郭宜果，魏 鑫，王慧軒

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250021）

0 引言

為保障電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行和故障條件下變電站電氣設(shè)備和人員的安全，需要設(shè)置接地裝置，構(gòu)成電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備與大地的電氣連接。相對(duì)于一次設(shè)備來(lái)說(shuō)，變電站內(nèi)二次系統(tǒng)耐壓能力弱，更易受到電磁干擾，如果將其直接接在主接地網(wǎng)上，變電站正常運(yùn)行或出現(xiàn)故障時(shí)可能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，嚴(yán)重時(shí)影響二次設(shè)備運(yùn)行，因而需要設(shè)置單獨(dú)的二次等電位接地網(wǎng)［1］。

二次等電位接地網(wǎng)用于變電站內(nèi)監(jiān)控、保護(hù)、測(cè)量、通信等二次設(shè)備及連接光纜、電纜線的接地，是全站接地網(wǎng)的一部分。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大及智能化、互動(dòng)化的深度發(fā)展，變電站內(nèi)二次設(shè)備數(shù)量種類日益增多，重要性也日益提高，二次等電位接地是保障二次設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，需要予以進(jìn)一步的關(guān)注。

不同規(guī)范對(duì)于二次等電位系統(tǒng)的屏柜接地設(shè)置、室內(nèi)等電位地網(wǎng)與主地網(wǎng)的連接方式、電纜溝屏蔽銅排的設(shè)置方面存在差異，實(shí)際工程中二次等電位系統(tǒng)的設(shè)置方式不統(tǒng)一，實(shí)際工程中問(wèn)題較多［2］，對(duì)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響［3-4］。因而有必要對(duì)變電站二次系統(tǒng)可能受到的干擾及接地種類進(jìn)行歸納，在此基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范中二次等電位接地的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，總結(jié)出適用的變電站二次等電位接地設(shè)置原則。

1 二次系統(tǒng)干擾源及接地的分類

1.1 二次系統(tǒng)干擾源的分類

變電站是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，正常運(yùn)行時(shí)會(huì)因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的工頻電壓、電流對(duì)二次系統(tǒng)產(chǎn)生一定的工頻干擾，也會(huì)因?yàn)橐淮卧O(shè)備操作、局部放電、電暈等產(chǎn)生高頻電磁干擾；在雷擊或短路等故障情況下，系統(tǒng)參數(shù)劇烈變化，可能通過(guò)傳導(dǎo)、耦合對(duì)二次系統(tǒng)產(chǎn)生更大的影響［5］。一般來(lái)說(shuō)，變電站設(shè)計(jì)時(shí)均采取了降低干擾的措施，正常運(yùn)行的干擾對(duì)二次系統(tǒng)的影響不大，但是由于故障本身的不確定性，會(huì)對(duì)二次系統(tǒng)產(chǎn)生更強(qiáng)的干擾。因而，威脅二次系統(tǒng)的主要干擾源有兩類：電力系統(tǒng)短路時(shí)，在空間形成的工頻電磁干擾、工頻入地電流和電位分布（電位差）；電力系統(tǒng)、變電站遭受雷擊時(shí)，雷電流流經(jīng)避雷針、避雷器進(jìn)入地網(wǎng)，形成的高頻暫態(tài)干擾。

這些干擾侵入二次系統(tǒng)的主要方式有電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合、輻射、傳導(dǎo)等［6］。

1.2 二次系統(tǒng)干擾源的分類

1.2.1 按功能劃分

從二次系統(tǒng)接地的功能上劃分，可以分為以下4 類。

邏輯接地。一般保護(hù)、測(cè)控等裝置的開(kāi)關(guān)量開(kāi)入、輸出控制回路的邏輯信號(hào)公共端均需要接地，形成穩(wěn)定的參考零電位。對(duì)于邏輯接地來(lái)說(shuō)，要求接地電阻很低，提供裝置所有邏輯電路的公共基準(zhǔn)點(diǎn)。微機(jī)裝置中使用的各種TTL 門電路的邏輯“1”和“0”電平的電位差僅2 V 多，如果公共地的接地電阻較大，則會(huì)在信號(hào)地線上產(chǎn)生電位波動(dòng)，造成微機(jī)裝置的工作異常甚至損壞［7］。值得注意的是，部分二次設(shè)備邏輯接地是懸空的，與外部沒(méi)有任何電氣的聯(lián)系，不需要邏輯接地［8］。

安全接地。二次設(shè)備本身有電源接入，出于人身安全考慮，要求二次設(shè)備及安全二次設(shè)備屏柜采用專用的接地線可靠接地。

互感器接地。出于測(cè)量準(zhǔn)確性和設(shè)備安全性的考慮，電壓互感器、電流互感器的中性線（N）需要可靠接地。

電纜屏蔽接地。大部分干擾信號(hào)是通過(guò)二次回路侵入二次系統(tǒng)的，因而采用屏蔽電纜加強(qiáng)對(duì)二次回路的屏蔽，對(duì)電纜的屏蔽層進(jìn)行接地是過(guò)濾侵入二次回路各種干擾的重要措施。

1.2.2 按組成劃分

二次系統(tǒng)的接地是通過(guò)構(gòu)建二次等電位接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)等電位地網(wǎng)的組成來(lái)說(shuō)，可以分為以下3 個(gè)部分：

屏柜、箱體的接地。設(shè)置于安裝二次設(shè)備的屏柜、箱體上，主要為本柜內(nèi)二次設(shè)備、回路提供接地。

室內(nèi)等電位地網(wǎng)。安裝二次設(shè)備屏柜的房間內(nèi)敷設(shè)專用地網(wǎng)，構(gòu)建等電位面，有效減少參考電位差異帶來(lái)的干擾。

電纜溝屏蔽銅排。沿二次電纜敷設(shè)于電纜溝內(nèi)，為二次電纜提供屏蔽、接地。

2 二次等電位接地的設(shè)置

2.1 屏柜接地設(shè)置

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) GB／T 14285—2006、GB 50169—2006、GB／T 50976—2014 和DL／T 5136—2012 均要求保護(hù)、控制屏柜下部應(yīng)設(shè)置截面不小于100 mm2的接地銅排［7，9-11］，但對(duì)接地銅排設(shè)置的數(shù)量、是否與屏柜絕緣、銅排與屏柜上裝置的連接方式等方面，各規(guī)范要求不夠明確。

二次屏柜不僅需要提供保護(hù)、測(cè)控裝置等直流裝置的正常工作接地，還要提供輔助設(shè)備等交流設(shè)備的保護(hù)接地。為避免交流系統(tǒng)的波動(dòng)對(duì)直流裝置的損害［8］，二次屏柜應(yīng)設(shè)置兩根接地排，其中與屏柜電氣可靠連接的一根用于交流系統(tǒng)保護(hù)接地，另一根用于直流系統(tǒng)設(shè)備工作接地。

DL／T 5136—2012 指出，當(dāng)單個(gè)屏柜內(nèi)部的多個(gè)裝置的信號(hào)邏輯零電位點(diǎn)分別獨(dú)立，并且不需要引出裝置小箱（浮空）或需與小箱殼體連接時(shí)，總接地銅排可不與屏體絕緣；當(dāng)屏柜上多個(gè)裝置組成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，屏柜內(nèi)部各裝置的邏輯接地點(diǎn)應(yīng)均與裝置小箱殼體絕緣，并分別引接至屏柜內(nèi)總接地銅排，總接地銅排應(yīng)與屏柜殼體絕緣。GB／T 14285—2006 僅要求裝置的接地端子應(yīng)采用截面不小于4 mm2的多股銅線和接地排相連，接地銅排應(yīng)用截面不小于50 mm2的銅纜與保護(hù)室內(nèi)的等電位接地網(wǎng)連接。GB／T 14285—2006 對(duì)于“裝置的接地端子”描述不夠準(zhǔn)確，二次系統(tǒng)的接地包括多種，如全部接到二次等電位銅排上將會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

當(dāng)柜內(nèi)裝置的邏輯接地點(diǎn)不引出時(shí)，屏柜接地方式有2 種，分別如圖1 和圖2 所示。圖1 中，屏柜內(nèi)分別設(shè)置一次、二次接地排，二次接地排與柜體不絕緣。屏柜內(nèi)一次接地排與保護(hù)室一次接地網(wǎng)緊密連接，二次接地排與二次等電位地網(wǎng)連接，裝置外殼接地端子與二次接地排連接。由于二次等電位地網(wǎng)與一次接地網(wǎng)是在保護(hù)室電纜豎井位置一點(diǎn)連接的，構(gòu)建二次設(shè)備室等電位接地體，在這種連接方式下，二次地網(wǎng)與屏體不絕緣，則二次設(shè)備室的等電位地網(wǎng)通過(guò)屏柜與一次地網(wǎng)連接，破壞了二次地網(wǎng)的一點(diǎn)接地。圖2 所示的接地方式將圖1 的二次接地排與屏柜絕緣，裝置外殼接地端子與一次接地排連接，二次接地排連接電纜屏蔽層、互感器中性線等。此時(shí)保護(hù)的二次接地與一次接地完全分開(kāi)，不會(huì)將一次地網(wǎng)中的干擾引入二次等電位地網(wǎng)。

圖1 邏輯接地不引出的屏柜接地方式Ⅰ

圖2 邏輯接地不引出的屏柜接地方式Ⅱ

當(dāng)屏柜內(nèi)邏輯接地點(diǎn)需要引出時(shí)，屏柜接地方式有2 種，分別如圖3 和圖4 所示。圖3 中，屏柜內(nèi)設(shè)置兩根接地排，二次接地排與屏柜絕緣。如果將保護(hù)的邏輯接地、裝置外殼接地都接到二次接地排時(shí)，由于裝置的外殼本身與屏柜是結(jié)構(gòu)上連接的，一次接地網(wǎng)會(huì)構(gòu)成“一次接地排—裝置外殼—二次接地排—二次等電位地網(wǎng)”的通路，從而將一次接地網(wǎng)的干擾在屏柜處引入二次等電位地網(wǎng)。由于保護(hù)的邏輯接地引出接到二次接地排，一次地網(wǎng)的干擾將直接竄入保護(hù)裝置內(nèi)部，對(duì)保護(hù)裝置造成影響。圖4 所示接地方式有效避免了這個(gè)問(wèn)題，將保護(hù)裝置的外殼與一次接地排連接，斷開(kāi)一次接地網(wǎng)與二次等電位地網(wǎng)的通路，實(shí)現(xiàn)兩者的隔離，保證裝置的安全可靠運(yùn)行。

圖3 邏輯接地引出的屏柜接地方式Ⅰ

圖4 邏輯接地引出的屏柜接地方式Ⅱ

綜合以上分析，無(wú)論二次裝置的邏輯接地點(diǎn)是否引出，二次屏柜上均應(yīng)設(shè)置兩根接地銅排，一根與屏柜可靠連接，另一根與屏柜絕緣。屏柜上的二次裝置外殼應(yīng)連接與屏柜絕緣的銅排，裝置邏輯接地、互感器中性線、電纜屏蔽層應(yīng)連接與屏柜絕緣的接地銅排。

2.2 室內(nèi)等電位地網(wǎng)設(shè)置

DL／T 5136—2012 要求保護(hù)室屏柜下的電纜溝或電纜半層內(nèi)，應(yīng)該沿屏柜方向敷設(shè)截面不小于100 mm2的銅排，并將首尾兩端連接，形成獨(dú)立設(shè)置室內(nèi)等電位地網(wǎng)，該地網(wǎng)應(yīng)采用不少于50 mm2的4 根銅排與變電站的一次接地網(wǎng)相連。文獻(xiàn)［12-13］對(duì)連接進(jìn)行了具體規(guī)定，要求室內(nèi)等電位地網(wǎng)必須與主接地網(wǎng)的連接點(diǎn)只能有一點(diǎn)，連接點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在電纜豎井或電纜溝道入口處。具體方式如圖5 所示。

圖5 室內(nèi)等電位接地網(wǎng)敷設(shè)

小室二次等電位地網(wǎng)與主控制室內(nèi)二次等電位地網(wǎng)的連接有兩種方式。

方式Ⅰ如圖6 所示，主控制室內(nèi)等電位地網(wǎng)就近與一次地網(wǎng)連接，保護(hù)小室二次等電位地網(wǎng)未就近與一次地網(wǎng)連接，通過(guò)連接銅排與主控室二次等電位地網(wǎng)連接。在這種連接方式下，如果系統(tǒng)內(nèi)的故障造成一次地網(wǎng)電位分布不均，主控制室處一次地網(wǎng)地電位為U1，遠(yuǎn)方的二次小室處地網(wǎng)電位為U2，裝置外殼電位與一次地網(wǎng)電位一致，也為U1。二次小室處等電位地網(wǎng)與主地網(wǎng)不連接，通過(guò)連接銅排接到主控制室二次等電位地網(wǎng)，故小室二次等電位地網(wǎng)的電位為U2，保護(hù)裝置的邏輯接地與小室內(nèi)二次等電位地網(wǎng)連接，因而裝置內(nèi)部邏輯接地點(diǎn)電位也為U2。保護(hù)裝置外殼和內(nèi)部存在電位差U1-U2，仿真計(jì)算表明［14］，即使面積不大的變電站（50 m×50 m），小室處的地電位與主控制室處的在短路故障時(shí)地電位差可達(dá)600～700 V，雷擊故障時(shí)甚至能達(dá)到7～18 kV，微機(jī)承受工頻電壓一般不大于3 kV，沖擊耐受電壓低于6 kV［15］，如此大的電壓差足以造成保護(hù)裝置損壞，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖6 全站等電位地網(wǎng)連接方式Ⅰ

方式Ⅱ如圖7 所示，小室內(nèi)等電位地網(wǎng)就地與主地網(wǎng)連接后，通過(guò)銅排連接至控制室主地網(wǎng)。雖然小室和主控室電位不一致，由于連接銅排的電阻率很低，可起到對(duì)主控室和小室的一次地網(wǎng)的均壓作用，使得兩點(diǎn)電位差大大降低［14］，保證裝置的安全。值得注意的是，為避免額外干擾，二次小室與主控室等電位地網(wǎng)的連接銅排應(yīng)接在兩者與各自一次地網(wǎng)的一點(diǎn)接地處。

圖7 全站等電位地網(wǎng)連接方式Ⅱ

2.3 電纜溝屏蔽銅排設(shè)置

DL／T 1682—2016 要求沿二次電纜溝道敷設(shè)截面不小于100 mm2銅排，且電纜屏蔽層在端子箱處與該銅排連接，保護(hù)室內(nèi)與二次等電位地網(wǎng)連接?！秶?guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》對(duì)于銅排與室內(nèi)等電位地網(wǎng)的連接進(jìn)行了規(guī)定，要求銅排在端子箱處與一次地網(wǎng)連接，在與室內(nèi)等電位地網(wǎng)與主地網(wǎng)的一點(diǎn)接地處連接。然而，變電站內(nèi)電纜溝眾多，許多電纜溝呈環(huán)形布置，電纜溝內(nèi)敷設(shè)銅排是否與電纜溝一致，DL／T 1682—2016 對(duì)此沒(méi)有規(guī)定，需要進(jìn)行具體分析。

圖8 屏蔽銅排電磁耦合

如圖8 所示，發(fā)生短路時(shí)，除了考慮由于地電位分布不均，在電纜溝屏蔽銅排上產(chǎn)生的干擾電流外，還應(yīng)考慮短路電流沿地網(wǎng)流動(dòng)時(shí)因電磁耦合在屏蔽銅排中產(chǎn)生的感應(yīng)電流。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，高壓母線發(fā)生短路時(shí)，可能產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏的共模電壓作用在屏蔽線中［16］。由于二次電纜屏蔽層兩端連接在電纜溝屏蔽銅排上，二次電纜纜芯可能感應(yīng)出較大的干擾電壓，對(duì)二次回路產(chǎn)生干擾。

如圖9 所示，如果屏蔽銅排沿電纜溝敷設(shè)并構(gòu)成環(huán)形。此時(shí)某一屏蔽銅排回路產(chǎn)生的干擾電壓會(huì)沿各個(gè)環(huán)路傳播，將干擾引入與之相關(guān)的所有回路，在更大范圍內(nèi)對(duì)二次設(shè)備造成威脅。相反，如圖10所示，屏蔽銅排采用輻射式布置，在首端接于二次等電位地網(wǎng)一點(diǎn)接地處，遠(yuǎn)端在端子箱處與一次地網(wǎng)就近連接，這樣可以破壞環(huán)路條件，減小干擾范圍。

圖9 電纜溝屏蔽銅排設(shè)置方式Ⅰ

圖10 電纜溝屏蔽銅排設(shè)置方式Ⅱ

事實(shí)上，對(duì)于地電流特別大的變電站，可以把二次電纜屏蔽層在端子箱處經(jīng)接地電阻與一次地網(wǎng)連接。

3 結(jié)語(yǔ)

由于二次設(shè)備本身的特殊性，二次系統(tǒng)的接地與一次系統(tǒng)的接地設(shè)置原則有一定的差異。經(jīng)過(guò)分析，二次等電位地網(wǎng)的設(shè)置中應(yīng)注意3 個(gè)問(wèn)題。

二次屏柜內(nèi)均應(yīng)設(shè)置2 根接地排，一根與屏柜可靠連接，用于低壓交流供電的保護(hù)線接地、屏內(nèi)安裝的二次設(shè)備外殼接地；一根與屏柜絕緣，并與室內(nèi)二次等電位地網(wǎng)可靠連接，用于裝置的邏輯引出接地、電纜屏蔽層接地、保護(hù)中性線接地。

各保護(hù)小室內(nèi)分別設(shè)置的等電位地網(wǎng)應(yīng)就近與一次接地網(wǎng)一點(diǎn)連接，保護(hù)小室之間的等電位地網(wǎng)與主控制室等電位地網(wǎng)采用銅排連接，連接點(diǎn)設(shè)在等電位地網(wǎng)與一次地網(wǎng)一點(diǎn)連接處。

電纜溝內(nèi)輻射式設(shè)置二次屏蔽接地排，在首端接于二次等電位地網(wǎng)一點(diǎn)接地處，遠(yuǎn)端在端子箱處與一次地網(wǎng)就近連接，不應(yīng)構(gòu)成環(huán)形閉合回路。