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分享屏蔽電纜的接地方式

發布時間:2016/10/25 點擊量:
 本文分析了屏蔽電纜抗電磁幹擾的技術特性,闡述了屏蔽電纜應用中屏蔽層的接地方式。
1. 屏蔽電纜技術特性
 
随着電力系統容量的增加和自动化水平的不斷提高,現在電力系統的二次設備已经廣泛的使用集成電路型或微機型的保護裝置,这些保護裝置的應用對提高系統的穩定運行是很有用的。但是相應的也提出来一些新的問題。比如因为微機保護裝置都是采用的電子元件,單片機来構成的,而它是運行在高電壓的環境下,这就有如何来抗電磁幹擾的問題。而以前的常規電磁式保護裝置受这方面的影響就不是很明顯。
 
因此在高壓變電所中,所有用于連接由開關場引入控制室繼電保護設備的電流、電壓和直流跳閘等可能由開關場引入幹擾電壓到基于微電子器件的繼電保護的二次回路,都應采用帶屏蔽層的控制電纜。高壓變電所内为抑制電磁幹擾而采用屏蔽電纜,其屏蔽層如何正确接地對降低外部電磁場對微機型二次設備的幹擾水平,起着重要作用。
 
屏蔽電纜的幹擾源再外導線中電流産生的磁通以虛線同心圓表示,这些磁通的一部分包圍屏蔽電纜芯和其屏蔽層(可近似認为包圍这兩種的磁通相等),稱为幹擾磁通,如圖1(a)所示。它在電纜芯和屏蔽層中感生一電勢Es(。),産生屏蔽層電流Is(。),如圖1(b)所示。電勢Es(。)等于屏蔽層電流在屏蔽層電阻Rs和自感抗上Xs的電壓降落,即:Es(。)= Is(。)Rs+jIs(。)Xs
 
屏蔽層電流所産生的磁通包圍着屏蔽層,也全部包圍着電纜芯,这些磁通和外導線産生的幹擾磁通方向相反,故稱为反向磁通,在圖1(a)中以實線同心圓表示。按電磁感應原理可知,在理想情況下,如果屏蔽層電阻为零,这種反向磁通可将幹擾磁通全部抵消,即反向磁通在電纜芯中産生的互感電动勢Er(。)和幹擾磁通在電纜芯中感應的電动勢Es(。)大小相等,方向相反。設屏蔽層對電纜芯的互感抗为Xm,則:Er(。)=-jIs(。)Xm
 
因屏蔽層将電纜芯完全包圍在内,故Xm=Xs。從上式可看出,如果屏蔽層電阻Rs=0,則Es(。)=- Er(。)。但是屏蔽層不可能沒有電阻,故幹擾磁通在電纜芯中感應的電动勢不能被抵消的部分为Es(。)+ Er(。)= Is(。)Rs,即與屏蔽層的電阻成正比。因此,要有效地消除電磁耦合的幹擾,就必須采用電阻系數小的材料如銅、鋁等做成屏蔽層。
 
2.屏蔽電纜的接地
 
屏蔽電纜的平衡特性較差,因此良好的屏蔽完整性和良好的接地對屏蔽電纜来說是非常重要的。屏蔽接地是为防止電氣設備因受電磁幹擾,而影響其工作或對其它設備造成電磁幹擾的屏蔽設備的接地。
 
采用帶屏蔽層的控制電纜,且屏蔽層在開關場和控制室兩端同時接地,是来國際通用的一種有效的二次回路抗電磁幹擾措施。由IEEE變電所专委會工作組與繼電器環境分专委會工作組提出的“變電所中控制與低壓電纜系統的選擇和安裝”文件中,专門有一節“控制電纜的金屬屏蔽能降低感應暫态電壓”談到相關問題:“推薦屏蔽電纜将屏蔽層在兩端接地。必須特别保持屏蔽的完整性,拆斷或分開屏蔽将極大地降低屏蔽效率;如果屏蔽隻在一端接地,在非接地端的包皮對地将可能出現很高的暫态電壓。”
 
控制屏蔽電纜屏蔽層兩端接地的的優點是:
 
①當控制電纜为母線暫态電流産生的磁通所包圍時,在電纜的屏蔽層中将感應出屏蔽電流,由屏蔽電流産生的磁通,将抵銷母線暫态電流産生的磁通對電纜芯線的影響。假定屏蔽作用理想,兩者共同作用的結果,将使被屏蔽層完全包圍的電纜芯線中的磁通为零,屏蔽層形成了一個理想的法拉第籠。这也和帶有二次短路線圈的理想變壓器一樣,鐵芯中的磁通将为零。當然,屏蔽層的屏蔽作用,由于各種原因,不可能完全理想,因此,被屏蔽的芯線在母線暫态電流的作用下,仍然會感應出一定的電壓。
 
②屏蔽層兩端接地,可以降低由于地電位升産生的暫态感應電壓。
 
當雷電经避雷器注入地網,使變電所地網中的沖擊電流增大時,将産生暫态的電位波动,同時地網的視在接地電阻也将暫時升高。對變電所地電位升 的測定結果說明,與正常交流電阻相比,地電阻常常增大10倍以上。當低壓控制電纜在上述地電位升的附近敷設時,電纜電位的波动而受幹擾。因此,接地浪湧電流引入的地電位升将可能對低壓控制回路的絕緣配合帶来嚴重影響。
 
为了定量地估計當雷電注入變電所地網時在控制電纜纜芯中引起的暫态感應的數量,在30個變電所中進行人工注入地網較小沖擊電流(100~4000A)時測定的電壓情況。測定了兩種電纜屏蔽情況下的暫态電壓,一是無金屬屏蔽的電纜,二是有金屬屏蔽且兩端接地的電纜。試验證明采用兩端接地的屏蔽電纜,可以将暫态感應電壓抑制为原值的10%以下,是降低幹擾電壓的一種有效措施。
3. 屏蔽電纜結論
 
屏蔽電纜的屏蔽層有兩種接地方式,即兩端接地和一端接地。一端接地時,屏蔽層電壓为零,可顯著減少靜電感應電壓;兩端接地使電磁感應在屏蔽層上産生一個感應縱向電流,該電流産生一個與主幹擾相反的二次場,抵消主幹繞場的作用,顯著降低磁場耦合感應電壓,可将感應電壓降到不接地時感應電壓的1%以下。
 
屏蔽電纜的屏蔽層兩端接地存在以下兩個問題:①當接地網上出現短路電流或雷擊電流時,由于電纜屏蔽層兩點的電位不同,使屏蔽層内流過電流,将引起額外的沖擊或幹擾電壓。②當屏蔽層内流過電流時,對每個芯線将産生幹擾信号,但電纜芯所在回路为強電回路因而屏蔽層電流産生的幹擾信号影響較小。
 
但對應用于繼電保護和自动裝置回路的屏蔽電纜,由于其輸入和輸出均有一端在開關場的高壓或超高壓環境中,電磁感應幹擾是主要矛盾,防止暫态過電壓,故繼電保護和自动裝置規程規定屏蔽層宜在兩端接地。