電纜屏蔽接地方式探討

馬國欣

中國石油天然氣第一建設公司 河南洛陽 471023

電纜屏蔽接地方式探討

馬國欣

中國石油天然氣第一建設公司 河南洛陽 471023

電纜護套或屏蔽接地形式是否正確將會影響電纜的使用壽命、信號的傳輸質量乃至設備和人員的安全。一般情況下，電力電纜接地方式的選擇主要取決于其感應電壓或環路電流大小的影響；控制電纜屏蔽接地根據“法拉第籠效應”原理可減少外界對芯線的電磁干擾，但是單端或雙端接地要根據具體情況來選擇，總的來說單端接地不形成回路，主要用于防靜電接地；雙端接地形成了電氣通路，當線路較長，感應電壓較大時使用，降低電纜線路上不同位置屏蔽層的電位差。

電力電纜 控制電纜 屏蔽層 接地 環流 干擾

現在工程中大量使用的交聯電纜，多含有屏蔽層。我們知道屏蔽層的主要作用有：保持零電位，使纜芯之間沒有電位差；在短路時承載短路電流，以免因短路引起電纜溫升過高而損壞絕緣層，同時屏蔽層也可以防止周圍外界強電場對電纜內傳輸電流的干擾；屏蔽層還可以有效地將電纜產生的強電場限制在屏蔽層內，不會對周圍的弱電線路及儀表，產生強電干擾或危及人身安全。可見屏蔽層對電網安全運行起著重要作用。但是，在工程建設中，仍有一些技術人員和施工人員不明確動力或控制電纜屏蔽層接地的方式和其中的原理，就這一問題從規范和經驗簡單進行分析。

1 三芯電力電纜的接地方式

我們知道，三芯動力電纜在正常運行時會有對稱電流流過，其電流和為零，即∑I=0，此時在鎧裝或屏蔽層外基本無磁鏈，也就沒有感應電壓或感應電流。但在實際運行中，三相負荷不可能完全對稱，即電流和不為零。如果三芯電纜兩端接地，那么不平衡電流產生的感應電動勢就會在鎧裝電纜或金屬屏蔽層與大地之間形成環流，但由于鎧裝或金屬屏蔽層的阻抗較大，環流很小，環流對電纜本身以及對由環流產生的電磁干擾較小。根據有關實驗表明，三芯電纜產生的環流僅為芯線的5～8%。【1】因此，國家電力安全規程規定三芯電力電纜都要采用兩端接地的方式，目的在于防止電纜鎧裝或金屬屏蔽層過電壓時引起對電纜和人身造成的傷害。

2 單芯電力電纜的接地方式

目前，隨著設備容量的增加，現場單芯電纜的采用在逐漸增加。單芯電纜不同于三芯電纜，每相之間存在一定的距離，感應電勢不能完全抵消。當單芯線通過電流時，在交變電場作用下，金屬屏蔽層必然感應一定的電動勢。單芯電纜的線芯與金屬屏蔽的關系，可看作一個變壓器的初級繞組。?金屬屏蔽層感應電壓的大小與電纜長度和線芯負荷電流成正比，還與電纜排列的中心距離、金屬屏蔽層的平均直徑有關。電纜很長時，護套上的感應電壓疊加起來可達到危及人身安全的程度，在線路發生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時，屏蔽上會形成很高的感應電壓，甚至可能擊穿護套絕緣，造成電纜運行事故。同時還會影響電纜的載流量，加速電纜老化，降低電纜使用壽命。因此，如何正確選擇單芯電纜的接地方式使得電纜既能經濟運行又能避免安全事故的發生。

單芯電纜屏蔽的接地方式分為單端接地（一端接地另外一端懸空、一端接地另外一端通過電壓限制器接地、護層中點接地兩端通過過電壓限制器接地）、兩端直接接地和交叉互聯接地。

單端接地是在電纜的一端將金屬屏蔽層或金屬套直接接地，另一端則不接地或者通過保護接地。電纜在這種悄況下運行時，金屬屏蔽層對地之間有感應電壓，但不產生環流。感應電壓的大小與電纜長度成正比。因此這種接地方式僅僅適用于長度較短的線路，也就是說電纜長度所對應的感應電壓不能超過GB50217-2007《電力工程電纜設計規程》中所規定的50V（當加電壓限制器時可達100V）。有些國家規定可達300～500V，這樣雖然使得電纜的敷設長度增加了3倍，但對電壓限制器的選擇提出了更高的要求。

雙端接地是將電纜兩端的金屬屏蔽層直接接地。電纜在這種情況下運行時，金屬屏蔽層中有環流通過（當然會引起發熱）,會降低電纜的載流量。雙端接地時的電纜載流量比單端接地（或下面講的交叉互聯接地）時的載流量要小得多，它不僅造成資源（導體材料）的浪費，而且造成能源的損失。因此，這種接地方式僅僅適用于在特殊情況下采用：例如電纜需要過江、河、湖、海底以及受條件限制無法采用交叉互聯接地的場合。

交叉互聯接地是將電纜的金屬屏蔽層或金屬套一端直接接地，采用中間絕緣接頭和交叉互聯箱將三相（即三根單芯）電纜的金屬屏蔽層進行換位連接，而電纜的另一端則通過保護接地（稱為單點互聯接地）或者直接接地（稱為兩點互聯接地）。試驗表明，單點互聯接地時的載流最略大于兩點互聯接地時的載流量。在完全換位的情況下，金屬屏蔽層或金屬套中沒有環流通過，兩端對地之間也沒有感應電壓，但每段電纜中間有感應電壓，且換位處的感應電壓為最高值。交叉互聯接地的電纜載流最與單端接地時的電纜載流量基本上是相同的。交叉互聯接地方式適合于較長距離線路，但應考慮根據最高允許感應電壓來確定相鄰兩個換位點之間的最大距離。

因此，單芯動力電纜屏蔽接地方式的選擇主要決定于其感應電壓的大小。根據研究表明電纜敷設方式不同，感應電壓大小不同，其計算公式如下【2】：

其中：S為電纜中心間距，DS為金屬屏蔽層外徑；I為電纜工作電流；L為電纜單相長度；USA、USB、USC為電纜 A、B、C三相電纜感應電壓。

通過上面的公式可知，高壓單芯電纜排列為三相三角形時的感應電壓要比三相水平排列時的感應電壓要低。單芯電纜敷設時盡量采用三角形敷設方式，每隔200mm-500mm用非鐵磁綁扎捆綁在一起。一般情況下，短距離單芯電纜可以通過電纜護套一端接地、另一端接保護器的方式，使電纜護套的感應電流不形成回路而得到限制；而長距離單芯電纜往往可以采用護層交叉互聯的方式來平衡感應電流，以降低感應電壓；雙端直接接地不常用，僅適用于特殊場合或者極短電纜和小負載電纜線路。

3 控制電纜屏蔽層兩端接地

控制電纜用于控制、測量、保護等用途，金屬屏蔽層接地后，根據“法拉第籠效應”原理，可減少外界對芯線的干擾，精確傳導信號，避免造成誤動和損壞控制設備，從而保證設備安全運行。我們知道信號干擾主要以兩種方式存在，即靜電感應干擾和電磁感應干擾。靜電感應，是指一個帶電的物體與不帶電的導體相互靠近時由于電荷間的相互作用，會使導體內部的電荷重新分布，異種電荷被吸引到帶電體附近，而同種電荷被排斥到遠離帶電體的導體另一端．這種現象叫靜電感應。靜電感應是以電容耦合的方式存在。電磁感應，是指因磁通量變化產生感應電動勢的現象，閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流，這種現象叫電磁感應。電磁感應是以電感耦合的方式存在。

在現實中，靜電感應干擾和電磁感應干擾兩種方式可能同時存在。要想消除或減少干擾，需要根據具體情況，具體分析，對控制電纜屏蔽層采用合理的接地方式。

DCS系統，因為廣泛應用集成電路和各式各樣的電子元器件，集成電路和電子元器件對靜電敏感，根據其產品技術要求，需降低靜電干擾。一端接地后，屏蔽層就可有效阻止控制電纜芯線與外界形成電容，因而控制電纜芯線不會因外界電場的變化而產生充放電等現象，可以有效防止靜電干擾。如果屏蔽層兩端接地，兩端的接地點存在電位差，隨著電纜的長度增加，電位差更大，屏蔽層內形成接地環流，容易造成設備誤動或損壞。而一端接地，就避免了上述問題。所以，DCS系統控制電纜屏蔽層應采用一端接地，考慮到施工的方便和接地點等電位要求，應在DCS機柜側統一進行一點接地。

針對應用于連接開關場引入控制室繼電保護及自動控制回路的屏蔽電纜，由于其輸入和輸出均有一端是在開關場的高壓或超高壓環境中，主要目的是抗電磁感應干擾，故屏蔽層在兩端接地。屏蔽層采用兩端接地后，可以消除靜電干擾，同時根據楞次定律可知，電磁感應可在屏蔽層金屬表面形成渦流，渦流反過來可以阻礙磁場的變化，阻礙感應強度增加，雖不能完全屏蔽掉電磁感應，可將感應電壓降到不接地時感應電壓的1%以下。需要注意的是，兩點接地可能因接地點電位差，屏蔽層內產生環流。因此，此部分區域電纜屏蔽層的兩端應有等電位接地網，減小接地電位差，克服兩端接地帶來接地環流的問題。

但是，當電氣量進入DCS時，兩種規定發生沖突，根據電纜接線的工程實踐，進入DCS系統的電纜最好采用單端接地。有些資料認為單端接地點一般按取用原則設置，凡是從設備送到DCS盤柜的反饋信號（位置、故障和模擬量信號），均應在DCS側做單端接地；凡是從DCS盤柜送出的控制指令（合、跳閘或其他指令），均應在保護盤側做單端接地。

對于傳輸特別敏感信號的二次電纜，一點接地或兩點接地可能都無法滿足抗干擾的要求，這時就需要選擇雙層屏蔽電纜，且外屏蔽層還應采取兩點接地，內屏蔽層則采用一點接地。兩層屏蔽電纜最外層兩端接地是由于引入的電位差而感應出電流，因此產生降低源磁場強度的磁通，從而基本上抵消掉沒有外屏蔽層時所感應的電壓；而最內層屏蔽一端接地，由于沒有電位差，因此僅用于一般性的防靜電感應。外屏蔽層上流動的噪聲電流對內屏蔽層的芯線幾乎沒有影響。在干擾特別嚴重的地方，則應采用光纖。

4 結束語

通過以上對電纜屏蔽層作用的分析，使得在施工中對屏蔽層接地方式的選擇有了清楚的認識，從而確保了電纜在施工過程中就能正確接地，避免運行過程中產生故障。

1 能源部西北電力設計院 電力工程電氣設計手冊 北京：中國電力出版社2007.

2 江日紅 交聯聚乙烯電力電纜與線路 北京：中國電力出版社 1997

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