电力微电子装置等弱电设备在电力系统二次回路中的广泛应用, 对变电站电磁兼容水平提出了很高的要求.弱电设备的耐压水平和抗干扰能力都比较低, 为保证电力系统的安全运行, 必须提高一次系统和二次系统之间的电磁兼容性, 减小二次系统的干扰电压[1].

在变电站中控制电缆是一次设备和二次设备的连接线, 因此控制电缆引入的干扰是二次回路中主要的干扰源.为了减少因地电位升高由控制电缆引入的干扰, 除了选用屏蔽型的控制电缆外, 还应选用正确合理的电缆接地方式[2], 充分发挥屏蔽电缆的屏蔽性能.

当一次系统发生接地短路或遭受雷击而使避雷器动作时, 强大的电流经接地体流入大地, 在接地电阻上产生很高的电压降, 这就是地电位升高, 由此引起地电位分布不均匀, 产生所谓的地电位干扰.地电位升高对附近设备和人员的危险影响是不容忽视的[3].变电站附近通过的电缆处于地电位影响范围内时, 由于阻性耦合, 电缆的芯线与外皮、芯线与大地之间会出现电位差, 控制电缆会将干扰引入二次系统, 对计算机监控设备的取样回路、控制回路、电源和通信回路造成影响, 如果某一环节出现问题, 这种干扰就会对综合自动化系统造成较大的危害, 比如会使逻辑混乱、计算机死机、芯片损坏、保护“失灵”等, 严重时会危及发电机、变压器等一些主设备.由各类干扰造成微机保护或综合自动化系统“失灵”的事故经常出现, 有的还发展成主设备烧毁事故.例如, 信阳局沙港站2005年10月发生开关的同期电压指示不正常, 从电压互感器的接线盒下来的电缆烧断且严重发热, 二次保险熔断的事故.事后分析是由于沙明1线路PT二次回路分别在开关场和控制室两点接地且开关场处接地与一次接地点连通, 变电站的接地网并非实际的等电位, 因而在不同点间会出现电位差.如果一个电连通的回路在变电站的不同点同时接地, 地网上的电位差将窜入这个回路, 长期运行, 控制电缆长期过热, 绝缘被破坏.同时, 由于当时为雷雨天气, 变电站地网中的冲击电流增大, 产生暂态电位波动, 电缆电位将随地电位的波动而受干扰, 地电位升高对低压控制回路的绝缘带来严重影响, 导致控制电缆烧坏.

屏蔽是将电场干扰源至器件或设备的传输路径“切断”, 从而或减弱干扰源对其它器件或设备的不良影响.而埋地电缆是对微机电源产生干扰的主要干扰源, 它既是干扰的主要发生器, 也是主要的接收器.电缆作为发生器, 它向空间辐射电磁噪声;作为接收器, 它能敏感地接收来自邻近干扰源所发射的电磁噪声[4].敷设在高压导线附近的控制电缆, 如果不采取屏蔽措施, 一次回路干扰源会通过共模耦合或差模耦合在电缆的芯线上产生干扰电压;如果采用金属外皮的屏蔽电缆, 并对屏蔽层进行接地处理, 则不论对共模耦合还是差模耦合产生的干扰都有明显的抑制作用.因此, 采用屏蔽电缆并采取相应的接地方式作为抑制地电位干扰的主要措施.

地电位升高是由地网电流流经接地体而产生的, 地网电流主要有2种, 一种是侵入地网的雷电冲击电流;另一种是工频短路时流过地网的工频电流.地网电流经过接地体流入二次电缆的外皮, 将对电缆芯线产生耦合, 并在电缆末端感应出电位差, 从而对二次设备造成危害.为了减小引入二次系统的过电压, 通常对控制电缆采用屏蔽层接地处理.常用的屏蔽层接地方式主要有一端接地和两端接地两种[5].不同的接地方式对于不同的地网电流产生干扰的抑制效果也是不同的.

当雷击变电站内的避雷器或避雷线时, 雷电流经过接地引下线流入接地网产生大的地网电流, 此时在入地点存在强烈的电磁场将使得接地体a点与敷设在地网的周围的控制电缆b点之间出现较大的电位差Uab (如图1) , Uab的大小和电缆的接地方式有关[6].

雷电流i流过接地体ao, ao段的电阻为R1.当电缆屏蔽层一端接地时, 即图1 (a) 所示, 所有地网电流在回路Ⅰ中的产生的磁通为ΦⅠ, 则感应电势为dΦ Ⅰ/dt, 屏蔽层的不接地端和芯线之间的电位差 (即图中a, b之间的电位差) 为

Uab=IchR1+dΦⅠdt.   (1)Uab=ΙchR1+dΦⅠdt.(1)

式中 Ich为从a点流入、o点流出的地网电流;R1为ao段的电阻;ΦI为地网电流在回路I中产生的磁通.

屏蔽层两端接地时, 电缆的屏蔽层与地网构成闭合回路, 如图1 (b) 屏蔽层的电流为I0, 设其电阻为R2, 穿过回路Ⅱ的磁通为ΦⅡ′, 那么

I0R2=(Ich−I0)R1+dΦⅡ′dt.   (2)Ι0R2=(Ιch-Ι0)R1+dΦⅡ′dt.(2)

则屏蔽电缆芯线和屏蔽层之间的电位差为

Uab=I0R2=R2R1+R2(IchR1+dΦⅡ′dt).   (3)Uab=Ι0R2=R2R1+R2(ΙchR1+dΦⅡ′dt).(3)

式中 ΦⅡ′为由导体电流和屏蔽层电流在回路II共同产生的磁通.

图1 屏蔽层不同接地方式

比较式 (1) 和 (3) , 由于电缆的屏蔽层电流的抵消作用, 故dΦⅡ′dt＜dΦⅠdtdΦⅡ′dt＜dΦⅠdt, 即屏蔽层两端接地方式对于地网电流产生的感应电势比一端接地时的要小;又有R2R1+R2＜1R2R1+R2＜1, 所以屏蔽层两端接地时的过电压Uab比一端接地时的要小[ 7].由此可见, 二次电缆屏蔽层两端接地比一端接地具有更强的防过电压能力.

理论上已经证明了对于雷电流入地的地网电流而言, 比较屏蔽层两端接地时产生的芯线屏蔽层间电压差与屏蔽层一端接地时产生的芯线屏蔽层间的电压差得出前者要小.用ATP仿真雷电流幅值为10 kA, 波形参数为2.6 /50 μs, 在土壤电阻率为ρ=100 Ω·m的情况下, 通过地网对长1 000 m的电缆在不同接地方式下造成的影响, 分别得到屏蔽层两端接地时和一端接地时芯线与屏蔽层上的电压差如图2所示.

图2 仿真结果

上图可以看出:屏蔽层两端接地时, 芯线屏蔽层间的干扰电压比屏蔽层一端接地时要低.这与理论分析一致.因此, 在防止雷电流侵入地网情况下, 地网电流产生过电压, 电缆的屏蔽层采用两端接地的方式较一端接地屏蔽效果更明显, 抗干扰能力更强.

变电站内由工频短路时流过地网的工频电流产生的地电位干扰属于低频干扰[8].对于变电站的低频干扰而言, 屏蔽电缆对于外来电磁场的屏蔽作用主要是利用外皮上的感应电流产生二次场来抵消干扰源一次场的作用.当屏蔽电缆一端接地时, 不存在屏蔽回路, 外皮上将没有感应电流, 无法起到对低频干扰的屏蔽作用, 所以应当两端接地[9].如图3, 屏蔽层两端接地时, 电缆的屏蔽层与接地网构成闭合回路, 干扰磁通在这一闭合回路中感应出的电流可产生反向磁通, 从而减弱了干扰磁通对芯线的影响.同时, 减小屏蔽回路的纵向阻抗及接地电阻, 屏蔽回路的阻抗愈小, 回路内的感应电流愈大, 屏蔽效果就愈明显, 可以用下式描述其屏蔽效果:

K0=1−Z13⋅Z23Z12⋅Z3.   (4)Κ0=1-Ζ13⋅Ζ23Ζ12⋅Ζ3.(4)

式中 K0为屏蔽系数, 是一个小于1的数字, 其值愈小则表示屏蔽效果愈好;Z13, Z23, Z12表示的是回路间的互阻抗;Z3是屏蔽回路的总阻抗.考虑到回路间互阻抗的实数部分一般较小, 用M12, M13, M23表示各回路之间的互感系数;R3, L3表示回路单位长度的电阻和自感, 又M13≈M12, M23≈L3[10].屏蔽系数可以表示为

K0=1−jωM13M23M12(R3+jωL3)≈11+jωL3R3.   (5)Κ0=1-jωΜ13Μ23Μ12(R3+jωL3)≈11+jωL3R3.(5)

图3 低频电磁屏蔽 

要提高屏蔽电缆对于低频干扰的屏蔽效果, 即减小屏蔽系数K0, 就应当减小屏蔽回路的电阻并增大其自感, 并且屏蔽层采用两端接地的方式.

为了有效地提高变电站的电磁兼容水平, 加强电缆的屏蔽功能, 合理地选择控制电缆的接地方式十分重要. 从控制电缆利用屏蔽作用防范主要干扰源的效果可以看到, 两端接地时电缆的屏蔽层与接地网构成闭合回路, 干扰磁通在这一闭合回路中感应出的电流可产生反向磁通, 从而减弱了干扰对芯线的影响.因此为防止地电位干扰问题, 将电缆的屏蔽层两端接地是较好的解决办法.

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