電力微電子裝置等弱電設備在電力系統二次回路中的廣泛應用, 對變電站電磁兼容水平提出了很高的要求.弱電設備的耐壓水平和抗干擾能力都比較低, 為保證電力系統的安全運行, 必須提高一次系統和二次系統之間的電磁兼容性, 減小二次系統的干擾電壓[1].

在變電站中控制電纜是一次設備和二次設備的連接線, 因此控制電纜引入的干擾是二次回路中主要的干擾源.為了減少因地電位升高由控制電纜引入的干擾, 除了選用屏蔽型的控制電纜外, 還應選用正確合理的電纜接地方式[2], 充分發揮屏蔽電纜的屏蔽性能.

當一次系統發生接地短路或遭受雷擊而使避雷器動作時, 強大的電流經接地體流入大地, 在接地電阻上產生很高的電壓降, 這就是地電位升高, 由此引起地電位分布不均勻, 產生所謂的地電位干擾.地電位升高對附近設備和人員的危險影響是不容忽視的[3].變電站附近通過的電纜處于地電位影響范圍內時, 由于阻性耦合, 電纜的芯線與外皮、芯線與大地之間會出現電位差, 控制電纜會將干擾引入二次系統, 對計算機監控設備的取樣回路、控制回路、電源和通信回路造成影響, 如果某一環節出現問題, 這種干擾就會對綜合自動化系統造成較大的危害, 比如會使邏輯混亂、計算機死機、芯片損壞、保護“失靈”等, 嚴重時會危及發電機、變壓器等一些主設備.由各類干擾造成微機保護或綜合自動化系統“失靈”的事故經常出現, 有的還發展成主設備燒毀事故.例如, 信陽局沙港站2005年10月發生開關的同期電壓指示不正常, 從電壓互感器的接線盒下來的電纜燒斷且嚴重發熱, 二次保險熔斷的事故.事后分析是由于沙明1線路PT二次回路分別在開關場和控制室兩點接地且開關場處接地與一次接地點連通, 變電站的接地網并非實際的等電位, 因而在不同點間會出現電位差.如果一個電連通的回路在變電站的不同點同時接地, 地網上的電位差將竄入這個回路, 長期運行, 控制電纜長期過熱, 絕緣被破壞.同時, 由于當時為雷雨天氣, 變電站地網中的沖擊電流增大, 產生暫態電位波動, 電纜電位將隨地電位的波動而受干擾, 地電位升高對低壓控制回路的絕緣帶來嚴重影響, 導致控制電纜燒壞.

屏蔽是將電場干擾源至器件或設備的傳輸路徑“切斷”, 從而或減弱干擾源對其它器件或設備的不良影響.而埋地電纜是對微機電源產生干擾的主要干擾源, 它既是干擾的主要發生器, 也是主要的接收器.電纜作為發生器, 它向空間輻射電磁噪聲;作為接收器, 它能敏感地接收來自鄰近干擾源所發射的電磁噪聲[4].敷設在高壓導線附近的控制電纜, 如果不采取屏蔽措施, 一次回路干擾源會通過共模耦合或差模耦合在電纜的芯線上產生干擾電壓;如果采用金屬外皮的屏蔽電纜, 并對屏蔽層進行接地處理, 則不論對共模耦合還是差模耦合產生的干擾都有明顯的抑制作用.因此, 采用屏蔽電纜并采取相應的接地方式作為抑制地電位干擾的主要措施.

地電位升高是由地網電流流經接地體而產生的, 地網電流主要有2種, 一種是侵入地網的雷電沖擊電流;另一種是工頻短路時流過地網的工頻電流.地網電流經過接地體流入二次電纜的外皮, 將對電纜芯線產生耦合, 并在電纜末端感應出電位差, 從而對二次設備造成危害.為了減小引入二次系統的過電壓, 通常對控制電纜采用屏蔽層接地處理.常用的屏蔽層接地方式主要有一端接地和兩端接地兩種[5].不同的接地方式對于不同的地網電流產生干擾的抑制效果也是不同的.

當雷擊變電站內的避雷器或避雷線時, 雷電流經過接地引下線流入接地網產生大的地網電流, 此時在入地點存在強烈的電磁場將使得接地體a點與敷設在地網的周圍的控制電纜b點之間出現較大的電位差Uab (如圖1) , Uab的大小和電纜的接地方式有關[6].

雷電流i流過接地體ao, ao段的電阻為R1.當電纜屏蔽層一端接地時, 即圖1 (a) 所示, 所有地網電流在回路Ⅰ中的產生的磁通為ΦⅠ, 則感應電勢為dΦ Ⅰ/dt, 屏蔽層的不接地端和芯線之間的電位差 (即圖中a, b之間的電位差) 為

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

式中 Ich為從a點流入、o點流出的地網電流;R1為ao段的電阻;ΦI為地網電流在回路I中產生的磁通.

屏蔽層兩端接地時, 電纜的屏蔽層與地網構成閉合回路, 如圖1 (b) 屏蔽層的電流為I0, 設其電阻為R2, 穿過回路Ⅱ的磁通為ΦⅡ′, 那么

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

則屏蔽電纜芯線和屏蔽層之間的電位差為

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

式中 ΦⅡ′為由導體電流和屏蔽層電流在回路II共同產生的磁通.

圖1 屏蔽層不同接地方式

比較式 (1) 和 (3) , 由于電纜的屏蔽層電流的抵消作用, 故dΦⅡ′dt＜dΦⅠdtdΦⅡ′dt＜dΦⅠdt, 即屏蔽層兩端接地方式對于地網電流產生的感應電勢比一端接地時的要小;又有R2R1+R2＜1R2R1+R2＜1, 所以屏蔽層兩端接地時的過電壓Uab比一端接地時的要小[ 7].由此可見, 二次電纜屏蔽層兩端接地比一端接地具有更強的防過電壓能力.

理論上已經證明了對于雷電流入地的地網電流而言, 比較屏蔽層兩端接地時產生的芯線屏蔽層間電壓差與屏蔽層一端接地時產生的芯線屏蔽層間的電壓差得出前者要小.用ATP仿真雷電流幅值為10 kA, 波形參數為2.6 /50 μs, 在土壤電阻率為ρ=100 Ω·m的情況下, 通過地網對長1 000 m的電纜在不同接地方式下造成的影響, 分別得到屏蔽層兩端接地時和一端接地時芯線與屏蔽層上的電壓差如圖2所示.

圖2 仿真結果

上圖可以看出:屏蔽層兩端接地時, 芯線屏蔽層間的干擾電壓比屏蔽層一端接地時要低.這與理論分析一致.因此, 在防止雷電流侵入地網情況下, 地網電流產生過電壓, 電纜的屏蔽層采用兩端接地的方式較一端接地屏蔽效果更明顯, 抗干擾能力更強.

變電站內由工頻短路時流過地網的工頻電流產生的地電位干擾屬于低頻干擾[8].對于變電站的低頻干擾而言, 屏蔽電纜對于外來電磁場的屏蔽作用主要是利用外皮上的感應電流產生二次場來抵消干擾源一次場的作用.當屏蔽電纜一端接地時, 不存在屏蔽回路, 外皮上將沒有感應電流, 無法起到對低頻干擾的屏蔽作用, 所以應當兩端接地[9].如圖3, 屏蔽層兩端接地時, 電纜的屏蔽層與接地網構成閉合回路, 干擾磁通在這一閉合回路中感應出的電流可產生反向磁通, 從而減弱了干擾磁通對芯線的影響.同時, 減小屏蔽回路的縱向阻抗及接地電阻, 屏蔽回路的阻抗愈小, 回路內的感應電流愈大, 屏蔽效果就愈明顯, 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為屏蔽系數, 是一個小于1的數字, 其值愈小則表示屏蔽效果愈好;Z13, Z23, Z12表示的是回路間的互阻抗;Z3是屏蔽回路的總阻抗.考慮到回路間互阻抗的實數部分一般較小, 用M12, M13, M23表示各回路之間的互感系數;R3, L3表示回路單位長度的電阻和自感, 又M13≈M12, M23≈L3[10].屏蔽系數可以表示為

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

圖3 低頻電磁屏蔽 

要提高屏蔽電纜對于低頻干擾的屏蔽效果, 即減小屏蔽系數K0, 就應當減小屏蔽回路的電阻并增大其自感, 并且屏蔽層采用兩端接地的方式.

為了有效地提高變電站的電磁兼容水平, 加強電纜的屏蔽功能, 合理地選擇控制電纜的接地方式十分重要. 從控制電纜利用屏蔽作用防范主要干擾源的效果可以看到, 兩端接地時電纜的屏蔽層與接地網構成閉合回路, 干擾磁通在這一閉合回路中感應出的電流可產生反向磁通, 從而減弱了干擾對芯線的影響.因此為防止地電位干擾問題, 將電纜的屏蔽層兩端接地是較好的解決辦法.

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