變電站二次等電位接地網設置方法

郭宜果，魏 鑫，王慧軒

（國網山東省電力公司電力經濟技術研究院，山東 濟南 250021）

0 引言

為保障電力系統可靠運行和故障條件下變電站電氣設備和人員的安全，需要設置接地裝置，構成電力系統和電氣設備與大地的電氣連接。相對于一次設備來說，變電站內二次系統耐壓能力弱，更易受到電磁干擾，如果將其直接接在主接地網上，變電站正常運行或出現故障時可能產生較強的電磁干擾，嚴重時影響二次設備運行，因而需要設置單獨的二次等電位接地網［1］。

二次等電位接地網用于變電站內監控、保護、測量、通信等二次設備及連接光纜、電纜線的接地，是全站接地網的一部分。隨著電力系統規模的擴大及智能化、互動化的深度發展，變電站內二次設備數量種類日益增多，重要性也日益提高，二次等電位接地是保障二次設備安全可靠運行的重要環節，需要予以進一步的關注。

不同規范對于二次等電位系統的屏柜接地設置、室內等電位地網與主地網的連接方式、電纜溝屏蔽銅排的設置方面存在差異，實際工程中二次等電位系統的設置方式不統一，實際工程中問題較多［2］，對電網的實際運行產生不利的影響［3-4］。因而有必要對變電站二次系統可能受到的干擾及接地種類進行歸納，在此基礎上對現行規程規范中二次等電位接地的相關內容進行分析，總結出適用的變電站二次等電位接地設置原則。

1 二次系統干擾源及接地的分類

1.1 二次系統干擾源的分類

變電站是一個強電磁干擾環境，正常運行時會因為電力系統的工頻電壓、電流對二次系統產生一定的工頻干擾，也會因為一次設備操作、局部放電、電暈等產生高頻電磁干擾；在雷擊或短路等故障情況下，系統參數劇烈變化，可能通過傳導、耦合對二次系統產生更大的影響［5］。一般來說，變電站設計時均采取了降低干擾的措施，正常運行的干擾對二次系統的影響不大，但是由于故障本身的不確定性，會對二次系統產生更強的干擾。因而，威脅二次系統的主要干擾源有兩類：電力系統短路時，在空間形成的工頻電磁干擾、工頻入地電流和電位分布（電位差）；電力系統、變電站遭受雷擊時，雷電流流經避雷針、避雷器進入地網，形成的高頻暫態干擾。

這些干擾侵入二次系統的主要方式有電場耦合、磁場耦合、輻射、傳導等［6］。

1.2 二次系統干擾源的分類

1.2.1 按功能劃分

從二次系統接地的功能上劃分，可以分為以下4 類。

邏輯接地。一般保護、測控等裝置的開關量開入、輸出控制回路的邏輯信號公共端均需要接地，形成穩定的參考零電位。對于邏輯接地來說，要求接地電阻很低，提供裝置所有邏輯電路的公共基準點。微機裝置中使用的各種TTL 門電路的邏輯“1”和“0”電平的電位差僅2 V 多，如果公共地的接地電阻較大，則會在信號地線上產生電位波動，造成微機裝置的工作異常甚至損壞［7］。值得注意的是，部分二次設備邏輯接地是懸空的，與外部沒有任何電氣的聯系，不需要邏輯接地［8］。

安全接地。二次設備本身有電源接入，出于人身安全考慮，要求二次設備及安全二次設備屏柜采用專用的接地線可靠接地。

互感器接地。出于測量準確性和設備安全性的考慮，電壓互感器、電流互感器的中性線（N）需要可靠接地。

電纜屏蔽接地。大部分干擾信號是通過二次回路侵入二次系統的，因而采用屏蔽電纜加強對二次回路的屏蔽，對電纜的屏蔽層進行接地是過濾侵入二次回路各種干擾的重要措施。

1.2.2 按組成劃分

二次系統的接地是通過構建二次等電位接地網實現的，根據等電位地網的組成來說，可以分為以下3 個部分：

屏柜、箱體的接地。設置于安裝二次設備的屏柜、箱體上，主要為本柜內二次設備、回路提供接地。

室內等電位地網。安裝二次設備屏柜的房間內敷設專用地網，構建等電位面，有效減少參考電位差異帶來的干擾。

電纜溝屏蔽銅排。沿二次電纜敷設于電纜溝內，為二次電纜提供屏蔽、接地。

2 二次等電位接地的設置

2.1 屏柜接地設置

現行標準 GB／T 14285—2006、GB 50169—2006、GB／T 50976—2014 和DL／T 5136—2012 均要求保護、控制屏柜下部應設置截面不小于100 mm2的接地銅排［7，9-11］，但對接地銅排設置的數量、是否與屏柜絕緣、銅排與屏柜上裝置的連接方式等方面，各規范要求不夠明確。

二次屏柜不僅需要提供保護、測控裝置等直流裝置的正常工作接地，還要提供輔助設備等交流設備的保護接地。為避免交流系統的波動對直流裝置的損害［8］，二次屏柜應設置兩根接地排，其中與屏柜電氣可靠連接的一根用于交流系統保護接地，另一根用于直流系統設備工作接地。

DL／T 5136—2012 指出，當單個屏柜內部的多個裝置的信號邏輯零電位點分別獨立，并且不需要引出裝置小箱（浮空）或需與小箱殼體連接時，總接地銅排可不與屏體絕緣；當屏柜上多個裝置組成一個系統時，屏柜內部各裝置的邏輯接地點應均與裝置小箱殼體絕緣，并分別引接至屏柜內總接地銅排，總接地銅排應與屏柜殼體絕緣。GB／T 14285—2006 僅要求裝置的接地端子應采用截面不小于4 mm2的多股銅線和接地排相連，接地銅排應用截面不小于50 mm2的銅纜與保護室內的等電位接地網連接。GB／T 14285—2006 對于“裝置的接地端子”描述不夠準確，二次系統的接地包括多種，如全部接到二次等電位銅排上將會產生問題。

當柜內裝置的邏輯接地點不引出時，屏柜接地方式有2 種，分別如圖1 和圖2 所示。圖1 中，屏柜內分別設置一次、二次接地排，二次接地排與柜體不絕緣。屏柜內一次接地排與保護室一次接地網緊密連接，二次接地排與二次等電位地網連接，裝置外殼接地端子與二次接地排連接。由于二次等電位地網與一次接地網是在保護室電纜豎井位置一點連接的，構建二次設備室等電位接地體，在這種連接方式下，二次地網與屏體不絕緣，則二次設備室的等電位地網通過屏柜與一次地網連接，破壞了二次地網的一點接地。圖2 所示的接地方式將圖1 的二次接地排與屏柜絕緣，裝置外殼接地端子與一次接地排連接，二次接地排連接電纜屏蔽層、互感器中性線等。此時保護的二次接地與一次接地完全分開，不會將一次地網中的干擾引入二次等電位地網。

圖1 邏輯接地不引出的屏柜接地方式Ⅰ

圖2 邏輯接地不引出的屏柜接地方式Ⅱ

當屏柜內邏輯接地點需要引出時，屏柜接地方式有2 種，分別如圖3 和圖4 所示。圖3 中，屏柜內設置兩根接地排，二次接地排與屏柜絕緣。如果將保護的邏輯接地、裝置外殼接地都接到二次接地排時，由于裝置的外殼本身與屏柜是結構上連接的，一次接地網會構成“一次接地排—裝置外殼—二次接地排—二次等電位地網”的通路，從而將一次接地網的干擾在屏柜處引入二次等電位地網。由于保護的邏輯接地引出接到二次接地排，一次地網的干擾將直接竄入保護裝置內部，對保護裝置造成影響。圖4 所示接地方式有效避免了這個問題，將保護裝置的外殼與一次接地排連接，斷開一次接地網與二次等電位地網的通路，實現兩者的隔離，保證裝置的安全可靠運行。

圖3 邏輯接地引出的屏柜接地方式Ⅰ

圖4 邏輯接地引出的屏柜接地方式Ⅱ

綜合以上分析，無論二次裝置的邏輯接地點是否引出，二次屏柜上均應設置兩根接地銅排，一根與屏柜可靠連接，另一根與屏柜絕緣。屏柜上的二次裝置外殼應連接與屏柜絕緣的銅排，裝置邏輯接地、互感器中性線、電纜屏蔽層應連接與屏柜絕緣的接地銅排。

2.2 室內等電位地網設置

DL／T 5136—2012 要求保護室屏柜下的電纜溝或電纜半層內，應該沿屏柜方向敷設截面不小于100 mm2的銅排，并將首尾兩端連接，形成獨立設置室內等電位地網，該地網應采用不少于50 mm2的4 根銅排與變電站的一次接地網相連。文獻［12-13］對連接進行了具體規定，要求室內等電位地網必須與主接地網的連接點只能有一點，連接點應設置在電纜豎井或電纜溝道入口處。具體方式如圖5 所示。

圖5 室內等電位接地網敷設

小室二次等電位地網與主控制室內二次等電位地網的連接有兩種方式。

方式Ⅰ如圖6 所示，主控制室內等電位地網就近與一次地網連接，保護小室二次等電位地網未就近與一次地網連接，通過連接銅排與主控室二次等電位地網連接。在這種連接方式下，如果系統內的故障造成一次地網電位分布不均，主控制室處一次地網地電位為U1，遠方的二次小室處地網電位為U2，裝置外殼電位與一次地網電位一致，也為U1。二次小室處等電位地網與主地網不連接，通過連接銅排接到主控制室二次等電位地網，故小室二次等電位地網的電位為U2，保護裝置的邏輯接地與小室內二次等電位地網連接，因而裝置內部邏輯接地點電位也為U2。保護裝置外殼和內部存在電位差U1-U2，仿真計算表明［14］，即使面積不大的變電站（50 m×50 m），小室處的地電位與主控制室處的在短路故障時地電位差可達600～700 V，雷擊故障時甚至能達到7～18 kV，微機承受工頻電壓一般不大于3 kV，沖擊耐受電壓低于6 kV［15］，如此大的電壓差足以造成保護裝置損壞，影響系統的安全運行。

圖6 全站等電位地網連接方式Ⅰ

方式Ⅱ如圖7 所示，小室內等電位地網就地與主地網連接后，通過銅排連接至控制室主地網。雖然小室和主控室電位不一致，由于連接銅排的電阻率很低，可起到對主控室和小室的一次地網的均壓作用，使得兩點電位差大大降低［14］，保證裝置的安全。值得注意的是，為避免額外干擾，二次小室與主控室等電位地網的連接銅排應接在兩者與各自一次地網的一點接地處。

圖7 全站等電位地網連接方式Ⅱ

2.3 電纜溝屏蔽銅排設置

DL／T 1682—2016 要求沿二次電纜溝道敷設截面不小于100 mm2銅排，且電纜屏蔽層在端子箱處與該銅排連接，保護室內與二次等電位地網連接。《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》對于銅排與室內等電位地網的連接進行了規定，要求銅排在端子箱處與一次地網連接，在與室內等電位地網與主地網的一點接地處連接。然而，變電站內電纜溝眾多，許多電纜溝呈環形布置，電纜溝內敷設銅排是否與電纜溝一致，DL／T 1682—2016 對此沒有規定，需要進行具體分析。

圖8 屏蔽銅排電磁耦合

如圖8 所示，發生短路時，除了考慮由于地電位分布不均，在電纜溝屏蔽銅排上產生的干擾電流外，還應考慮短路電流沿地網流動時因電磁耦合在屏蔽銅排中產生的感應電流。計算數據表明，高壓母線發生短路時，可能產生高達數千伏的共模電壓作用在屏蔽線中［16］。由于二次電纜屏蔽層兩端連接在電纜溝屏蔽銅排上，二次電纜纜芯可能感應出較大的干擾電壓，對二次回路產生干擾。

如圖9 所示，如果屏蔽銅排沿電纜溝敷設并構成環形。此時某一屏蔽銅排回路產生的干擾電壓會沿各個環路傳播，將干擾引入與之相關的所有回路，在更大范圍內對二次設備造成威脅。相反，如圖10所示，屏蔽銅排采用輻射式布置，在首端接于二次等電位地網一點接地處，遠端在端子箱處與一次地網就近連接，這樣可以破壞環路條件，減小干擾范圍。

圖9 電纜溝屏蔽銅排設置方式Ⅰ

圖10 電纜溝屏蔽銅排設置方式Ⅱ

事實上，對于地電流特別大的變電站，可以把二次電纜屏蔽層在端子箱處經接地電阻與一次地網連接。

3 結語

由于二次設備本身的特殊性，二次系統的接地與一次系統的接地設置原則有一定的差異。經過分析，二次等電位地網的設置中應注意3 個問題。

二次屏柜內均應設置2 根接地排，一根與屏柜可靠連接，用于低壓交流供電的保護線接地、屏內安裝的二次設備外殼接地；一根與屏柜絕緣，并與室內二次等電位地網可靠連接，用于裝置的邏輯引出接地、電纜屏蔽層接地、保護中性線接地。

各保護小室內分別設置的等電位地網應就近與一次接地網一點連接，保護小室之間的等電位地網與主控制室等電位地網采用銅排連接，連接點設在等電位地網與一次地網一點連接處。

電纜溝內輻射式設置二次屏蔽接地排，在首端接于二次等電位地網一點接地處，遠端在端子箱處與一次地網就近連接，不應構成環形閉合回路。