(hù)設(shè)備間的等電位連接。在戶外靜態(tài)接地網(wǎng)末梢處（電纜溝遠(yuǎn)端），用截面積不小于100 mm2的銅纜分別與主接地網(wǎng)可靠連接。需要注意的是，戶外靜態(tài)接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)的連接點(diǎn)，要與大電流（主變、PT、避雷器、避雷針等）設(shè)備的接地點(diǎn)的距離，沿主接地網(wǎng)中水平接地體的地中部分長(zhǎng)度大于15 m。

綜上所述，全站靜態(tài)接各部分的連接建議按下述原則進(jìn)行：戶內(nèi)靜態(tài)網(wǎng)與主接地網(wǎng)在電纜溝的戶外與戶內(nèi)交界處，與主接地網(wǎng)一點(diǎn)連接；戶內(nèi)、戶外靜態(tài)網(wǎng)在戶外與戶內(nèi)交界處可靠連接。戶外靜態(tài)網(wǎng)在電纜溝末梢與主接地網(wǎng)多點(diǎn)連接。保護(hù)裝置內(nèi)的專用接地銅排首尾連接后，與靜態(tài)接地網(wǎng)一點(diǎn)連接；控制電纜屏蔽層與靜態(tài)接地網(wǎng)雙端可靠連接。

3 實(shí)際工程中應(yīng)用分析及建議

在實(shí)際工程中，對(duì)于新建站變電站的設(shè)計(jì)，已要求按終期規(guī)模同步建成戶內(nèi)、戶外靜態(tài)接地網(wǎng)。而對(duì)于二期變電站的設(shè)計(jì)，則需將站內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)的現(xiàn)狀情況了解、分析后，再結(jié)合實(shí)際開展本期工程的相關(guān)設(shè)計(jì)。下面以某110 kV 變電站二期工程為例，對(duì)其靜態(tài)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

該110 kV 變電站前期僅在主控室內(nèi)設(shè)置有靜態(tài)接地網(wǎng)，戶外場(chǎng)地未設(shè)置靜態(tài)接地網(wǎng)。在進(jìn)行該變電站二期工程設(shè)計(jì)時(shí)，建設(shè)單位的運(yùn)行部門建議，在本期工程戶外場(chǎng)地的新增電纜溝中設(shè)置靜態(tài)接地網(wǎng)，讓本期新增保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。綜前章節(jié)所述，依據(jù)規(guī)范及反措相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合工程實(shí)際分析得出下列結(jié)論：

該工程本期新增的戶外靜態(tài)接地網(wǎng)，確可以實(shí)現(xiàn)本期新增保護(hù)裝置“一點(diǎn)接地”的要求。根據(jù)公式（1）可知，在新增靜態(tài)接地網(wǎng)區(qū)域的控制電纜屏蔽層中，其感應(yīng)電勢(shì)(Es)=IsRs；而在沒有靜態(tài)接地網(wǎng)區(qū)域的控制電纜屏蔽層中，其感應(yīng)電勢(shì)為(Es)=IsRs+jIsXL。因此，前期的控制電纜就會(huì)與本期新增的控制電纜，在接入同一保護(hù)裝置后形成電位差。以主控室內(nèi)的母線差動(dòng)保護(hù)裝置為例，本期新增間隔的控制電纜接入母差保護(hù)裝置后，將會(huì)與前期間隔接入母差保護(hù)裝置的控制電纜形成電位差。當(dāng)極端情況發(fā)生時(shí)，這一電位差會(huì)對(duì)母差保護(hù)裝置中的電流回路的邏輯判斷造成影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)；當(dāng)站內(nèi)發(fā)生接地故障或雷擊電流時(shí)，也會(huì)將控制電纜間形成電位差不斷放大，進(jìn)而對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)造成危害。

因此，對(duì)于該變電站在二期工程設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)結(jié)合運(yùn)行部門要求，提出本期工程，在戶外場(chǎng)地新增電纜溝中設(shè)置靜態(tài)接地網(wǎng)的同時(shí)，相應(yīng)完善前期戶外分段間隔中電纜溝內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，滿足了規(guī)程規(guī)范及運(yùn)行要求。

綜上所述，在新建變電站工程中，靜態(tài)接地網(wǎng)應(yīng)按終期規(guī)模整體建設(shè)；在二期工程中，建議在新設(shè)置靜態(tài)接地網(wǎng)的同時(shí)，應(yīng)完善前期相應(yīng)的靜態(tài)接地網(wǎng)。

4 結(jié)束語

變電站內(nèi)靜態(tài)接地網(wǎng)對(duì)于二次系統(tǒng)的保護(hù)，主要體現(xiàn)在抗干擾和提高短路地電位兩方面的作用。以靜態(tài)接地網(wǎng)為二次系統(tǒng)等電位接地基礎(chǔ)，通過電子裝置邏輯接零形成穩(wěn)定參考零電位，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各部一點(diǎn)接地形成鞏固，結(jié)合控制電纜雙端屏蔽方式作保障的設(shè)置方式，可最大限度減少站內(nèi)電磁干擾對(duì)二次系統(tǒng)的影響，同時(shí)也能夠?qū)⑷径蜗到y(tǒng)的絕緣耐受電壓提高到5 kV，進(jìn)一步確保了二次系統(tǒng)的安全。

戶內(nèi)靜態(tài)網(wǎng)與主接地網(wǎng)一點(diǎn)連接設(shè)置點(diǎn)；戶外靜態(tài)網(wǎng)在電纜溝末梢與主接地網(wǎng)多點(diǎn)連接時(shí)需注意與大電流設(shè)備接地點(diǎn)距離。保護(hù)裝置內(nèi)專用銅排的一點(diǎn)接地；控制電纜屏蔽層與靜態(tài)接地網(wǎng)雙端可靠連接。在實(shí)際工程中，新建變電站工程的靜態(tài)接地網(wǎng)按終期規(guī)模整體建設(shè)；二期變電站工程中，應(yīng)完善前期相應(yīng)的靜態(tài)接地網(wǎng)。