郭宜果，魏 鑫，王慧軒

（國網(wǎng)山東省電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250021）

0 引言

為保障電力系統(tǒng)可靠運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。相對于一次設(shè)備來說，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，變電站正常運行或出現(xiàn)故障時可能產(chǎn)生較強的電磁干擾，嚴重時影響二次設(shè)備運行，因而需要設(shè)置單獨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、測量、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)模的擴大及智能化、互動化的深度發(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)備安全可靠運行的重要環(huán)節(jié)，需要予以進一步的關(guān)注。

不同規(guī)范對于二次等電位系統(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，實際工程中二次等電位系統(tǒng)的設(shè)置方式不統(tǒng)一，實際工程中問題較多［2］，對電網(wǎng)的實際運行產(chǎn)生不利的影響［3-4］。因而有必要對變電站二次系統(tǒng)可能受到的干擾及接地種類進行歸納，在此基礎(chǔ)上對現(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

變電站是一個強電磁干擾環(huán)境，正常運行時會因為電力系統(tǒng)的工頻電壓、電流對二次系統(tǒng)產(chǎn)生一定的工頻干擾，也會因為一次設(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，可能通過傳導、耦合對二次系統(tǒng)產(chǎn)生更大的影響［5］。一般來說，變電站設(shè)計時均采取了降低干擾的措施，正常運行的干擾對二次系統(tǒng)的影響不大，但是由于故障本身的不確定性，會對二次系統(tǒng)產(chǎn)生更強的干擾。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，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，雷電流流經(jīng)避雷針、避雷器進入地網(wǎng)，形成的高頻暫態(tài)干擾。

這些干擾侵入二次系統(tǒng)的主要方式有電場耦合、磁場耦合、輻射、傳導等［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、測控等裝置的開關(guān)量開入、輸出控制回路的邏輯信號公共端均需要接地，形成穩(wěn)定的參考零電位。對于邏輯接地來說，要求接地電阻很低，提供裝置所有邏輯電路的公共基準點。微機裝置中使用的各種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，則會在信號地線上產(chǎn)生電位波動，造成微機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。出于測量準確性和設(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。大部分干擾信號是通過二次回路侵入二次系統(tǒng)的，因而采用屏蔽電纜加強對二次回路的屏蔽，對電纜的屏蔽層進行接地是過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)的接地是通過構(gòu)建二次等電位接地網(wǎng)實現(xiàn)的，根據(jù)等電位地網(wǎng)的組成來說，可以分為以下3 個部分：

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)行標準 GB／T 14285—2006、GB 50169—2006、GB／T 50976—2014 和DL／T 5136—2012 均要求保護、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、測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)備的保護接地。為避免交流系統(tǒng)的波動對直流裝置的損害［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，當單個屏柜內(nèi)部的多個裝置的信號邏輯零電位點分別獨立，并且不需要引出裝置小箱（浮空）或需與小箱殼體連接時，總接地銅排可不與屏體絕緣；當屏柜上多個裝置組成一個系統(tǒng)時，屏柜內(nèi)部各裝置的邏輯接地點應(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的銅纜與保護室內(nèi)的等電位接地網(wǎng)連接。GB／T 14285—2006 對于“裝置的接地端子”描述不夠準確，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產(chǎn)生問題。

當柜內(nèi)裝置的邏輯接地點不引出時，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)是在保護室電纜豎井位置一點連接的，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)通過屏柜與一次地網(wǎng)連接，破壞了二次地網(wǎng)的一點接地。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。此時保護的二次接地與一次接地完全分開，不會將一次地網(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

當屏柜內(nèi)邏輯接地點需要引出時，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。如果將保護的邏輯接地、裝置外殼接地都接到二次接地排時，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裝置內(nèi)部，對保護裝置造成影響。圖4 所示接地方式有效避免了這個問題，將保護裝置的外殼與一次接地排連接，斷開一次接地網(wǎng)與二次等電位地網(wǎng)的通路，實現(xiàn)兩者的隔離，保證裝置的安全可靠運行。

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，無論二次裝置的邏輯接地點是否引出，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［12-13］對連接進行了具體規(guī)定，要求室內(nèi)等電位地網(wǎng)必須與主接地網(wǎng)的連接點只能有一點，連接點應(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，保護小室二次等電位地網(wǎng)未就近與一次地網(wǎng)連接，通過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)部邏輯接地點電位也為U2。保護裝置外殼和內(nèi)部存在電位差U1-U2，仿真計算表明［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地電位差可達600～700 V，雷擊故障時甚至能達到7～18 kV，微機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裝置損壞，影響系統(tǒng)的安全運行。

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，可起到對主控室和小室的一次地網(wǎng)的均壓作用，使得兩點電位差大大降低［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，保護室內(nèi)與二次等電位地網(wǎng)連接。《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》對于銅排與室內(nèi)等電位地網(wǎng)的連接進行了規(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 對此沒有規(guī)定，需要進行具體分析。

圖8 屏蔽銅排電磁耦合

如圖8 所示，發(fā)生短路時，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)流動時因電磁耦合在屏蔽銅排中產(chǎn)生的感應(yīng)電流。計算數(shù)據(jù)表明，高壓母線發(fā)生短路時，可能產(chǎn)生高達數(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。此時某一屏蔽銅排回路產(chǎn)生的干擾電壓會沿各個環(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)一點接地處，遠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

事實上，對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

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)過分析，二次等電位地網(wǎng)的設(shè)置中應(yīng)注意3 個問題。

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、保護中性線接地。

各保護小室內(nèi)分別設(shè)置的等電位地網(wǎng)應(yīng)就近與一次接地網(wǎng)一點連接，保護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，連接點設(shè)在等電位地網(wǎng)與一次地網(wǎng)一點連接處。

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)一點接地處，遠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。