交流控制回路中懸浮電位排查分析及抑制措施

羅梓聰 包威 朱昊

摘 要：隨著電網(wǎng)自動(dòng)化程度的提高，長(zhǎng)距離控制電纜成為電力設(shè)備遠(yuǎn)控系統(tǒng)中不可或缺的一部分。因此，交流控制回路容易產(chǎn)生較高的懸浮電位，導(dǎo)致設(shè)備存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)多輪試驗(yàn)結(jié)合理論分析闡明了懸浮電位產(chǎn)生的原因，并列舉了可行有效的抑制措施。

關(guān)鍵詞：交流控制回路；懸浮電位；抑制措施

中圖分類(lèi)號(hào)：TM645.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）03-0016-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.004

0? ? 引言

在工程設(shè)計(jì)中，為節(jié)省施工及材料成本，普遍選擇多芯屏蔽控制電纜作為控制回路，在控制距離較長(zhǎng)且電纜中存在交流電源回路的情況下，往往容易忽視懸浮電位對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的干擾，給生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)隱患。

某500 kV變電站主變擴(kuò)建工程竣工驗(yàn)收期間，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)35 kV區(qū)域刀閘/地刀交流控制回路電纜存在較高的異常電位，其控制回路均使用220 V交流電源，在特定運(yùn)行方式下測(cè)得非通電回路電位最高達(dá)137 V。

1? ? 懸浮電位產(chǎn)生原因分析

1.1? ? 刀閘/地刀交流控制回路原理圖

以某個(gè)35 kV電容器組為例，該間隔內(nèi)的一組刀閘（下文均以1G表示）、兩組地刀（下文均以1GD及2GD表示）及一組間隔電機(jī)電源空開(kāi)的遠(yuǎn)方遙控回路共用一根19芯控制電纜，規(guī)格為ZA-KVVP2P/22-19×1.5，線(xiàn)芯截面為1.5 mm2，起點(diǎn)為刀閘匯控箱，終點(diǎn)為繼保室內(nèi)測(cè)控屏，使用長(zhǎng)度約140 m。每組回路使用3根芯，用于遙控公共端、遠(yuǎn)方合閘以及遠(yuǎn)方分閘。其中1～12芯為在用線(xiàn)芯，13～19芯作為備用芯，如圖1～3所示。

1.2? ? 不同運(yùn)行方式對(duì)懸浮電位的影響

合上刀閘/地刀控制電源空開(kāi)和電機(jī)電源遙控空開(kāi)，將該間隔分別調(diào)整為運(yùn)行、熱備用、冷備用及檢修狀態(tài)，并逐一測(cè)量刀閘、地刀回路所有電纜線(xiàn)芯電位，數(shù)據(jù)如表1所示。

結(jié)果表明，在冷備用狀態(tài)下，各線(xiàn)芯電位最大，其中5號(hào)及6號(hào)線(xiàn)芯為137 V。即同一根電纜中，施加220 V的線(xiàn)芯越多，其感應(yīng)電疊加效應(yīng)越明顯。而且感應(yīng)電位的分布也因距離帶電線(xiàn)芯的遠(yuǎn)近而異，離得最近的電位最大。

1.3? ? 異常電位產(chǎn)生的可能原因

1）寄生回路影響：刀閘、地刀控制回路中存在寄生回路。遙控公共端均配置聯(lián)鎖回路，分別串接相關(guān)設(shè)備機(jī)構(gòu)箱的分位輔助接點(diǎn)，懷疑該部分與分、合回路存在竄電。

2）站內(nèi)二次接地網(wǎng)接觸不良：室內(nèi)外電位差導(dǎo)致電纜鎧裝層、屏蔽層流過(guò)大電流，由于電磁感應(yīng)作用，在電纜線(xiàn)芯產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。

3）場(chǎng)地其他大電流回路影響：本次懸浮電位較大的電纜均穿越了另外一片35 kV一次設(shè)備區(qū)域，可能低容低抗投入運(yùn)行時(shí)大電流回路產(chǎn)生的強(qiáng)交變磁場(chǎng)，導(dǎo)致該區(qū)域電纜線(xiàn)芯產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。

4）電纜本身質(zhì)量問(wèn)題：本批次電纜質(zhì)量不達(dá)標(biāo)（供貨廠(chǎng)家為品牌A公司），可能存在屏蔽層或線(xiàn)芯外絕緣層材料不滿(mǎn)足規(guī)程。

5）長(zhǎng)距離交流回路電纜電容效應(yīng)：繼保室至擴(kuò)建35 kV區(qū)域電纜溝大于100 m，由于分布電容的存在，長(zhǎng)電纜中帶有交流電壓的線(xiàn)芯會(huì)在其相鄰線(xiàn)芯形成感應(yīng)電壓。

2? ? 異常電位產(chǎn)生原因排查及試驗(yàn)情況

2.1? ? 試驗(yàn)1：分段排除寄生回路

在開(kāi)關(guān)冷備用狀態(tài)下，在刀閘匯控箱將至各機(jī)構(gòu)箱聯(lián)鎖部分的回路在柜內(nèi)短接，測(cè)量電纜各線(xiàn)芯電位，對(duì)比短接之前略有下降，但最大電壓仍超過(guò)130 V。在開(kāi)關(guān)、1G、1GD、2GD機(jī)構(gòu)箱端子排處將聯(lián)鎖節(jié)點(diǎn)依次短接，線(xiàn)芯電位變化不明顯。在刀閘匯控箱內(nèi)將至各機(jī)構(gòu)箱的回路全部斷開(kāi)，僅保留繼保室測(cè)控屏到匯控箱部分，電位情況與前面較為一致。斷開(kāi)刀閘匯控箱內(nèi)總電源，全部線(xiàn)芯電位降至5 V以下。

試驗(yàn)結(jié)論：1）經(jīng)排查未發(fā)現(xiàn)寄生回路；2）初步判斷感應(yīng)電源來(lái)自本電纜內(nèi)部。

2.2? ? 試驗(yàn)2：排查電纜絕緣問(wèn)題

將電纜所有線(xiàn)芯兩側(cè)斷開(kāi)，使用2 500 V搖表測(cè)量全部線(xiàn)芯對(duì)地及線(xiàn)芯間絕緣，結(jié)果均大于100 MΩ。

試驗(yàn)結(jié)論：電纜本身絕緣無(wú)異常。

2.3? ? 試驗(yàn)3：排除地網(wǎng)接觸不良造成的影響

電纜鎧裝層及屏蔽層接地方式為：鎧裝層兩側(cè)接地，內(nèi)外屏蔽層在繼保室側(cè)接地，現(xiàn)場(chǎng)匯控箱側(cè)不接地。現(xiàn)場(chǎng)分別驗(yàn)證電纜鎧裝層兩側(cè)接地、一側(cè)接地、不接地以及屏蔽層兩側(cè)接地、一側(cè)接地、不接地各種方式下各線(xiàn)芯電位無(wú)明顯變化。

試驗(yàn)結(jié)論：站內(nèi)地網(wǎng)連接情況與懸浮電位形成無(wú)明顯聯(lián)系。

2.4? ? 試驗(yàn)4：排除周邊區(qū)域大電流回路的影響

現(xiàn)場(chǎng)將電纜穿越至投運(yùn)區(qū)域的一次設(shè)備全部轉(zhuǎn)熱備用，該區(qū)域僅有站用變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)在運(yùn)行，一次運(yùn)行電流不大于3 A。測(cè)量電纜各線(xiàn)芯電位無(wú)變化。

試驗(yàn)結(jié)論：懸浮電位形成與周邊一次設(shè)備運(yùn)行無(wú)明顯聯(lián)系。

2.5? ? 試驗(yàn)5：排除外部回路干擾及途經(jīng)場(chǎng)地影響

在刀閘匯控箱至繼保室測(cè)控屏之間場(chǎng)地的電纜溝外，敷設(shè)一根同型號(hào)的19芯電纜及一根10芯電纜，路徑與當(dāng)前電纜一致，測(cè)量電纜絕緣合格，并按標(biāo)準(zhǔn)工藝做好鎧裝層及屏蔽層接地措施，分別將兩根電纜1芯接入220 V電壓，測(cè)量其余線(xiàn)芯電壓，最大電位均大于90 V；拆除鎧裝及屏蔽層接地，測(cè)量電位無(wú)明顯變化；從設(shè)備區(qū)引入一根同規(guī)格型號(hào)的19芯電纜，長(zhǎng)度約100 m，按標(biāo)準(zhǔn)工藝做好鎧裝層及屏蔽層接地措施，將電纜1芯接入220 V電壓，測(cè)量其余線(xiàn)芯電壓，最大電位大于90 V。

試驗(yàn)結(jié)論：1）完全排除外部回路的干擾后，使用不同芯數(shù)的電纜進(jìn)行試驗(yàn)仍存在較大電位，進(jìn)一步論證了懸浮電位非本電纜之外的回路影響造成，屬于該電纜內(nèi)部帶電線(xiàn)芯的影響；2）懸浮電位與途經(jīng)場(chǎng)地?zé)o明顯聯(lián)系。

2.6? ? 試驗(yàn)6：排除電纜批次性質(zhì)量問(wèn)題

在刀閘匯控箱至繼保室測(cè)控屏之間場(chǎng)地的電纜溝外放置一根由品牌B公司生產(chǎn)的同型號(hào)同規(guī)格的19芯電纜進(jìn)行同工況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)廠(chǎng)家19芯電纜內(nèi)部線(xiàn)芯的排布方式具有一定的規(guī)律性：1～7號(hào)芯內(nèi)圈螺旋繞接，8～19芯外圈螺線(xiàn)繞接。分別將品牌A與品牌B電纜的1芯、19芯接入220 V電壓，各線(xiàn)芯感應(yīng)電位情況如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可見(jiàn)，兩個(gè)不同廠(chǎng)家、同規(guī)格型號(hào)的產(chǎn)品，懸浮電位的大小及分布無(wú)明顯差異。因此，帶電芯在內(nèi)圈時(shí)，其余線(xiàn)芯產(chǎn)生的感應(yīng)電普遍較大；帶電芯在外圈時(shí)，其余線(xiàn)芯產(chǎn)生的感應(yīng)電較小。

試驗(yàn)結(jié)論：1）排除品牌A本批次電纜質(zhì)量問(wèn)題；2）帶電線(xiàn)芯的調(diào)整影響其他線(xiàn)芯電纜的感應(yīng)電位分布，且?guī)в幸欢ㄒ?guī)律性。

2.7? ? 試驗(yàn)7：驗(yàn)證感應(yīng)電位分布規(guī)律

現(xiàn)場(chǎng)將電纜的7根備用芯接地，不同方式下依次測(cè)量各線(xiàn)芯電位，測(cè)得感應(yīng)電壓有明顯的減小。

調(diào)整電纜回路線(xiàn)芯位置，將帶電線(xiàn)芯1、4、7、10號(hào)芯由15、19、11、12號(hào)芯代替，其余線(xiàn)芯也使用外圈芯代替。采取上述方法進(jìn)行驗(yàn)證，均可發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電壓有明顯的減小，最大值可降至80 V。數(shù)據(jù)如表3所示。

2.8? ? 試驗(yàn)8：驗(yàn)證問(wèn)題共性

針對(duì)同類(lèi)型已投運(yùn)間隔開(kāi)展電位測(cè)試，相比于擴(kuò)建區(qū)域少了一組電源遙控回路，結(jié)果如表4所示。

從上述試驗(yàn)可見(jiàn)，當(dāng)該間隔處于冷備用狀態(tài)時(shí)，刀閘、地刀遠(yuǎn)方控制回路公共端同時(shí)帶有220 V電壓，此時(shí)其他線(xiàn)芯感應(yīng)電最大可達(dá)103 V。其余間隔情況類(lèi)似，當(dāng)3個(gè)公共端同時(shí)帶電時(shí)，最大感應(yīng)電位超過(guò)100 V，2個(gè)公共端同時(shí)帶電時(shí)，最大感應(yīng)電位超過(guò)80 V。

試驗(yàn)結(jié)論：較長(zhǎng)距離的交流控制電纜存在較高懸浮電位是交流控制回路中的共性問(wèn)題。

3? ? 試驗(yàn)總體結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)交流控制回路存在較高懸浮電位問(wèn)題的總體結(jié)論如下：

1）試驗(yàn)排除了寄生回路及交直流串電、電纜質(zhì)量、站內(nèi)接地網(wǎng)及外部強(qiáng)電磁場(chǎng)影響的因素，導(dǎo)致產(chǎn)生感應(yīng)電位的影響電源來(lái)自電纜內(nèi)部。

2）發(fā)現(xiàn)帶電線(xiàn)芯的位置會(huì)影響電位分布，由于邊緣線(xiàn)芯分布電容值略高于中間線(xiàn)芯，相鄰線(xiàn)芯之間略高于不相鄰線(xiàn)芯，因此認(rèn)為感應(yīng)電壓是由控制電纜中存在分布電容引起的。實(shí)際上任何兩個(gè)絕緣導(dǎo)體之間都存在電容，例如導(dǎo)線(xiàn)之間、導(dǎo)線(xiàn)和大地之間，都是被絕緣層和空氣介質(zhì)隔開(kāi)的，所以也都存在著電容，這種非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)就是分布電容，且分布電容的數(shù)值與電纜長(zhǎng)度有關(guān)，如圖4所示。

3）同一根電纜內(nèi)部帶電線(xiàn)芯數(shù)量越多，感應(yīng)電壓疊加效應(yīng)越明顯。

4）通過(guò)調(diào)整線(xiàn)芯位置、將備用芯接地、減少電纜內(nèi)部同時(shí)帶電線(xiàn)芯的數(shù)量均可有效減小懸浮電位值。

4? ? 現(xiàn)場(chǎng)處理方案及抑制效果

由上文第二部分的試驗(yàn)分析可知，通過(guò)調(diào)整線(xiàn)芯位置、將備用芯接地、減少電纜內(nèi)部同時(shí)帶電線(xiàn)芯的數(shù)量均可有效減小懸浮電位值，其中備用線(xiàn)芯接地的做法，不符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，且存在內(nèi)部線(xiàn)芯絕緣值下降時(shí)可能造成控制回路直接接地的風(fēng)險(xiǎn)，不宜作為現(xiàn)場(chǎng)整改措施。

綜合上文試驗(yàn)6、7的結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)采取整改方案如下：將原19芯電纜內(nèi)4組回路（使用12芯）拆分為19芯電纜+10芯電纜，各通2組回路。電纜一用于刀閘和第一組地刀回路，電纜二用于第二組地刀和電源遙控空開(kāi)回路，回路一原本帶電的1、4號(hào)芯調(diào)整為15、14號(hào)芯，使公共端遠(yuǎn)離其他線(xiàn)芯；回路二的帶電芯為6、7號(hào)芯。采取整改措施后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)整改后，在冷備用狀態(tài)時(shí)，4組控制回路公共端同時(shí)帶電情況下，分合閘回路感應(yīng)出的最大電位為58 V。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)整改后的另外5個(gè)間隔進(jìn)行測(cè)量，各種運(yùn)行方式下最大懸浮電位均不大于58 V。

另外，上述設(shè)備間隔在運(yùn)行狀態(tài)、熱備用狀態(tài)下，可通過(guò)保持間隔刀閘、地刀控制電源空開(kāi)斷開(kāi)的方式，進(jìn)一步避免控制回路分、合閘繼電器誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

5? ? 懸浮電位的抑制和消除方法

文獻(xiàn)[1-5]指出，針對(duì)交流控制回路因分布電容效應(yīng)導(dǎo)致的感應(yīng)電壓?jiǎn)栴}，常見(jiàn)抑制措施有以下幾種：

1）優(yōu)化線(xiàn)芯選用。電纜內(nèi)離帶電線(xiàn)芯最遠(yuǎn)的線(xiàn)芯感應(yīng)電壓最小，選用外圈線(xiàn)芯作為遙控公共端，實(shí)際中不止有一根線(xiàn)芯常帶電，可以通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)挑選感應(yīng)電壓最低的線(xiàn)芯替換引起故障的感應(yīng)電壓高的線(xiàn)芯。

2）備用芯接地。同一屏蔽層內(nèi)任一線(xiàn)芯的感應(yīng)電對(duì)其他線(xiàn)芯的感應(yīng)電壓都有一定的疊加效果，雖然對(duì)于整體屏蔽的控制電纜，其內(nèi)部線(xiàn)芯的感應(yīng)電是無(wú)法徹底消除的，但將備用芯接地有助于其他線(xiàn)芯感應(yīng)電壓的降低。

3）采用單芯屏蔽電纜。在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，可以考慮采用分屏加總屏的控制電纜，每根線(xiàn)芯均包裹有獨(dú)立的銅帶屏蔽層，將屏蔽層可靠接地可有效減少對(duì)地電容及線(xiàn)芯間電容，降低感應(yīng)電壓。

4）回路分纜。存在兩種分纜方式，一是降低一根電纜中公共端數(shù)量，抽取部分控制回路配置獨(dú)立的電纜，削弱感應(yīng)電壓疊加效應(yīng)；二是將公共端全部提取出來(lái)獨(dú)立成纜，與分合閘回路分開(kāi)，即便在幾組控制回路同時(shí)帶電的情況下，也不存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

5）采用直流控制回路。直流控制回路無(wú)交流感應(yīng)電位問(wèn)題。

6? ? 結(jié)論

針對(duì)變電站新擴(kuò)建35 kV設(shè)備區(qū)域交流控制回路懸浮電位產(chǎn)生的原因，本文進(jìn)行了分析排查，并通過(guò)多項(xiàng)試驗(yàn)得出了相應(yīng)的解決方法。現(xiàn)場(chǎng)最終采取回路分纜及優(yōu)化線(xiàn)芯選用相結(jié)合的方案，有效可靠地減小了懸浮電位。建議后續(xù)在設(shè)計(jì)和施工中對(duì)懸浮電位問(wèn)題給予足夠的重視，從源頭上加以避免和解決。如需徹底消除，建議將相關(guān)控制回路改為直流電源。如需進(jìn)一步降低電位值，可采用進(jìn)一步分纜的方式，即每一組回路使用一根多芯電纜，以便減少感應(yīng)電壓的疊加影響，同時(shí)細(xì)化線(xiàn)芯位置，將懸浮電位降至最低。

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收稿日期：2023-10-23

作者簡(jiǎn)介：羅梓聰（1996—），男，廣東廣州人，助理工程師，從事變電運(yùn)行工作。

包威（1984—），男，廣東茂名人，碩士，工程師，從事變電運(yùn)行管理工作。

朱昊（1995—），男，廣東揭陽(yáng)人，助理工程師，從事變電運(yùn)行工作。