關于變電站保護二次電纜屏蔽層接地方式研究

白立強

（國網山東省電力公司東阿縣供電公司，山東聊城，252200）

1 變電站的主要干擾源及耦合方式

1.1 主要干擾源分析

變電站干擾源類別多樣，本質上看，變電站在常規工作狀態下是一個巨大的電磁場，即便出現異常，也對周圍具有明顯的干擾，這種干擾均屬于電磁干擾。當外界存在其他電磁場時，干擾是相向進行的，也即一般意義上的互擾。結合常規工作資料可以發現，變電站干擾源包括七個方面，即處于運行狀態下的一次設備（非運行狀態下影響較小）、自然狀態下快速富集的帶電粒子（比如雷電）、一次系統中開關操作產生的電場、由于異常工作產生的短路電流、二次回路、設備的局部放電現象、其他通信設備和步話機的工作。

1.2 耦合方式分析

耦合方式上看，不同干擾源也存在差異，這種差異帶有一定的不確定性，主要受到干擾源發生位置和強度的影響。根據文獻資料記載，可以將耦合的常見方式分為四大類，即電場耦合、磁場耦合、電磁輻射干擾和公共阻抗耦合。電場耦合也被稱為電容耦合，在正常情況下，所有通過電能驅動的設備，自身都存在分布電容，變電站的特殊環境使此分布電容和用電設備受到了更多因素的影響，包括耦合電容、補償電容、電容式電壓互感器等等，當導體上的電壓以不同電容作為媒介，影響其他導體的電位時，會產生傳導型干擾，電場耦合情況就產生了。磁場耦合也被稱為電感耦合，多由帶有電流的導體產生，其與交變磁場會在其周圍閉合電路中產生感應電勢，造成耦合現象。電磁輻射干擾主要受到高頻電磁干擾影響，可以形成差模干擾，也可能形成共模干擾。公共阻抗耦合多由電位差導致，較為常見，但危害較小。

2 屏蔽層的抗干擾作用

2.1 屏蔽層的抗干擾作用基本原理

為求應對各類干擾，現代變電站多采用屏蔽層進行抗干擾保護，屏蔽層抗干擾的原理實際上比較簡單，主要是通過物理隔絕的方式應對放電問題，只要保持其電位與保護目標相當，就能夠有效的應對互擾，既能避免外界對變電站設備造成電磁干擾，也能避免保護對象出現放電情況，干擾外界活動。當前的控制、信號電纜多采用由細銅絲（經過電鍍處理）編織層構成的屏蔽層。屏蔽層覆蓋率一般在90%以上，芯線為1對或者多對雙絞線。對屏蔽層的抗干擾作用進行分析，可以就電容性耦合、電感性耦合兩個方面入手。

2.2 電容性耦合

結合一般性工作資料可以發現，電容性耦合是變電站各類干擾源的主要耦合方式，這是由于變電站的不同電氣設備幾乎總是處于運行狀態，且各類設備本身的電容也始終是存在的，電容性耦合也就無法避免。早在20世紀早期，德國學者就曾對電容性耦合的控制進行過研究，結果上看，在不采用接地手段的方式下，其他方法很難對電容性耦合產生控制作用，當時的德國科學家路德維希甚至嘗試將設備埋入地下，但處理效果依然不夠理想。現代屏蔽層接地處理通常根據變電站工作需要確定接地端數目，研究結果上看，應用1個或者2個接地端都能起到控制電容性耦合的作用，且結果接近。如果屏蔽層接地電阻為零，且屏蔽編織層的覆蓋率為 100%，則芯線上的感應電壓為零。從電磁場的角度來看，如果屏蔽體接地良好，則電場終止于屏蔽體，直接耦合到地。

2.3 電感性耦合

電感性耦合的出現與電位差存在直接關系，集合此前一般性工作資料，可以發現電感性耦合還可能受到其他因素的影響，不同線路之間的電位差、老化程度以及工作內容的差異都可能導致互擾，這種互擾的電壓可以通過計算式表達：

U21=JωM12I1. （1）

式中，1、2表示兩根不同的電纜線，U表示電壓，I表示電流。J、ω、M表示各類影響因素。此處將電纜線看做是常規導體，當2號線路應用屏蔽層進行了保護，且沒有進行接地時，屏蔽層沒有改變導線 1 和導線 2 之間的幾何位置關系，計算式和計算結果不發生任何改變；當屏蔽層進行了接地處理，計算結果將受到影響，額外增加了接地電流傳導系數，該系數受到導線電流大小影響存在變動可能，一般穩定在80%-98%之間，即互擾電壓計算為：

（20%-2%）U21=JωM12I1. （2）

式2中，U表示電壓，I表示電流。J、ω、M表示各類影響因素，括號中的“20%-2%”代表屏蔽層接地后的影響系數，帶有一定的動態變化特征，但能夠顯著降低兩條線路之間的忽然水平。

3 屏蔽層接地方式

以上述研究為基礎，提升屏蔽層接地建議如下：在研究中，屏蔽層接地工作可以對芯線中的信號產生干擾，這種影響主要受到屏蔽層內部電流的影響。經過后續實驗研究，該構想得到證實，屏蔽層中流過的電流越大，其對芯線中信號的影響也越大，因此在非必要情況下，不建議應用單根線路進行電能的傳輸。也有研究表明，當過大電流瞬間注入接地網，可能導致屏蔽層被瞬間燒毀。我國學者的研究則表明，屏蔽層表面電鍍工藝水平、老化程度也會影響其工作效果。因此要求在進行屏蔽層接地時，使其遠離水源，并強調電鍍工作質量，周期進行材料更換。

研究結果可以發現，屏蔽層中的電流并不是完全來自線路本身，有大約2%-10%來源與外界磁場產生的感應電流，其作用是抵消外界磁場的干擾，另有一部分屬于噪聲電流，通常地網電阻越小，噪聲電流就越小，在實際工作中，芯線與屏蔽層之間存在分布電容、分布電感，噪聲電流會成為一個持續存在的小型電壓源、電流源，干擾線路工作，這種干擾基本為共模形式，為避免噪音電流干擾，要求在工作中設法降低地網電阻，加大屏蔽層埋深，將電流控制5A以下。

在地網電阻較低的情況下，可以應用扁鋼或銅排進行接地導體的并聯，實現電流的分散處理。該項工作的積極價值在于，在屏蔽層的外圍額外增設了保護層，能夠使感應電流在固有基礎上下降10%-85%，通常并聯導體越多，下降作用越明顯，此外并聯電流距離越大，感應電流的下降也越大。此外，為進一步提升保護效果，要求在進行接地處理時候注意二次電纜位置，使其要盡可能原理高頻暫態電流入地點（例如避雷器、避雷針的接地點，電容式低壓互感器、耦合電容器和帶電容型套管設備的接地點），一般性變電站應保證二者距離在5m以上。