李漢卿，樊春雷

（中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300250）

0 引言

變電所是強(qiáng)、弱電設(shè)備最為集中場(chǎng)所，二次設(shè)備經(jīng)弱電電纜與一次設(shè)備相連，極易受到雷電沖擊造成的局部電位升高引起的地電位干擾影響。這些干擾會(huì)通過各種耦合方式在二次系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾電壓。如不采取措施，輕則造成保護(hù)“失靈”，危及高壓一次設(shè)備動(dòng)作，重則導(dǎo)致系統(tǒng)停止工作，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖擊電流進(jìn)入地網(wǎng)后的暫態(tài)特性進(jìn)行了若干理論和試驗(yàn)研究，但卻很少提出整個(gè)變電所一旦遭受雷擊，各種控制保護(hù)設(shè)備如何采取防護(hù)措施避免經(jīng)電纜傳至二次系統(tǒng)的地電位干擾，以達(dá)到保護(hù)設(shè)備目的[5-8]。因此，有必要定量直觀分析雷擊變電所時(shí)地網(wǎng)電位對(duì)二次電纜干擾影響。

筆者通過電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD/EMTDC聯(lián)合搭建電纜分布參數(shù)模型與地網(wǎng)暫態(tài)暫態(tài)模型，并結(jié)合工程實(shí)際具體的地網(wǎng)布置形式系統(tǒng)研究分析了地電位干擾規(guī)律[9-10]，計(jì)算結(jié)果有助于今后開展二次設(shè)備抗干擾設(shè)計(jì)。

1 模型搭建及驗(yàn)證

1.1 電纜暫態(tài)模型

本文暫定二次電纜是kVVP型控制電纜，借助電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD/EMTDC中cables模塊，搭建電纜模型見圖1。

圖1 電纜暫態(tài)模型Fig.1 Cable transient model

圖中C點(diǎn)、E點(diǎn)分別為電纜首末端，結(jié)合電纜模型，仿真分析影響二次電纜芯線、屏蔽層電壓電流的各種影響因素，以期得到地電位對(duì)二次電纜干擾規(guī)律。

1.2 地網(wǎng)暫態(tài)模型

對(duì)于地網(wǎng)暫態(tài)模型，本文借助之前地網(wǎng)暫態(tài)研究成果進(jìn)行搭建。其原理是將地網(wǎng)單元接地體等效成Π型等效電路來表示[11]，見圖2。

對(duì)于接地體之間互感作用，采用圖3雙π型電路來等效。

圖2 π型等效電路Fig.2 π-type equivalent circuit

圖3 雙π型等效電路Fig.3 Double π type equivalent circuit

1.3 建立考慮地網(wǎng)導(dǎo)體電流輻射干擾電纜暫態(tài)模型

以某高速鐵路牽引變電所為例，地網(wǎng)參數(shù)如下：地網(wǎng)面積取96 m×96 m，網(wǎng)格近似取8 m×8 m。二次電纜布置見圖4虛線路徑。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)電纜模型進(jìn)行驗(yàn)證，為后面開展地電位干擾規(guī)律性研究奠定基礎(chǔ)。

圖4 地網(wǎng)面積為96 m×96 m二次電纜布置方式Fig.4 Earthing network of96 m×96 msecondary cable rrangement

雷電流采用波頭時(shí)間為2.6μs，波長(zhǎng)時(shí)間為50μs，雷電流幅值分別取10 kA、50 kA。二次電纜長(zhǎng)度見電纜布置圖。圖中：I1表示雷電流通過避雷針入地；I2表示雷電流通過避雷器入地；I3表示雷擊進(jìn)線段避雷線入地。

1.3.1 理論分析

變電所一旦遭受雷擊，地網(wǎng)中將被迅速注入瞬變的雷電流，這種快速變化的雷電流，將在二次電纜敷設(shè)空間產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)的變化，它就會(huì)在二次電纜中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電壓[11-13]。

設(shè)I為接地導(dǎo)體中雷電流值，ω為雷電流角頻率，Mdm為接地導(dǎo)體與電纜屏蔽層互感，U1為屏蔽層接地點(diǎn)地網(wǎng)電位。當(dāng)屏蔽層一端接地時(shí)，I對(duì)電纜屏蔽層產(chǎn)生的干擾電壓V1為

由式（1）可知，屏蔽層一端接地時(shí)，其屏蔽層干擾電壓不僅與接地點(diǎn)地網(wǎng)電位有關(guān)，同時(shí)與地網(wǎng)導(dǎo)體電流有關(guān)。除屏蔽層地網(wǎng)電位外，干擾電壓的大小由Mdm的大小決定，即由接地導(dǎo)體與二次電纜的相互空間位置來決定。

當(dāng)屏蔽層兩端接地時(shí)，這時(shí)I在屏蔽層上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)由式（1）可知：V2=-jωMdmI，

則屏蔽層中的環(huán)流為

式中：U12為電纜屏蔽層兩端接地點(diǎn)電壓差；Rm為屏蔽層電阻；Lm為電纜屏蔽層電感。

由式（2）可知，屏蔽層兩端接地后，屏蔽層中環(huán)流，考慮地網(wǎng)導(dǎo)體磁場(chǎng)耦合后，干擾產(chǎn)生的環(huán)流將減少，其幅值不僅與二次電纜屏蔽層接地點(diǎn)有關(guān)，還與二次電纜相對(duì)接地網(wǎng)相互空間位置有關(guān)。

1.3.2 仿真分析

1）以電纜布置采用方式一為例，電纜屏蔽層在A點(diǎn)懸空、B點(diǎn)接地：雷擊避雷針I(yè)1點(diǎn)，布置方式見圖4。雷電流取10 kA時(shí)，地網(wǎng)電位見圖5。

圖5 雷擊點(diǎn)、A點(diǎn)和B點(diǎn)電壓波形Fig.5 Lightning point，point A and B voltage waveforms

電纜屏蔽層、芯線-屏蔽層電壓波形見圖6和圖7

圖6 考慮地網(wǎng)導(dǎo)體對(duì)電纜輻射干擾時(shí)電壓波形Fig.6 The voltage waveform of on the cable radiation interference when considering the ground conductor

圖7 未考慮地網(wǎng)導(dǎo)體電流對(duì)電纜輻射干擾時(shí)電壓波形Fig.7 The voltage waveform of cable radiation interference when the ground conductor is not considered

由圖5可知，地網(wǎng)電位A點(diǎn)電壓僅為3.03 kV，與雷擊點(diǎn)相比，由于電纜接地點(diǎn)A點(diǎn)距離雷擊點(diǎn)為24 m，地網(wǎng)電位衰減了92%；同理B點(diǎn)電位為幾乎為0。同時(shí)，由圖6可得：電纜單端接地末端電位由于波折反射升高，屏蔽層最高達(dá)到3.31 kV，芯線-屏蔽層電壓由于耦合最大達(dá)到1.43 kV；與圖6數(shù)據(jù)相比，圖7中屏蔽層電壓僅為0.43 kV，芯線-屏蔽層電壓很低，僅為0.02 kV，這與電纜接地方式有關(guān)，本次仿真以A點(diǎn)懸空，B點(diǎn)接地，仿真發(fā)現(xiàn)B點(diǎn)接地點(diǎn)電位幾乎為0，因此，地網(wǎng)電位對(duì)電纜的干擾作用實(shí)際很小；由于地網(wǎng)導(dǎo)體通過雷電流，該雷電流實(shí)際以磁輻射形式作用于電纜芯和屏蔽層，由圖6可知，地網(wǎng)導(dǎo)體電流對(duì)電纜的輻射影響很大，所以不能忽略。

2）以電纜布置采用方式一為例，電纜屏蔽層A點(diǎn)、B點(diǎn)兩端接地：雷擊避雷針I(yè)1點(diǎn)，布置方式見圖4。雷電流取10kA，雷擊I1點(diǎn)電纜屏蔽層電流見圖8和圖9。

圖8 考慮地網(wǎng)導(dǎo)體電流對(duì)電纜干擾時(shí)電纜電流波形Fig.8 The cable current waveform when considering the ground conductor current interfered to the cable

圖9 未考慮地網(wǎng)導(dǎo)體電流對(duì)電纜干擾時(shí)電纜電流波形Fig.9 The cable current waveform when the ground conductor current is not considered interference with the cable

由圖8和圖9可知，考慮地網(wǎng)電流對(duì)電纜的輻射干擾后，屏蔽層感應(yīng)電流很小為91 A；未考慮地網(wǎng)電流對(duì)電纜的敷設(shè)干擾，屏蔽層感應(yīng)電流為176 A。可見，電纜兩端接地方式下，正常屏蔽層的電流，由于在地網(wǎng)導(dǎo)體電流的輻射作用下產(chǎn)生了阻礙屏蔽層電流的反向電動(dòng)勢(shì)，因此，最終導(dǎo)致屏蔽層中的電流減少；這與理論電纜兩端接地可以減少磁場(chǎng)感應(yīng)效果相符[14-15]。

綜上，由仿真數(shù)據(jù)得出：地網(wǎng)導(dǎo)體中電流對(duì)二次電纜干擾作用明顯，在電纜暫態(tài)模型中，考慮地網(wǎng)導(dǎo)體電流對(duì)電纜輻射干擾更加符合實(shí)際，這為后邊開展規(guī)律性研究奠定了基礎(chǔ)。

2 地網(wǎng)電位干擾規(guī)律性研究

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)影響二次電纜屏蔽層電位、電流及芯線屏蔽層電壓的各種影響因素，如雷擊地網(wǎng)不同位置、電纜不同接地方式、土壤電阻率、雷電流幅值以及接地銅排進(jìn)行了系統(tǒng)仿真分析，接地銅排參數(shù)：規(guī)格50 mm×5 mm扁銅，主要作用是實(shí)現(xiàn)電纜溝電纜支架接地。

2.1 接地銅排對(duì)二次電纜影響

未考慮接地銅排作用，電纜采用方式一布置，見表1。

表1 未考慮接地銅排作用Table 1 The role of grounding copper is not considered

由表1可知：屏蔽層電位、電流以及芯線-屏蔽層電位近似與入地點(diǎn)雷電流幅值成線性關(guān)系；雷擊避雷針時(shí)屏蔽層電位、電流及芯線-屏蔽層電壓比雷電流通過避雷器及避雷線入地時(shí)要高；主要由于后者此時(shí)雷電流更容易通過地網(wǎng)迅速向4個(gè)方向流散，從而很大程度降低了地網(wǎng)電位?？紤]接地銅排作用，電纜條采用方式一布置，見表2。

表2 考慮接地銅排作用Table 2 Consider the role of grounding copper

由表2可得：接地銅排可以明顯提高二次電纜抗干擾能力。以雷擊避雷針為例，仿真發(fā)現(xiàn)考慮電纜溝接地銅排后，電纜屏蔽層電位、電流及芯線-屏蔽層電位顯著降低；以電纜芯線-屏蔽層電位為例，在3種不同接地方式下電位分別衰減了40%、70%、23%。

2.2 電纜與接地銅排不同布置形式對(duì)二次電纜影響

對(duì)以下兩種情況進(jìn)行仿真分析。

方案一：控制電纜、接地銅排處于同一水平位置之間距離為0.2 m，同時(shí)，水平接地體布置在控制電纜下方，距離接地銅排0.6 m。見圖10。

方案二：控制電纜與水平接地體處于同一水平位置之間距離為0.6 m，同時(shí)接地銅排布置在控制電纜上方并設(shè)之間距離為0.6 m。見圖11。

圖10 方案一Fig.10 Program one

圖11 方案二Fig.11 Program two

A、B布置方式下干擾電壓變化規(guī)律見表3。

表3 A、B布置方式下干擾電壓變化規(guī)律Table 3 The interference voltage changes under A、B kinds of arrangements

由表3可得：在不同雷擊處，以電纜末端接地方式屏蔽層電壓及芯線-屏蔽層電壓最低；同時(shí)仿真得出，當(dāng)控制電纜采用末端接地方式時(shí)，接地銅排采用方案二布置對(duì)二次電纜防護(hù)好。

2.3 土壤電阻率對(duì)二次電纜影響

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)電纜不同布置方式下，電纜屏蔽層以及芯線-屏蔽層電壓隨土壤電阻率變化規(guī)律進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果見表4。

表4 不同土壤電阻率下干擾電壓變化規(guī)律Table 4 The interference voltage changes under diffrent soil resistivity

由表4可得：電纜不同接地方式中以末端接地方式最好；同時(shí)，電纜敷設(shè)應(yīng)盡可能短且沿地網(wǎng)中部敷設(shè)，以電纜布置方式一為例，相比電纜布置方式二和方式三，當(dāng)土壤電阻率取ρ=100 Ω·m時(shí)，電纜布置方式一的屏蔽層電位約為電纜布置方式二、方式三電位的50%，芯線-屏蔽層電位約為電纜布置方式二、方式三電位的42%；干擾電壓大幅降低；同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，土壤電阻率對(duì)二次電纜影響很大，以電纜布置方式一為例，電纜采用末端單端接地方式，當(dāng)土壤電阻率分別取200 Ω·m、300 Ω·m時(shí)，與土壤電阻率100 Ω·m相比，屏蔽層電壓分別增加90.7%、164%；芯線-屏蔽層電壓分別增加了196%、489%。

3 結(jié)論

對(duì)牽引變電所二次電纜干擾特性研究，是進(jìn)行二次設(shè)備抗干擾防護(hù)設(shè)計(jì)的重要前提。因此，本文采用電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD/EMTDC首先聯(lián)合建立了電纜-地網(wǎng)暫態(tài)模型，并對(duì)典型地網(wǎng)下雷擊地網(wǎng)不同位置、電纜不同布置方式、接地銅排以及土壤電阻率等各種因素進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真數(shù)據(jù)一方面有助于獲得干擾特性變化規(guī)律，另一方面為今后二次電纜優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有利技術(shù)支持。主要研究成果如下：

1）屏蔽層電位、電流以及芯線-屏蔽層電位近似與入地點(diǎn)雷電流幅值成線性關(guān)系。

2）雷擊避雷針時(shí)屏蔽層電位、電流及芯線-屏蔽層電壓最高。主要由于雷擊避雷線后雷電流更容易通過地網(wǎng)迅速向4個(gè)方向流散，從而很大程度降低了地網(wǎng)電位。

3）電纜溝接地銅排可以明顯提高二次電纜抗干擾能力；針對(duì)二次電纜與接地銅排布置方式研究表明：以電纜末端接地方式屏蔽層電壓及芯線-屏蔽層電壓最低；同時(shí)仿真得出，當(dāng)控制電纜采用末端接地方式時(shí)，接地銅排采用方案二布置對(duì)二次電纜防護(hù)好。

4）電纜敷設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短且應(yīng)沿地網(wǎng)中部布置，仿真發(fā)現(xiàn)：方式一較方式二、方式三好，當(dāng)土壤電阻率取ρ=100 Ω·m時(shí)，電纜布置方式一的屏蔽層電位約為電纜布置方式二、方式三電位的50%，芯線-屏蔽層電位約為電纜布置方式二、方式三電位的42%。

5）土壤電阻率對(duì)二次電纜屏蔽層電位以及芯線-屏蔽層電位影響很大，以電纜布置方式一為例，電纜采用末端單端接地方式，當(dāng)土壤電阻率分別取200 Ω·m、300 Ω·m時(shí)，與土壤電阻率100 Ω·m相比，屏蔽層電壓分別增加了90.7%、164%；芯線-屏蔽層電壓分別增加了196%、489%。

6）牽引變電所綜自系統(tǒng)、交直流電源回路、與電傳輸通道的接口處、時(shí)鐘同步天線、通信總線等回路的建筑物側(cè)建議采取適當(dāng)?shù)膬?nèi)部防雷或過電壓防護(hù)等措施。

綜上，牽引變電所地網(wǎng)電位對(duì)二次設(shè)備干擾影響是一個(gè)復(fù)雜的課題，影響二次設(shè)備干擾電位的因素很多，在今后變電所二次設(shè)備抗干擾設(shè)計(jì)中可充分利用本研究成果，合理制定防護(hù)措施。