變電站繼電保護二次系統(tǒng)接地技術(shù)分析

咸菁菁

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102）

現(xiàn)階段，我國電力事業(yè)得到蓬勃發(fā)展，在各地區(qū)新建大量自動化變電站，站內(nèi)配備多臺繼電保護裝置，推行變電站無人值守模式，這對降低變電站運維成本、改善變電站運行工況有著重要現(xiàn)實意義。與此同時，變電站繼電保護二次系統(tǒng)受到高電壓等級一次設(shè)備、現(xiàn)場電磁環(huán)境、雷電流等因素影響，常發(fā)生繼電保護裝置誤動、拒動等故障，威脅到變電站安全運行。開展對二次系統(tǒng)接地技術(shù)的應(yīng)用研究，保障變電站安全平穩(wěn)運行。

1 變電站二次系統(tǒng)干擾概述

1.1 干擾信號種類

在變電站運行期間，存在多種類干擾信號，各類干擾信號對繼電保護二次系統(tǒng)運行工況造成的實際影響并不一致。工作人員必須提前收集項目資料和同類項目案例，全面掌握干擾信號種類型號[1]。例如，把以干擾作用為分類依據(jù)，干擾信號分為共模干擾、差模干擾2種類型，共模干擾由地電位升高形成，分布在導線與大地間（如圖1所示）。差模干擾分布在信號回路內(nèi)部，差模干擾信號和正常信號保持疊加狀態(tài)（如圖2所示）。

圖1 共模干擾

圖2 差模干擾

1.2 干擾源影響機理

在變電站繼電保護二次系統(tǒng)同時受到外部雷電流、站內(nèi)設(shè)備操作過程、線路運行工況、電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)特征等因素影響，形成諸多干擾源，各類干擾源對繼電保護二次系統(tǒng)的影響機理存在明顯差異，具體如下。

電磁耦合干擾。站內(nèi)一次設(shè)備和電路相互連接，二次設(shè)備和一次設(shè)備則采取耦合連接方式，設(shè)備通電運行期間出現(xiàn)電場/磁場效應(yīng)現(xiàn)象，形成干擾源。如一次設(shè)備所攜帶高壓電場經(jīng)由電容耦合影響到二次設(shè)備工況條件，或是通過大電流來影響二次設(shè)備。

雷電干擾。變電站主要修建在空曠區(qū)域，投運使用期間常遭受雷電流打擊（如圖3所示）。雷電流攜帶雷電感生磁場進入變電站內(nèi)部，持續(xù)釋放低頻電磁波和高頻電磁波輻射，在輻射作用下降低信號線通信質(zhì)量，以及在雷電流通過防雷裝置時因電位分布不均出現(xiàn)干擾問題[2]。

圖3 220 kV變電站

操作干擾。變電站內(nèi)安裝大量的現(xiàn)場控制裝置，如隔離開關(guān)等，裝置執(zhí)行控制動作、切換運行狀態(tài)時會對電路造成一定程度影響，進而干擾到繼電保護二次系統(tǒng)運行工況。以隔離開關(guān)為例，如果缺乏配套滅弧裝置，開關(guān)在開啟、閉合期間會在刀口部位形成電弧，電弧多次重燃后才能熄滅，重燃熄滅期間會出現(xiàn)電磁能量震蕩現(xiàn)象，所形成感應(yīng)磁場與輻射電磁波即為干擾源。

短路干擾。受到線路老化、絕緣失效等因素影響，偶爾產(chǎn)生短路故障問題，釋放短路電流，短路電流雖然可以隨時間推移而持續(xù)衰減到穩(wěn)態(tài)值，但在衰減期間會形成感應(yīng)磁場來影響二次系統(tǒng)，且部分短路電流在接地短路情況下還會造成升高地電位、形成主接地網(wǎng)電位差的后果。

設(shè)備內(nèi)部電磁干擾。新建變電站有著較高自動化程度，站內(nèi)配備多臺精密結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備，由于設(shè)備臺數(shù)眾多、電子電路密集分布，運行期間持續(xù)產(chǎn)生雜音干擾，通過改變電磁環(huán)境條件進而影響到微機繼電保護裝置。

局部放電干擾。在絕緣子夾具、高壓輸電線路部位會形成局部電場，電場強度超過安全閾值后產(chǎn)生放電情況。同時，如果高壓電氣設(shè)備接觸不良，或是因維護保養(yǎng)不當而在設(shè)備表面附著污穢物，還有可能出現(xiàn)火花放電與污閃現(xiàn)象，對繼電保護二次系統(tǒng)造成電磁波輻射干擾。

2 變電站繼電保護二次系統(tǒng)接地技術(shù)的實踐應(yīng)用策略

2.1 等電位接地網(wǎng)

等電位接地網(wǎng)技術(shù)適用于繼電裝置密集部署的站內(nèi)房間，包括配電室等房間，使用截面積不小于100 mm2的接地銅排作為接地線，通過絕緣子裝置，把二次系統(tǒng)接地網(wǎng)和變電站主接地網(wǎng)進行絕緣處理，并通過分散布置接地銅排來保護通信室、集控室等其他區(qū)域。二次系統(tǒng)等電位接地網(wǎng)具體由室內(nèi)接地網(wǎng)、室外接地網(wǎng)2部分組成，工作人員必須掌握各部分等電位接地網(wǎng)的正確做法。

室內(nèi)等電位接地網(wǎng)。工作人員在控制室、保護室屏柜和電纜室等區(qū)域內(nèi)布置接地網(wǎng)，以接地銅排作為接地體，銅排兩端進行連接處理來組成閉環(huán)回路。遵循接地網(wǎng)相對獨立原則，在主接地網(wǎng)和室內(nèi)接地網(wǎng)間布置多根等電位銅排進行連接，在電纜豎井部位使用螺栓進行壓接處理，根據(jù)項目情況來確定連接點位數(shù)量，點位數(shù)量過多會把主接地網(wǎng)電位不平衡問題影響范圍擴大至等電位接地網(wǎng)。同時，在控制室內(nèi)和保護室內(nèi)設(shè)置專用支架來固定接地網(wǎng)，根據(jù)室內(nèi)環(huán)境情況選擇恰當固定方式。例如，室內(nèi)下方分布電纜夾層時，在首層橋架和結(jié)構(gòu)梁間隔部位設(shè)置橋架立柱，以梁下0.1 m處作為安裝位置。而在室內(nèi)下方分布活動地板時，須在土建基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中設(shè)置預埋件，通過預埋件來固定安裝支架，把支架底面標高、基礎(chǔ)面標高的高差值控制在150 mm左右[3]。

室外等電位接地網(wǎng)。無須額外挖設(shè)溝槽管渠，直接在現(xiàn)有電纜溝內(nèi)共同敷設(shè)電纜和銅排即可，后續(xù)把銅排引入保護室內(nèi)和控制室內(nèi)，電纜豎井部位使用銅纜和螺栓對主接地網(wǎng)進行壓接處理，室內(nèi)外接地網(wǎng)的接地點布置在相同區(qū)域，要求所使用銅纜、銅排的截面積不小于100 mm2。如果并行敷設(shè)高頻同軸電纜，必須將其固定安裝在電纜支架上方。同時，要求室外接地網(wǎng)的接地點遠離并聯(lián)電容器、電容式穿管等容易被高電壓擊穿的設(shè)備裝置，接地點和主接地網(wǎng)電流入地點間距值須控制在15 m以上，必要時可以額外裝設(shè)二次電纜接地銅排，這有利于控制電纜屏蔽層兩端電位差，以減輕二次設(shè)備干擾。

2.2 戶外端子箱等電位接地

戶外端子箱等電位接地結(jié)構(gòu)由端子排、TA二次接地線、接地銅排、專用接地熱鍍鋅扁鋼、接地線螺帽等部分組成。要求工作人員在戶外就地端子箱與本體端子箱內(nèi)部額外放置接地銅排，銅排截面積保持在100 mm2以上，沿水平方向或是垂直方向設(shè)置螺栓，通過螺栓來固定接地銅排兩端位置。保持銅排、屏蔽線和各類接地線相互連接狀態(tài)，銅排表面順序布置多個接線柱，接線柱使用墊圈、墊片等材料制作形成，起到降低連線作業(yè)難度、改善連線效果的作用。工作人員把電纜溝道內(nèi)部敷設(shè)的接地網(wǎng)銅纜和端子箱內(nèi)接地銅排相互連接，銅纜截面積不得小于100 mm2，把銅纜一端使用銅鼻子進行壓接處理，再使用螺栓來固定連接銅纜和接地銅排，銅纜另一端在箱體下端電纜溝道內(nèi)部和室外接地網(wǎng)進行就近連接。

2.3 室內(nèi)保護屏柜等電位接地

變電站室內(nèi)保護屏柜等電位接地結(jié)構(gòu)由TA/屏蔽層二次接地線、屏內(nèi)接地銅排、連接銅導線、電纜豎井入地點、連接螺栓等部分組成。在接地處理期間，工作人員須提前在繼電保護屏柜和安全自動裝置屏柜內(nèi)部設(shè)置接地銅排，屏柜內(nèi)部沿水平方向擰入多根螺栓，使得接地銅排兩端固定安裝在屏柜下部，以及在接地銅排上鉆設(shè)若干數(shù)量連接孔，保持各處連接孔的孔徑、間距一致狀態(tài)，各處孔內(nèi)均布置墊圈、墊片與螺帽。在保護屏門柜間隔部位敷設(shè)多股專用接地軟銅線，擰入螺栓保持軟銅線和柜體連接狀態(tài)，要求軟銅線截面積在4 mm2及以上，使用直徑6 mm螺栓對柜內(nèi)接地銅排和接地軟銅線進行壓接處理，再通過軟銅線來連接端子與銅排[4]。待銅排連接完畢，使用軟銅線，一端采取壓接方式，另一端則在電纜室內(nèi)和等電位接地網(wǎng)進行連接，具體可采取螺栓壓接、銅焊連接2種方式。

2.4 二次設(shè)備等電位接地

變電站二次設(shè)備種類繁雜，各類二次設(shè)備的接地要求、正確接地操作方法存在明顯差異。因此，工作人員必須遵循實際出發(fā)原則，提前了解項目情況，根據(jù)二次設(shè)備配置情況選擇恰當?shù)慕拥胤绞剑唧w分為邏輯接地、交流接地、保護接地、計算機接地4種方式。

邏輯接地。此方式適用于二次設(shè)備內(nèi)部存在電位差的情況，部分設(shè)備地電位處在虛空狀態(tài)，無法直接和外部電力系統(tǒng)進行連接。工作人員把設(shè)備連接位置與接地引線進行連接，以設(shè)備金屬外殼等導電體作為接地連接口，電位直接和設(shè)備外殼連接，這也是當前最為常用的二次設(shè)備接地方式。

交流接地。其適用于采取交流電源的變電站，工作人員提前對全部二次設(shè)備開展工作接零操作，無須連接設(shè)備機柜外殼與電纜系統(tǒng)中性線芯，完成前期準備工作后，即可對二次設(shè)備進行交流接地連接。

保護接地。其適用于站內(nèi)存在電磁干擾源的情況，采取多點連接方式，把二次系統(tǒng)接地網(wǎng)和變電站主接地網(wǎng)的連接點數(shù)量控制在4個及以上，保持現(xiàn)場設(shè)備參考電位、室內(nèi)設(shè)備電位、繼電控制室電位一致狀態(tài)。

計算機接地。其適用于二次系統(tǒng)信號地和邏輯地等接地部分數(shù)量較多的情況，依托絕緣電纜來連接接地銅排與各處接地點，無須額外搭建獨立計算機接地系統(tǒng)。

2.5 交流二次回路等電位接地

工作人員以互感器作為起始點，二次回路內(nèi)設(shè)置單個接地點，根據(jù)回路情況選擇點位位置，并在圖紙上標明接地點位置，具體采取軟銅線和接地銅排壓接方式。例如，電流回路有多組互感器組合形成、存在電氣聯(lián)系時，以保護屏柜內(nèi)部接地銅排作為接地點位置，使用電纜連通中心線和控制室內(nèi)零相小母線，小母線采取一點接地方式，無須在設(shè)備區(qū)域內(nèi)對其他互感器二次回路中性點進行接地處理。如果缺乏公用零相小母線，可以選擇額外設(shè)置端子排，內(nèi)部引入各條回路，再進行一點接地處理。而在電流互感器保持獨立狀態(tài)、不與其他互感器存在電氣連接時，則把戶外端子箱內(nèi)接地銅排作為接地點位置。此外，如果交流二次回路內(nèi)部配置高壓電容器組等設(shè)備，則在等電位接地網(wǎng)銅排上設(shè)置接地點。

2.6 二次電纜屏蔽層接地

在二次電纜屏蔽層接地環(huán)節(jié)，當前主要采取單端接地、雙端接地2種方式，接地效果略有不同。其中，單端接地是在被控設(shè)備位置保持一端電纜懸浮狀態(tài)，在計算機控制器或是其他二次設(shè)備部位對另一端電纜進行接地處理，后續(xù)如果在地網(wǎng)內(nèi)進入大電流，憑借接地網(wǎng)高阻抗特性，可以在短時間內(nèi)衰減入地電流，把屏蔽電纜接地點部位的實際感應(yīng)電壓控制在可承受范圍內(nèi)，但也存在抗電磁干擾效果差的局限性，主要用于減輕高頻雷電流對二次系統(tǒng)造成的影響。雙端接地強調(diào)通過等電位連接手段來控制屏蔽層兩端電位差，具備良好抗電磁干擾性能，但在雷電流侵入地網(wǎng)時會產(chǎn)生干擾電壓[5]。正常情況下，在變電站內(nèi)部對全部控制電纜屏蔽層采取雙端接地方式，以截面積超過4 mm2的多股軟銅線作為接地線，一端和電纜屏蔽層進行焊接連接，另一端和保護屏內(nèi)接地銅排進行壓接處理。此外，為改善電纜屏蔽層接地效果，避免接地功效發(fā)揮受限，還應(yīng)額外采取站內(nèi)二次電纜輻射狀分布、二次電纜和母線保持安全間距、降低接地網(wǎng)與設(shè)備接地引下線接地電阻值、電纜屏蔽層接地點遠離避雷器接地點等多項防護措施。

3 結(jié)束語

綜上所述，變電站運行受到多方面因素影響，其中二次系統(tǒng)干擾問題突出，須積極落實等電位接地網(wǎng)、戶外端子箱等電位接地、二次設(shè)備等電位接地多項應(yīng)用策略，根據(jù)項目情況制定科學合理的繼電保護二次系統(tǒng)接地技術(shù)方案，切實滿足現(xiàn)代變電站項目建設(shè)需要，最大限度強化繼電保護二次系統(tǒng)的抗干擾性能和運行穩(wěn)定性。