變電站二次系統接地方法與控制

楊漪俊　趙志新

摘 要：變電站接地系統設計中的電氣安全技術就是通過設計確保設備安全（主要是二次設備及二次電纜等的要求）和人身安全。設備安全主要是將地電位升限制在合理的水平，不會出現因為過高的地電位升引起二次設備及二次電纜的反擊破壞。而人身安全則要依靠均衡地表電位和降低地電位升，以確保人體承受的接觸電壓和跨步電壓在人體允許的安全限值內。確保人身安全還可以通過提高人體允許的接觸電壓和跨步電壓的安全限值來實現，即在地表敷設高電阻率的材料。

關鍵詞：變電站；二次系統；接地；方法與控制

引言

地電位升高是變電站設計與運行管理中必須面對、重視和設法控制的問題。電力故障或雷擊會使得地電位升高造成設備損壞甚至人身傷害。影響地電位升高的原因有電力故障、電氣接地方式、土壤電阻等。我國DL/T621-1997《交流電氣裝置的接地》關于變電站電氣設備保護接地規程的規定：“有效接地和低電阻接地系統中發電廠、變電所的接地裝置的接地電阻R一般情況下應滿足R≤2000/I。”當接地裝置的接地電阻不符合R≤2000/I時，可通過技術經濟的比較增大接地電阻，但接地電阻的值不得大于5Ω。但通信系統的接地一般要求接地電阻小于1，一般應將接地電阻降低到小于1。文章主要討論接地方式對電力二次系統地電位升的影響。

1 影響地電位升的因素

變電站二次系統多使用低電壓精密器件，地電位升與二次系統的安全緊密相關。變電站以站內接地網產生等電位區域來減少站內地電壓升高的影響，變電站接地網將所有金屬部件連接在一起，形成一個等電位區域。系統正常工作時，地網電流很小，地電壓差接近于零，系統故障時，伴隨著很大的電流流經大地土壤時，流過地網的電流將在地網接地電阻上產生壓降，即地電位升高。當二次電纜單端接地時，如果不考慮短路時二次電纜芯線上的感應電位，短時故障或雷擊時，二次電纜承受的電位差即為地電位升。該電位差施加在二次電纜的絕緣上，因此地電位升直接決定于二次電纜的交流絕緣耐壓及二次設備的交流絕緣耐壓值。

控制電纜正常工作時，芯線上是低壓控制信號，絕緣外皮或金屬鎧裝接地，系統發生故障后，控制電纜承受非對稱地網電阻產生的地電位升高，因此，控制電纜的工頻耐壓特性是影響提高允許地網電位升高值的主要因素。限制允許地電位升高，考慮控制電纜固體絕緣和爬電距離，研究二次設備放電間隙，是確保二次設備不被反擊電壓擊穿，確保人身與設備安全的主要方法。接地故障時，二次電纜及二次設備承受電壓的時間為繼電保護動作的時間。一般來說，繼電保護應在1s動作，考慮一定的裕度，我們取3s的交流耐受電壓作為設備的絕緣耐壓。

2 二次系統電纜接地方式對控制地電位升的作用

傳統變電站大量使用二次電纜連接，二次系統在系統故障時承受的地電位升決定了二次電纜的接地方式。由于過去金屬導線的電話線的絕緣耐壓一般都只有2000V，同時假設短路故障時，二次電纜芯線上沒有感應電位，這樣作用在二次電纜屏蔽層及二次設備上的電壓就有地電位升。因此，我國電力行業標準DL/T621-1997《交流電氣裝置的接地》從確保二次系統的安全出發，要求地電位升IR<2000V。

2.1 二次電纜單端接地

二次電纜單端接地時，電纜屏蔽層中沒有電纜流過，短路時二次電纜芯線上的感應電位很小，短路時，二次電纜承受的電位差即為地電位升。該電位差施加在二次電纜的絕緣上，因此地電位升直接決定于電纜連接二次設備的交流絕緣耐壓值。

2.2 二次電纜雙端接地

對于地網上接有的雙端接地電纜，電流注入地網時，部分短路電流從電纜的外皮中流過，將在二次電纜的芯線上感應較高的電位，從而使作用在二次電纜的芯皮電位差較小。芯皮電位差主要與接地網電阻值、導體尺寸、土壤電阻、電纜長度、電流注入點與電纜接地點相對位置以及故障電流有關。且地網規模較大，導體間距較密，土壤電阻率較小，電纜長度較大，電流注入點距電纜接地點較近（但不是緊緊相鄰），故障電流較大時，電纜上感應的芯皮電位最高。

對于土壤電阻率為50m左右，邊長100m的地網，即使在二次電纜屏蔽層接地點附近發生短路事故時，通過大量的計算表明，雙端接地電纜上感應的芯皮電位通常不到地網電位升的20%，芯皮兩端電位小于地網電位升的40%。這時假設二次電纜及二次設備的絕緣耐壓只有2kV，采用二次電纜雙端接地，可以將地電位升高放寬到2000/（40%）=5000V。采用二次電纜雙端接地的方式，即使故障時地電位升達到5kV，但作用在二次電纜芯皮之間和二次設備上的電位差只有2000V，仍然滿足了接地規程的要求。考慮到二次電纜雙端接地帶來的部分故障電流流過二次電纜的屏蔽層，如果故障電流較大，可能燒毀電纜屏蔽層問題。電力系統反事故措施要求在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅接地帶，銅接地帶連接接地網，二次電纜與銅接地帶兩端可靠連接。在電力系統故障時，由于銅接地帶的阻抗比二次電纜屏蔽層的阻抗小得多，故障電流主要從銅接地帶中流過，大大減少了故障電流燒毀二次電纜屏蔽層的可能。

2.3 變電所二次系統允許的地電位升及控制措施

根據長期實踐，綜合各方面的因素，變電所的地電位升取5kV是可行的。

對于變電站內的設備和電纜，當變電站的地電位升增加時，這些設備和電纜的電位升也相應增高，其相對于變電站地電位的差不會增加很多，二次電纜采用屏蔽層雙端接地時，作用在二次系統的芯皮電位差不超過2kV，即加在二次設備上的電壓不會超過2kV，因此地電位升取5kV對這些設備不會造成較大影響。

對于引出變電站的通信線路，必須注意通信線路引起的高電位引出及其它隔離措施，目前變電所的通信線路一般采用光纜通信線路，因此這方面的問題可以不予考慮。但其它從變電所引出的低壓電源線必須采用隔離變壓器，防止變電所接地故障時造成的高電位引出。對于引出變電站的35kV和10kV電力電纜，由于其耐壓較高，變電所的地電位升取5kV不會對其造成絕緣破壞，為了防止向站外引出高電位，建議電力電纜屏蔽層在遠離變電站端經護層絕緣保護器（金屬護層電壓限制器）接地。

另外從充分考慮裕度的情況下，假設二次設備及二次電纜的絕緣耐受電壓只有2kV，則采用二次電纜雙端接地方式，同樣可以將允許的地電位升提高到5kV。

參考文獻

[1]大型變電站接地網的優化設計[J].高電壓技術，2005，12.

[2]110kV變電站接地網的優化設計[J].電力建設，2009.

作者簡介：楊漪俊（1972-），男，高級工程師，主要從事電力系統設計與繼電保護管理與運行管理工作。

趙志新（1981-），男，工程師，主要從事電力配電網設計、運行與管理工作。