维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷第４期 电力科学与技术学报 Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．４ ２００７年１ ２月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｄｅｃ．２ Ｏ Ｏ ７ 控制电缆屏蔽层接地方式的抗干扰分析 陶 蓉 ，李景禄 ，林 冶 ，李 超 ，何 娜 ，李志娟 （１．长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙４１００７６； ２．福建省电力有限公司，福建福州３５０００３） 摘 要：国内外对于控制电缆屏蔽层应一端接地还是两端接地仍存在很大的争议．从分析地电位升高的危害和控 制电缆屏蔽层接地的作用人手，通过比较不同接地方式下引起地电位干扰的２种地网电流对控制电缆的感应电压 的大小，得出两端接地时的干扰电压比一端接地时要小．因此控制电缆应采用屏蔽层两端接地的方式． 关 键 词：控制电缆；地电位干扰；屏蔽层；接地方式 中图分类号：ＴＭ ７５７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－９１４０（２００７）０４－００７２－０４ Ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｂｌｅ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｌｉｎｅ ＴＡＯ Ｒｏｎｇ ，ＬＩ Ｊｉｎｇ．１ｕ ，ＬＩＮ Ｙｅ ，ＬＩ Ｃｈａｏ ，ＨＥ Ｎａ ，ＬＩ Ｚｈｉ－ｊｕａｎ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｆｕｊｉａｎ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｂｌｅ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｌｉｎｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｏｒ ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｉ— ｎａｌｓ ｉｓ ａ ｄｉｓｐｕｔｅｄ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅａｒｔｈ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｃａｂｌｅ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｌｉｎｅｓ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｏｌｔａｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｂｌｅｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｏｎｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｈａｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｈａｓ ｌｏｗｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｗｉ出ｏｎｅ ｔｅｒｍｉｎａ１．Ｉｉ ｉｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｈｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｂｌｅ ｓｈｏｕｌｄ ｔａｋｅ ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｍｏｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｂｌｅ；ｅａｒｔｈ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｌｉｎｅ；ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ 电力微电子装置等弱电设备在电力系统二次回 较低，为保证电力系统的安全运行，必须提高一次系 路中的广泛应用，对变电站电磁兼容水平提出了很 统和二次系统之间的电磁兼容性，减小二次系统的 高的要求．弱电设备的耐压水平和抗干扰能力都比 干扰电压 ． 收稿日期：９．００７４）９．１３ 作者简介：陶蓉（１９８２一），女，硕士研究生，主要从事高电压与绝缘技术研究． 维普资讯 http://www.cqvip.com
第２２卷第４期 陶蓉，等：控制电缆屏蔽层接地方式对地电位干扰的影响 ７３ 在变电站中控制电缆是一次设备和二次设备的 连接线，因此控制电缆引入的干扰是二次回路中最 主要的干扰源．为了减少因地电位升高由控制电缆 引入的干扰，除了选用屏蔽型的控制电缆外，还应选 的不良影响．而埋地电缆是对微机电源产生干扰的 主要干扰源，它既是干扰的主要发生器，也是主要的 接收器．电缆作为发生器，它向空间辐射电磁噪声； 作为接收器，它能敏感地接收来自邻近干扰源所发 射的电磁噪声－４ Ｊ．敷设在高压导线附近的控制电 用正确合理的电缆接地方式－２】，充分发挥屏蔽电缆 的屏蔽性能． １地电位干扰的危害 当一次系统发生接地短路或遭受雷击而使避雷 器动作时，强大的电流经接地体流地，在接地电 阻上产生很高的电压降，这就是地电位升高，由此引 起地电位分布不均匀，产生所谓的地电位干扰．地电 位升高对附近设备和人员的危险影响是不容忽视 的－３ Ｊ．变电站附近通过的电缆处于地电位影响范围 内时，由于阻性耦合，电缆的芯线与外皮、芯线与大 地之间会出现电位差，控制电缆会将干扰引入二次 系统，对计算机监控设备的取样回路、控制回路、电 源和通信回路造成影响，如果某一环节出现问题，这 种干扰就会对综合自动化系统造成较大的危害，比 如会使逻辑混乱、计算机死机、芯片损坏、保护“失 灵”等，严重时会危及发电机、变压器等一些主设 备．由各类干扰造成微机保护或综合自动化系统 “失灵”的事故经常出现，有的还发展成主设备烧毁 事故．例如，信阳局沙港站２００５年１０月发生开关的 同期电压指示不正常，从电压互感器的接线盒下来 的电缆烧断且严重发热，二次保险熔断的事故．事后 分析是由于沙明１线路ＰＴ二次回路分别在开关场 和控制室两点接地且开关场处接地与一次接地点连 通，变电站的接地网并非实际的等电位，因而在不同 点间会出现电位差．如果一个电连通的回路在变电 站的不同点同时接地，地网上的电位差将窜人这个 回路，长期运行，控制电缆长期过热，绝缘被破坏．同 时，由于当时为雷雨天气，变电站地网中的冲击电流 增大，产生暂态电位波动，电缆电位将随地电位的波 动而受干扰，地电位升高对低压控制回路的绝缘带 来严重影响，最终导致控制电缆烧坏． ２控制电缆屏蔽层接地的作用 屏蔽是将电场干扰源至器件或设备的传输路径 “切断”，从而消除或减弱干扰源对其它器件或设备 缆，如果不采取屏蔽措施，一次回路干扰源会通过共 模耦合或差模耦合在电缆的芯线上产生干扰电压； 如果采用金属外皮的屏蔽电缆，并对屏蔽层进行接 地处理，则不论对共模耦合还是差模耦合产生的干 扰都有明显的抑制作用．因此，采用屏蔽电缆并采取 相应的接地方式作为抑制地电位干扰的主要措施． ３不同接地方式对干扰的影响 地电位升高是由地网电流流经接地体而产生 的，地网电流主要有２种，一种是侵入地网的雷电冲 击电流；另一种是工频短路时流过地网的工频电流． 地网电流经过接地体流人二次电缆的外皮，将对电 缆芯线产生耦合，并在电缆末端感应出电位差，从而 对二次设备造成危害．为了减小引入二次系统的过 电压，通常对控制电缆采用屏蔽层接地处理．常用的 屏蔽层接地方式主要有一端接地和两端接地两 种－５ Ｊ．不同的接地方式对于不同的地网电流产生干 扰的抑制效果也是不同的． ３．１不同接地方式对雷电流的屏蔽分析 当雷击变电站内的避雷器或避雷线时，雷电流 经过接地引下线流人接地网产生大的地网电流，此 时在人地点存在强烈的电磁场将使得接地体口点与 敷设在地网的周围的控制电缆ｂ点之间出现较大的 电位差 （如图１）， 的大小和电缆的接地方式 有关 引． 雷电流ｉ流过接地体ｏ，ｏ，∞段的电阻为Ｒ ．当 电缆屏蔽层一端接地时，即图１（ａ）所示，所有地网 电流在回路Ｉ中的产生的磁通为 ，则感应电势 为ｄ Ｔ／ｄ ，屏蔽层的不接地端和芯线之间的电位差 （即图中ａ，ｂ之间的电位差）为 ＝ Ｒ１＋ ｄ西 ． （１） ， 、 式中 为从口点流人、Ｏ点流出的地网电流；Ｒ 为 ａｏ段的电阻； ，为地网电流在回路，中产生的磁 通． 维普资讯 http://www.cqvip.com ７４ 电 力 科 学 与 技 术 学 报 ２００７年１２月 屏蔽层两端接地时，电缆的屏蔽层与地网构成 １０ ｋＡ，波形参数为２．６／５０ Ｉｘｓ，在土壤电阻率为ｐ＝ １００ Ｑ・ｍ的情况下，通过地网对长１ ０００ ｍ的电缆 闭合回路，如图１（ｂ）屏蔽层的电流为，０，设其电阻 为 ，穿过回路ＩＩ的磁通为 Ⅱ ，那么 ，０ ＝（ 一Ｉｏ）Ｒ ＋ ｄｑ￣ｘ＇． 在不同接地方式下造成的影响，分别得到屏蔽层两 （２） 端接地时和一端接地时芯线与屏蔽层上的电压差如 图２所示． 则屏蔽电缆芯线和屏蔽层之间的电位差为 ＝ ＝ ８００ （ ＋ ）．（３） ６００ 式中 Ⅱ 为由导体电流和屏蔽层电流在回路口共 同产生的磁通． ’ （ａ）屏蔽层一点接地 — 。— 。 （ｂ）屏蔽层两端接地 图１屏蔽层不同接地方式 比较式（１）和（３），由于电缆的屏蔽层电流的抵 消作用，故 ＜ ，即屏蔽层两端接地方式对 于地网电流产生的感应电势比一端接地时的要小； 又有 ＜１，所以屏蔽层两端接地时的过电压 比一端接地时的要小 引．由此可见，二次电缆屏 蔽层两端接地比一端接地具有更强的防过电压能 力． 理论上已经证明了对于雷电流人地的地网电流 而言，比较屏蔽层两端接地时产生的芯线屏蔽层间 电压差与屏蔽层一端接地时产生的芯线屏蔽层间的 电压差得出前者要小．用Ａ１１Ｐ仿真雷电流幅值为 ４００ ２０ｏ Ｏ 锄 —‘０ｏ －－６ＯＯ Ｏ Ｏ．２ ０．４ ０．６ ｎ８ １．０ ｔ／ｍｓ 图２仿真结果 上图可以看出：屏蔽层两端接地时，芯线屏蔽层 间的干扰电压比屏蔽层一端接地时要低．这与理论 分析一致．因此，在防止雷电流侵入地网情况下，地 网电流产生过电压，电缆的屏蔽层采用两端接地的 方式较一端接地屏蔽效果更明显，抗干扰能力更强． ３．２不同接地方式对工频大电流的屏蔽分析 变电站内由工频短路时流过地网的工频电流产 生的地电位干扰属于低频干扰［８】．对于变电站的低 频干扰而言，屏蔽电缆对于外来电磁场的屏蔽作用 主要是利用外皮上的感应电流产生二次场来抵消干 扰源一次场的作用．当屏蔽电缆一端接地时，不存在 屏蔽回路，外皮上将没有感应电流，无法起到对低频 干扰的屏蔽作用，所以应当两端接地ｌ９】．如图３，屏 蔽层两端接地时，电缆的屏蔽层与接地网构成闭合 回路，干扰磁通在这一闭合回路中感应出的电流可 产生反向磁通，从而减弱了干扰磁通对芯线的影响． 同时，减小屏蔽回路的纵向阻抗及接地电阻，屏蔽回 路的阻抗愈小，回路内的感应电流愈大，屏蔽效果就 愈明显，可以用下式描述其屏蔽效果： 小 ． （４） 式中 为屏蔽系数，是一个小于１的数字，其值 愈小则表示屏蔽效果愈好；ｚ ，ｚ∞，ｚ 表示的是回 路间的互阻抗；Ｚ３是屏蔽回路的总阻抗．考虑到回 路间互阻抗的实数部分一般较小，用 ， ， 维普资讯 http://www.cqvip.com
第２２卷第４期 陶蓉，等：控制电缆屏蔽层接地方式对地电位干扰的影响 ７５ 表示各回路之间的互感系数；Ｒ，，Ｌ３表示回路单位 长度的电阻和自感，又Ｍ ，一 ２， 系数可以表示为 Ｌ３［ 。。．屏蔽 地网构成闭合回路，干扰磁通在这一闭合回路中感 应出的电流可产生反向磁通，从而减弱了干扰对芯 线的影响．因此为防止地电位干扰问题，将电缆的屏 一如 干扰母线 —— 一忐一 ．（５） ｌ 蔽层两端接地是较好的解决办法． 参考文献： ［１］刘帆，陈柏超，卞利钢．变电站二次电缆屏蔽层接地方式探讨 ［Ｊ］．电网技术，２００３，２７（２）：６３－６７． ［２］Ｂｏｗ Ｋ Ｅ，Ｖｏｌｔｚ Ｄ Ａ．Ｏｖｅｒａｌｌ ｓｈｉｅｌｄ ｐｒｏｔｅｃｔｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｃａｂｌｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｆｅｃｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ［Ｊ］．１ＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ， １９９４，３０（２）：２６９—２７６． ［３］左息成，齐建群，等．地电位升对通信设备的影响及其防护［Ｊ］． 电力系统通信，１９９９，（４）：５０－５２． ‘ 【４］唐文前．控制电缆屏蔽层接地方式探讨【Ｊ］．电力建设，２００２，２３ 图３低频电磁屏蔽 （７）：４｜Ｄ－４１． 要提高屏蔽电缆对于低频干扰的屏蔽效果，即 减小屏蔽系数 ，就应当减小屏蔽回路的电阻并增 大其自感，并且屏蔽层采用两端接地的方式． ［５］覃海清，刘南平，张昭南．变电站二次电缆屏蔽层接地的抗干扰 作用［Ｊ］．广西电力工程，１９９８，（２）：４８－５０． ［６］李景禄实用电力接地技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００２． ［７］杨文斌．变电站电缆雷击感应过电压机理及防护措施研究 ［Ｄ］．广西大学，２００６． ４结论 为了有效地提高变电站的电磁兼容水平，加强 电缆的屏蔽功能，合理地选择控制电缆的接地方式 十分重要．从控制电缆利用屏蔽作用防范主要干扰 源的效果可以看到，两端接地时电缆的屏蔽层与接 ［９】贺景亮．电力系统电磁兼容［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９３． ［８］林福昌．变电所强电设备与弱电线路的电磁兼容问题［Ｊ］．中国 电力，１９９６，２９（１）：３７ ． ［１Ｏ］张元芳，关根志．变电所一次线对二次线电磁干扰强度的计算 ［Ｊ］．中国电力，１９９７，３０（１）：ｌ１・ｌ３．
