電力微電子裝置等弱電設備在電力係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幹擾能力都比較低, 為(wei) 保證電力係統的安全運行, 必須提高一次係統和二次係統之間的電磁兼容性, 減小二次係統的幹擾電壓[1].

在變電站中控製電纜是一次設備和二次設備的連接線, 因此控製電纜引入的幹擾是二次回路中主要的幹擾源.為(wei) 了減少因地電位升高由控製電纜引入的幹擾, 除了選用屏蔽型的控製電纜外, 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.

當一次係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(ti) 流入大地, 在接地電阻上產(chan) 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(chan) 生所謂的地電位幹擾.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於(yu) 地電位影響範圍內(nei) 時, 由於(yu) 阻性耦合, 電纜的芯線與(yu) 外皮、芯線與(yu) 大地之間會(hui) 出現電位差, 控製電纜會(hui) 將幹擾引入二次係統, 對計算機監控設備的取樣回路、控製回路、電源和通信回路造成影響, 如果某一環節出現問題, 這種幹擾就會(hui) 對綜合自動化係統造成較大的危害, 比如會(hui) 使邏輯混亂(luan) 、計算機死機、芯片損壞、保護“失靈”等, 嚴(yan) 重時會(hui) 危及發電機、變壓器等一些主設備.由各類幹擾造成微機保護或綜合自動化係統“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(guan) 的同期電壓指示不正常, 從(cong) 電壓互感器的接線盒下來的電纜燒斷且嚴(yan) 重發熱, 二次保險熔斷的事故.事後分析是由於(yu) 沙明1線路PT二次回路分別在開關(guan) 場和控製室兩(liang) 點接地且開關(guan) 場處接地與(yu) 一次接地點連通, 變電站的接地網並非實際的等電位, 因而在不同點間會(hui) 出現電位差.如果一個(ge) 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(ge) 回路, 長期運行, 控製電纜長期過熱, 絕緣被破壞.同時, 由於(yu) 當時為(wei) 雷雨天氣, 變電站地網中的衝(chong) 擊電流增大, 產(chan) 生暫態電位波動, 電纜電位將隨地電位的波動而受幹擾, 地電位升高對低壓控製回路的絕緣帶來嚴(yan) 重影響, 導致控製電纜燒壞.

屏蔽是將電場幹擾源至器件或設備的傳(chuan) 輸路徑“切斷”, 從(cong) 而或減弱幹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(chan) 生幹擾的主要幹擾源, 它既是幹擾的主要發生器, 也是主要的接收器.電纜作為(wei) 發生器, 它向空間輻射電磁噪聲;作為(wei) 接收器, 它能敏感地接收來自鄰近幹擾源所發射的電磁噪聲[4].敷設在高壓導線附近的控製電纜, 如果不采取屏蔽措施, 一次回路幹擾源會(hui) 通過共模耦合或差模耦合在電纜的芯線上產(chan) 生幹擾電壓;如果采用金屬外皮的屏蔽電纜, 並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(chan) 生的幹擾都有明顯的抑製作用.因此, 采用屏蔽電纜並采取相應的接地方式作為(wei) 抑製地電位幹擾的主要措施.

地電位升高是由地網電流流經接地體(ti) 而產(chan) 生的, 地網電流主要有2種, 一種是侵入地網的雷電衝(chong) 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(ti) 流入二次電纜的外皮, 將對電纜芯線產(chan) 生耦合, 並在電纜末端感應出電位差, 從(cong) 而對二次設備造成危害.為(wei) 了減小引入二次係統的過電壓, 通常對控製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(liang) 端接地兩(liang) 種[5].不同的接地方式對於(yu) 不同的地網電流產(chan) 生幹擾的抑製效果也是不同的.

當雷擊變電站內(nei) 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(chan) 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(ti) a點與(yu) 敷設在地網的周圍的控製電纜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(guan) [6].

雷電流i流過接地體(ti) ao, ao段的電阻為(wei) 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(chan) 生的磁通為(wei) ΦⅠ, 則感應電勢為(wei) 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(wei)

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

式中 Ich為(wei) 從(cong) a點流入、o點流出的地網電流;R1為(wei) ao段的電阻;ΦI為(wei) 地網電流在回路I中產(chan) 生的磁通.

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

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(wei)

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

式中 ΦⅡ′為(wei) 由導體(ti) 電流和屏蔽層電流在回路II共同產(chan) 生的磁通.

圖1 屏蔽層不同接地方式

比較式 (1) 和 (3) , 由於(yu) 電纜的屏蔽層電流的抵消作用, 故dΦⅡ′dt＜dΦⅠdtdΦⅡ′dt＜dΦⅠdt, 即屏蔽層兩(liang) 端接地方式對於(yu) 地網電流產(chan) 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(liang) 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(liang) 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於(yu) 雷電流入地的地網電流而言, 比較屏蔽層兩(liang) 端接地時產(chan) 生的芯線屏蔽層間電壓差與(yu) 屏蔽層一端接地時產(chan) 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(wei) 10 kA, 波形參數為(wei) 2.6 /50 μs, 在土壤電阻率為(wei) 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(liang) 端接地時和一端接地時芯線與(yu) 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(liang) 端接地時, 芯線屏蔽層間的幹擾電壓比屏蔽層一端接地時要低.這與(yu) 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(chan) 生過電壓, 電纜的屏蔽層采用兩(liang) 端接地的方式較一端接地屏蔽效果更明顯, 抗幹擾能力更強.

變電站內(nei) 由工頻短路時流過地網的工頻電流產(chan) 生的地電位幹擾屬於(yu) 低頻幹擾[8].對於(yu) 變電站的低頻幹擾而言, 屏蔽電纜對於(yu) 外來電磁場的屏蔽作用主要是利用外皮上的感應電流產(chan) 生二次場來抵消幹擾源一次場的作用.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, 無法起到對低頻幹擾的屏蔽作用, 所以應當兩(liang) 端接地[9].如圖3, 屏蔽層兩(liang) 端接地時, 電纜的屏蔽層與(yu) 接地網構成閉合回路, 幹擾磁通在這一閉合回路中感應出的電流可產(chan) 生反向磁通, 從(cong) 而減弱了幹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(nei) 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(wei) 屏蔽係數, 是一個(ge) 小於(yu) 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係數;R3, L3表示回路單位長度的電阻和自感, 又M13≈M12, M23≈L3[10].屏蔽係數可以表示為(wei)

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

圖3 低頻電磁屏蔽 

要提高屏蔽電纜對於(yu) 低頻幹擾的屏蔽效果, 即減小屏蔽係數K0, 就應當減小屏蔽回路的電阻並增大其自感, 並且屏蔽層采用兩(liang) 端接地的方式.

為(wei) 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, 合理地選擇控製電纜的接地方式十分重要. 從(cong) 控製電纜利用屏蔽作用防範主要幹擾源的效果可以看到, 兩(liang) 端接地時電纜的屏蔽層與(yu) 接地網構成閉合回路, 幹擾磁通在這一閉合回路中感應出的電流可產(chan) 生反向磁通, 從(cong) 而減弱了幹擾對芯線的影響.因此為(wei) 防止地電位幹擾問題, 將電纜的屏蔽層兩(liang) 端接地是較好的解決(jue) 辦法.

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