智能變電站二次系統(tǒng)接地方式研究:(一)理論探討

殷建剛，黃遜勛，黃敘銀，張 婷

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.中能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100034；3.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085；4.中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

智能變電站二次系統(tǒng)接地方式研究:(一)理論探討

殷建剛1，黃遜勛2，黃敘銀3，張 婷4

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.中能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100034；3.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085；4.中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

利用高導(dǎo)電率導(dǎo)體將地面不帶電的導(dǎo)電體相互連接，構(gòu)成多環(huán)路的三維等電位接地網(wǎng)，并與主接地網(wǎng)在適當(dāng)?shù)奈恢眠B通，構(gòu)成全站的接地系統(tǒng)。設(shè)備通過(guò)該接地系統(tǒng)可就近實(shí)現(xiàn)無(wú)引線或短引線接地，降低了傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的傳導(dǎo)性干擾和地電位差干擾，從而進(jìn)一步降低接地阻抗的效能。通過(guò)以上措施可達(dá)到消除或降低回路耦合干擾的目的。

敏感源；騷擾源；耦合路徑；等電位接地網(wǎng)

0 前言

變電站安裝有基于微處理器數(shù)字電路工作原理的二次設(shè)備，對(duì)高頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)及電磁場(chǎng)等參量敏感，這樣的二次設(shè)備是高頻信號(hào)敏感源；騷擾源則是以快速瞬變脈沖串為代表的高頻信號(hào)；干擾耦合途徑主要是磁（感應(yīng)）耦合和電磁波輻射耦合。因此，原來(lái)二次回路的安全接地與一次回路共用一個(gè)地下主接地網(wǎng)的接地方式已經(jīng)過(guò)時(shí)，需要根據(jù)敏感源對(duì)高頻場(chǎng)量敏感的特點(diǎn)做相應(yīng)的改變。

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）從變電站電磁兼容技術(shù)實(shí)用性角度出發(fā)，做了深入研究，編寫了《發(fā)電廠和變電站電磁兼容導(dǎo)則》（以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》）。該《導(dǎo)則》以大量的計(jì)算分析和模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，理論聯(lián)系實(shí)際，從電磁干擾的基本物理概念解釋到具體防范措施的實(shí)施方案，作了深入的介紹，對(duì)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員具有很高的使用價(jià)值，國(guó)外多參照?qǐng)?zhí)行[1]。

國(guó)內(nèi)為應(yīng)對(duì)電磁干擾，在變電站接地方面的改進(jìn)始于1990年代初。首先應(yīng)用于電力線載波（PLC）數(shù)字式高頻保護(hù)收發(fā)信機(jī)的抗干擾措施：將同軸電纜屏蔽層接地由單端接地改為兩端接地，并緊靠其敷設(shè)兩端接地的接地銅排，獲得較好的抗電磁干擾效果。

1990年代后期，變電站采用綜合自動(dòng)化設(shè)備，全站二次電纜屏蔽層兩端接地，二次電纜溝全面敷設(shè)接地銅排，二次設(shè)備室內(nèi)敷設(shè)等電位接地網(wǎng)。國(guó)家電網(wǎng)公司《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施（修訂版）及編制說(shuō)明》（以下簡(jiǎn)稱《反措》）中關(guān)于變電站接地已有相關(guān)規(guī)定[2]。

近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司大規(guī)模建設(shè)智能變電站，智能變電站與綜合自動(dòng)化變電站相比在電纜和光纜的使用方面發(fā)生了一些變化。國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司承擔(dān)了國(guó)家電網(wǎng)公司依托工程新技術(shù)研究項(xiàng)目“智能變電站二次接地方式研究”，研究成果已入選國(guó)家電網(wǎng)公司依托工程設(shè)計(jì)新技術(shù)推廣應(yīng)用實(shí)施目錄（2015年版）。

1 接地方式與電磁干擾密切相關(guān)

電磁兼容技術(shù)中敏感源、騷擾源和騷擾耦合途徑三要素構(gòu)成電磁騷擾鏈。消除其中任何一項(xiàng)，電磁干擾即可消失。在騷擾源和敏感源無(wú)法消除的現(xiàn)實(shí)情況下，截?cái)囹}擾耦合途徑是消減電磁干擾唯一有效的措施。

變電站騷擾源主要是來(lái)自于遭受雷擊和操作高壓電氣設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的次暫態(tài)電壓和瞬變電流。這些干擾都是以大地作為返回源頭的路徑，大多會(huì)產(chǎn)生共模干擾信號(hào)，地線成為其主要耦合途徑。如果接地方式處理得不好，敏感源容易受到騷擾源的騷擾。因此對(duì)變電站接地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能應(yīng)有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，才能選擇適合的接地方式，從而起到降緩電磁干擾的作用。對(duì)于變電站設(shè)備的接地方式而言，主要有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種類型，供其接地的接地系統(tǒng)由地面等電位接地網(wǎng)和地下主接地網(wǎng)組成。

1.1 單點(diǎn)接地

這是一種廣為人知的接地方式，它是將一組相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備和電路接到公共接地網(wǎng)的同一點(diǎn)，無(wú)論是地面上的接地網(wǎng)，還是地下主接地網(wǎng)。單點(diǎn)接地的好處是避免了大地環(huán)路，不致因地電流產(chǎn)生電位差干擾。為了防止共用一段接地線產(chǎn)生共阻抗耦合干擾，接地引線往往很多，而且較長(zhǎng)。因此，遇到高頻信號(hào)時(shí)，地線的阻抗值很大，甚至發(fā)生諧振，造成接地阻抗乃至地電位不穩(wěn)定。對(duì)于頻率較高的信號(hào)，盡管地線很短，它們的電感和電阻也不可忽略。實(shí)際上，當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，各種雜散參數(shù)已經(jīng)起到很重要的作用，即使形式上采用單點(diǎn)接地結(jié)構(gòu)，實(shí)際上不能起到單點(diǎn)接地的作用。因此，單點(diǎn)接地方式并不適合于頻率較高的場(chǎng)合。

現(xiàn)在的二次設(shè)備多為微處理器數(shù)字電路設(shè)備，對(duì)高頻信號(hào)敏感，單點(diǎn)接地方式已不再適合，應(yīng)該徹底放棄。對(duì)于工作頻率較高的設(shè)備的接地，需縮短接地線，就是說(shuō)各接地點(diǎn)要就近接地，實(shí)際上也就構(gòu)成了環(huán)路狀多點(diǎn)接地[3]。

1.2 多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地的結(jié)構(gòu)必然形成多個(gè)接地環(huán)路，接地環(huán)路上因地電流流過(guò)而產(chǎn)生電位差，因而對(duì)接入地線上的設(shè)備及電路可能會(huì)產(chǎn)生地電位差干擾。在變電站中，二次設(shè)備接地點(diǎn)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離一次設(shè)備大電流接地點(diǎn)（不小于一個(gè)安全距離），避免一次電流流經(jīng)二次接地網(wǎng)而產(chǎn)生共阻抗耦合；應(yīng)盡可能縮小接地環(huán)路面積，降緩地電位差干擾；更重要的是要防范磁（感應(yīng)）等耦合下的傳導(dǎo)性干擾。

為達(dá)此目的，無(wú)論是地下的主接地網(wǎng)還是地面的等電位接地網(wǎng)，搭接網(wǎng)格個(gè)數(shù)更多、每個(gè)網(wǎng)格包圍面積更小的接地系統(tǒng)，可獲得更好地降緩電磁干擾的效果。因此，針對(duì)現(xiàn)代變電站中二次設(shè)備為高頻信號(hào)敏感源這一現(xiàn)實(shí)，二次系統(tǒng)接地方式應(yīng)徹底放棄單點(diǎn)接地觀念，全面采用多點(diǎn)接地，理解多點(diǎn)接地的物理概念，掌握多點(diǎn)接地的實(shí)際措施、方法、工藝。

2 接地系統(tǒng)的構(gòu)成原理

2.1 麥克斯韋第二方程確立小面積接地網(wǎng)格

根據(jù)麥克斯韋第二方程，

式中：U為電壓；E為電場(chǎng)；s為面積；t為時(shí)間；Φ為磁通量。

如圖1所示，沿閉合回路對(duì)電場(chǎng)E的線積分等于線環(huán)繞面積中環(huán)鏈的磁力線變化率。

圖1 沿閉合回路的電場(chǎng)線積分示意圖（法拉第法則）Fig.1 Schematic diagram for line integral of electric field along a closed loop(Faraday law)

從圖1中可知，在磁通密度一定的條件下，接地環(huán)路面積越大，可環(huán)鏈的磁力線越多，環(huán)路上不同點(diǎn)間的電壓差就越大，由地電位差引發(fā)的干擾就越嚴(yán)重。為降緩地電位差引發(fā)的干擾，需要盡量縮小接地環(huán)路面積，降低地環(huán)路電壓。因此，在接地網(wǎng)構(gòu)建中，不僅是要搭接成環(huán)路的接地網(wǎng)格，還要根據(jù)場(chǎng)所安裝設(shè)備性質(zhì)不同，設(shè)計(jì)不同網(wǎng)格面積的接地網(wǎng)。比如，中控室、繼電器小室、通信設(shè)備室等是集中安裝敏感性較高的設(shè)備之地，需要加密接地網(wǎng)格，《導(dǎo)則》推薦在室內(nèi)構(gòu)建2 m×2 m的接地銅排網(wǎng)格，而在室外則無(wú)此要求。

2.2 高斯散度定理奠定多環(huán)路接地網(wǎng)理論基礎(chǔ)

對(duì)于高頻騷擾電流，入地點(diǎn)并不是單一的，它只是電流回路中的一部分，電流至少要通過(guò)一支其它導(dǎo)體返回源頭，如圖2所示，圖中支路線段寬度表示其中電流的大小。

圖2 環(huán)路多點(diǎn)接地系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram for looped multi-point earthing system

如同高斯散度定理所描述的，

式中:J為全電流；D為電移位；iv為運(yùn)流電流，流動(dòng)環(huán)節(jié)形成；ic為傳導(dǎo)電流。

變電站屬于無(wú)源場(chǎng)，其散度值為零，如公式（2）中所表達(dá)的那樣。從公式中（2）可見(jiàn)，在變電站內(nèi)，騷擾電流源產(chǎn)生磁場(chǎng)在本區(qū)域生成的全電流J為某一定值時(shí)，運(yùn)流電流越大，傳導(dǎo)電流越小。運(yùn)流電流是在磁場(chǎng)傳播過(guò)程中在與其環(huán)鏈的閉合導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其生成的反向磁通抵消原磁通，運(yùn)流電流越大，傳導(dǎo)電流就越小，由傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的傳導(dǎo)性干擾就越小。

建立在此原理基礎(chǔ)上的等電位接地網(wǎng)就是要將變電站地面所有不帶電的金屬體如進(jìn)線門型架、母線構(gòu)架、設(shè)備支架、電纜托盤、金屬管道及設(shè)備外殼等采用良導(dǎo)體相互連接成環(huán)路，以此構(gòu)成地面三維接地網(wǎng)。利用接地網(wǎng)的網(wǎng)格狀環(huán)路能環(huán)鏈騷擾磁通而產(chǎn)生更多的運(yùn)流電流，從而減少傳導(dǎo)電流支路數(shù)和電流，達(dá)到削減傳導(dǎo)性干擾的作用。

2.3 克希荷夫定理確立地面接地網(wǎng)的理論依據(jù)

克希荷夫的閉合回路電壓降之和定理，

即

即電壓升等于電壓降，又有

可由等式（1）和（5）推導(dǎo)出

當(dāng)約定Φ、I為變化量時(shí)，回路電感可由圖3表示,Z=R+jωL,L=Φ/I。

圖3 電流回路的阻抗及電感Fig.3 Impedance and inductance of current loop

這又表明，接地回路電感量與回路環(huán)鏈的磁通量成正比，而與回路電流成反比。也就是說(shuō)，接地環(huán)路所包圍的面積越小，環(huán)鏈磁通量少，回路電感量就越??；回路中電流越大，電感量就越小。

不難看出，可以在兩個(gè)方面應(yīng)用這一結(jié)論：其一，通過(guò)縮短接地引線長(zhǎng)度（＜10 cm）或無(wú)引線搭接來(lái)減小接地環(huán)路面積，即可減少所包圍的磁力線，從而達(dá)到降低回路阻抗的目的；其二，盡可能利用地面接地導(dǎo)體構(gòu)成接地網(wǎng)格，不與土壤接觸，使得環(huán)路電流不因土壤散流而減少，不至于使得接地回路電感增加，接地阻抗增大。否則，接地回路阻抗要受土壤電阻率的影響，電阻率越低則對(duì)回路阻抗影響越大，這就是為什么要搭接地面接地網(wǎng)格，而不是加強(qiáng)地下主接地網(wǎng)的理由。

誠(chéng)然，地下主接地網(wǎng)的水平導(dǎo)體沒(méi)有地面接地導(dǎo)體的效果好，但還是能起到輔助作用，尤其是當(dāng)?shù)孛娼拥貙?dǎo)體不能自成閉合環(huán)路時(shí)，可將其與地下主接地網(wǎng)連接構(gòu)成環(huán)路，仍然能起到一定的降低接地回路阻抗的作用。否則，不成環(huán)路的接地導(dǎo)體不能起到應(yīng)有作用。

綜上所述，運(yùn)用以上理論采用良導(dǎo)體將地面不帶電的導(dǎo)電體相互連接成多環(huán)路的三維等電位接地網(wǎng)，并在適當(dāng)?shù)奈恢门c主接地網(wǎng)連通，構(gòu)成全站的接地系統(tǒng)。利用該接地系統(tǒng)降低傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的傳導(dǎo)性干擾和地電位差干擾；設(shè)備就近實(shí)現(xiàn)無(wú)引線或短引線接地，從而獲得進(jìn)一步降低接地阻抗的效能。通過(guò)以上措施達(dá)到消除或降緩回路耦合干擾的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)麥克斯韋電磁感應(yīng)定理，閉合回路的感應(yīng)電壓等于其交鏈的磁力線的變化率。要降低回路感應(yīng)電壓，就要減少其包圍的磁力線，即縮小環(huán)路包含的面積。對(duì)于集中安裝敏感源設(shè)備的控制室，要降低接地環(huán)路產(chǎn)生地電位差干擾，就需要加密接地網(wǎng)格，縮小網(wǎng)格的面積。

（2）高斯散度定律表明，對(duì)于每一流入大地的全電流，除了運(yùn)流（環(huán)路）電流外，至少有一支傳導(dǎo)電流要通過(guò)其它導(dǎo)體返回其源，并有運(yùn)流電流越大，傳導(dǎo)電流就越小。據(jù)此，要降緩傳導(dǎo)性電磁干擾，需要接地環(huán)路產(chǎn)生更多的運(yùn)流電流，減少傳導(dǎo)電流，可采用搭接地面三維接地網(wǎng)與地下主接地網(wǎng)構(gòu)成全站的接地系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）根據(jù)克希荷夫沿回路電壓降之和為零的原理，推導(dǎo)出回路電感與環(huán)鏈的磁通成正比，與回路電流成反比。據(jù)此，為避免接地環(huán)路經(jīng)土壤散流，而導(dǎo)致回路電感增加，需要搭接不與土壤接觸的地面接地網(wǎng)。

以上三條奠定了變電站搭接地面等電位接地網(wǎng)與地下主接地網(wǎng)共同組成的接地系統(tǒng)，以適應(yīng)二次設(shè)備抗電磁干擾要求的理論依據(jù)。

（References）

[1]國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議36.4工作組.發(fā)電廠和變電站電磁兼容導(dǎo)則[S].北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院,2000.

CIGRE,36.4 Work Group.Power plants and substa?tions electromagnetic compatibility guidelines[S]. Beijing:China Electric Power Research Institute, 2000.

[2]國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部.國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)重大反事故措施（修改版）及編制說(shuō)明[S].北京:中國(guó)電力出版社,2012.

The Operation,Maintenance and Overhaul Depart?ment of State Grid Corporation of China.The eigh?teen major anti-accident measures of State Grid Corporation of China(revised version)and explana?tion[S].Beijing:China Electric Power Press,2012.

[3]楊繼深.電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與認(rèn)證[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

Yang Jishen.EMC's product development and certi?fication[M].Beijing:Electronic Industry Press，2004.

Grounding of Secondary System in Smart Substation: (1)Theoretical Study

YIN Jiangang1，HUANG Xunxun2，HUANG Xuyin3，ZHANG Ting4
(1.State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China; 2.Zhongneng Power-Tech Development Co.,Ltd.,Beijing 100034,China; 3.Beijing Sifang Automation Co.Ltd.,Beijing 100085,China; 4.Central Southern China Electric Power Design Insititue Co.Ltd.,Wuhan Hubei 430071,China)

The uncharged conductors on the ground are connected to each other by high conductiv?ity conductors to form a three-dimensional multi-loop equipotential ground network.The network is connected with the main grounding network on proper points,which constitutes the grounding sys?tem of the whole substation.The equipments can conveniently implement lead-free or lead short grounding through the grounding system,which reduces conducted interference and ground poten?tial difference interference caused by the conduction current,and further reduces the effectiveness of the grounding impedance.These measures can eliminate or reduce the coupling loop interference.

sensitive source；disturbance source;coupling path;equipotential grounding network

TM862

A

1006-3986(2016)04-0001-04

10.19308/j.hep.2016.04.001

2016-03-06

殷建剛 (1971)，男，江蘇江陰人，高級(jí)工程師。