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

在變電站中控制電纜是一次設(shè)備和二次設(shè)備的連接線(xiàn), 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(yīng)選用正確合理的電纜接地方式[2], 充分發(fā)揮屏蔽電纜的屏蔽性能.

當(dāng)一次系統(tǒng)發(fā)生接地短路或遭受雷擊而使避雷器動(dòng)作時(shí), 強(qiáng)大的電流經(jīng)接地體流入大地, 在接地電阻上產(chǎn)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(chǎn)生所謂的地電位干擾.地電位升高對(duì)附近設(shè)備和人員的危險(xiǎn)影響是不容忽視的[3].變電站附近通過(guò)的電纜處于地電位影響范圍內(nèi)時(shí), 由于阻性耦合, 電纜的芯線(xiàn)與外皮、芯線(xiàn)與大地之間會(huì)出現(xiàn)電位差, 控制電纜會(huì)將干擾引入二次系統(tǒng), 對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)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(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題, 這種干擾就會(huì)對(duì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)造成較大的危害, 比如會(huì)使邏輯混亂、計(jì)算機(jī)死機(jī)、芯片損壞、保護(hù)“失靈”等, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及發(fā)電機(jī)、變壓器等一些主設(shè)備.由各類(lèi)干擾造成微機(jī)保護(hù)或綜合自動(dòng)化系統(tǒng)“失靈”的事故經(jīng)常出現(xiàn), 有的還發(fā)展成主設(shè)備燒毀事故.例如, 信陽(yáng)局沙港站2005年10月發(fā)生開(kāi)關(guān)的同期電壓指示不正常, 從電壓互感器的接線(xiàn)盒下來(lái)的電纜燒斷且嚴(yán)重發(fā)熱, 二次保險(xiǎn)熔斷的事故.事后分析是由于沙明1線(xiàn)路PT二次回路分別在開(kāi)關(guān)場(chǎng)和控制室兩點(diǎn)接地且開(kāi)關(guān)場(chǎng)處接地與一次接地點(diǎn)連通, 變電站的接地網(wǎng)并非實(shí)際的等電位, 因而在不同點(diǎn)間會(huì)出現(xiàn)電位差.如果一個(gè)電連通的回路在變電站的不同點(diǎn)同時(shí)接地, 地網(wǎng)上的電位差將竄入這個(gè)回路, 長(zhǎng)期運(yùn)行, 控制電纜長(zhǎng)期過(guò)熱, 絕緣被破壞.同時(shí), 由于當(dāng)時(shí)為雷雨天氣, 變電站地網(wǎng)中的沖擊電流增大, 產(chǎn)生暫態(tài)電位波動(dòng), 電纜電位將隨地電位的波動(dòng)而受干擾, 地電位升高對(duì)低壓控制回路的絕緣帶來(lái)嚴(yán)重影響, 導(dǎo)致控制電纜燒壞.

屏蔽是將電場(chǎng)干擾源至器件或設(shè)備的傳輸路徑“切斷”, 從而或減弱干擾源對(duì)其它器件或設(shè)備的不良影響.而埋地電纜是對(duì)微機(jī)電源產(chǎn)生干擾的主要干擾源, 它既是干擾的主要發(fā)生器, 也是主要的接收器.電纜作為發(fā)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(lái)自鄰近干擾源所發(fā)射的電磁噪聲[4].敷設(shè)在高壓導(dǎo)線(xiàn)附近的控制電纜, 如果不采取屏蔽措施, 一次回路干擾源會(huì)通過(guò)共模耦合或差模耦合在電纜的芯線(xiàn)上產(chǎn)生干擾電壓;如果采用金屬外皮的屏蔽電纜, 并對(duì)屏蔽層進(jìn)行接地處理, 則不論對(duì)共模耦合還是差模耦合產(chǎn)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(yīng)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(wǎng)電流流經(jīng)接地體而產(chǎn)生的, 地網(wǎng)電流主要有2種, 一種是侵入地網(wǎng)的雷電沖擊電流;另一種是工頻短路時(shí)流過(guò)地網(wǎng)的工頻電流.地網(wǎng)電流經(jīng)過(guò)接地體流入二次電纜的外皮, 將對(duì)電纜芯線(xiàn)產(chǎn)生耦合, 并在電纜末端感應(yīng)出電位差, 從而對(duì)二次設(shè)備造成危害.為了減小引入二次系統(tǒng)的過(guò)電壓, 通常對(duì)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(duì)于不同的地網(wǎng)電流產(chǎn)生干擾的抑制效果也是不同的.

當(dāng)雷擊變電站內(nèi)的避雷器或避雷線(xiàn)時(shí), 雷電流經(jīng)過(guò)接地引下線(xiàn)流入接地網(wǎng)產(chǎn)生大的地網(wǎng)電流, 此時(shí)在入地點(diǎn)存在強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)將使得接地體a點(diǎn)與敷設(shè)在地網(wǎng)的周?chē)目刂齐娎|b點(diǎn)之間出現(xiàn)較大的電位差Uab (如圖1) , Uab的大小和電纜的接地方式有關(guān)[6].

雷電流i流過(guò)接地體ao, ao段的電阻為R1.當(dāng)電纜屏蔽層一端接地時(shí), 即圖1 (a) 所示, 所有地網(wǎng)電流在回路Ⅰ中的產(chǎn)生的磁通為ΦⅠ, 則感應(yīng)電勢(shì)為dΦ Ⅰ/dt, 屏蔽層的不接地端和芯線(xiàn)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(diǎn)流入、o點(diǎn)流出的地網(wǎng)電流;R1為ao段的電阻;ΦI為地網(wǎng)電流在回路I中產(chǎn)生的磁通.

屏蔽層兩端接地時(shí), 電纜的屏蔽層與地網(wǎng)構(gòu)成閉合回路, 如圖1 (b) 屏蔽層的電流為I0, 設(shè)其電阻為R2, 穿過(guò)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(xiàn)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(dǎo)體電流和屏蔽層電流在回路II共同產(chǎn)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(duì)于地網(wǎng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)比一端接地時(shí)的要小;又有R2R1+R2＜1R2R1+R2＜1, 所以屏蔽層兩端接地時(shí)的過(guò)電壓Uab比一端接地時(shí)的要小[ 7].由此可見(jiàn), 二次電纜屏蔽層兩端接地比一端接地具有更強(qiáng)的防過(guò)電壓能力.

理論上已經(jīng)證明了對(duì)于雷電流入地的地網(wǎng)電流而言, 比較屏蔽層兩端接地時(shí)產(chǎn)生的芯線(xiàn)屏蔽層間電壓差與屏蔽層一端接地時(shí)產(chǎn)生的芯線(xiàn)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(shù)為2.6 /50 μs, 在土壤電阻率為ρ=100 Ω·m的情況下, 通過(guò)地網(wǎng)對(duì)長(zhǎng)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(shí)和一端接地時(shí)芯線(xiàn)與屏蔽層上的電壓差如圖2所示.

圖2 仿真結(jié)果

上圖可以看出:屏蔽層兩端接地時(shí), 芯線(xiàn)屏蔽層間的干擾電壓比屏蔽層一端接地時(shí)要低.這與理論分析一致.因此, 在防止雷電流侵入地網(wǎng)情況下, 地網(wǎng)電流產(chǎn)生過(guò)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(qiáng).

變電站內(nèi)由工頻短路時(shí)流過(guò)地網(wǎng)的工頻電流產(chǎn)生的地電位干擾屬于低頻干擾[8].對(duì)于變電站的低頻干擾而言, 屏蔽電纜對(duì)于外來(lái)電磁場(chǎng)的屏蔽作用主要是利用外皮上的感應(yīng)電流產(chǎn)生二次場(chǎng)來(lái)抵消干擾源一次場(chǎng)的作用.當(dāng)屏蔽電纜一端接地時(shí), 不存在屏蔽回路, 外皮上將沒(méi)有感應(yīng)電流, 無(wú)法起到對(duì)低頻干擾的屏蔽作用, 所以應(yīng)當(dāng)兩端接地[9].如圖3, 屏蔽層兩端接地時(shí), 電纜的屏蔽層與接地網(wǎng)構(gòu)成閉合回路, 干擾磁通在這一閉合回路中感應(yīng)出的電流可產(chǎn)生反向磁通, 從而減弱了干擾磁通對(duì)芯線(xiàn)的影響.同時(shí), 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(nèi)的感應(yīng)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(shù), 是一個(gè)小于1的數(shù)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(shí)數(shù)部分一般較小, 用M12, M13, M23表示各回路之間的互感系數(shù);R3, L3表示回路單位長(zhǎng)度的電阻和自感, 又M13≈M12, M23≈L3[10].屏蔽系數(shù)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(duì)于低頻干擾的屏蔽效果, 即減小屏蔽系數(shù)K0, 就應(yīng)當(dāng)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(qiáng)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(shí)電纜的屏蔽層與接地網(wǎng)構(gòu)成閉合回路, 干擾磁通在這一閉合回路中感應(yīng)出的電流可產(chǎn)生反向磁通, 從而減弱了干擾對(duì)芯線(xiàn)的影響.因此為防止地電位干擾問(wèn)題, 將電纜的屏蔽層兩端接地是較好的解決辦法.

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