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(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031;2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041)
變電站二次系統(tǒng)等電位接地網(wǎng)敷設(shè)方式研究綜述
周思宇1,陳洛風(fēng)2,杜洪波2,張利丹2
(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031;
2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041)
近年來,隨著智能化變電站的興建,大量使用了基于數(shù)字電路原理工作的設(shè)備,這對二次系統(tǒng)抗干擾的能力提出了更高的要求,合理的二次系統(tǒng)等電位接地方式顯得尤為重要。首先,對二次系統(tǒng)等電位接地網(wǎng)的敷設(shè)方式研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié),涵蓋了等電位接地網(wǎng)總體敷設(shè)原則、室內(nèi)外接地銅排敷設(shè)常見問題、等電位接地網(wǎng)和主接地網(wǎng)連接方式3個(gè)部分核心內(nèi)容。最后分析了目前研究存在的問題和未來的研究方向。
二次設(shè)備;等電位接地網(wǎng);接地銅排;主接地網(wǎng)
隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,電壓等級和系統(tǒng)容量都在不斷提高,二次系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)、測量、控制水平也在不斷提升,微處理器數(shù)字設(shè)備在二次系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。相較于老式的電磁設(shè)備,電子元件擁有更高的靈敏度,但抗干擾能力明顯減弱,對高頻信號、暫態(tài)干擾具有敏感性。在二次系統(tǒng)中,幾乎所有的電氣量都通過二次電纜引入設(shè)備,因此,系統(tǒng)故障時(shí)的各種暫態(tài)環(huán)境,諸如雷電過電壓、故障過電壓、電磁輻射等均易對二次電纜產(chǎn)生干擾,影響二次設(shè)備的運(yùn)行。因此,研究二次系統(tǒng)接地方式,優(yōu)化等電位接地網(wǎng)的敷設(shè)方法,對削弱電磁干擾,提高二次設(shè)備運(yùn)行的完全性、可靠性有重大意義[1-2]。
國外對二次設(shè)備抗干擾的研究,主要集中在變電站電磁環(huán)境及其相關(guān)算法上,未有文獻(xiàn)涉及二次系統(tǒng)等電位接地網(wǎng)敷設(shè)研究。國內(nèi),國家電網(wǎng)公司頒布了《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大事故措施(修訂版)及編制說明》(以下簡稱《反措》),其中明確指出二次系統(tǒng)應(yīng)敷設(shè)與主接地網(wǎng)緊密連接的等電位接地網(wǎng)[3]。但《反措》對一些細(xì)節(jié)問題并沒能做出確切的規(guī)定,導(dǎo)致各變電站等電位接地網(wǎng)的敷設(shè)方式無法統(tǒng)一。
下面通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的研究,從總體敷設(shè)原則、室內(nèi)外接地銅排敷設(shè)常見問題、與主接地網(wǎng)連接方式3個(gè)方面總結(jié)了等電位接地網(wǎng)的敷設(shè)方式,分析了現(xiàn)有研究的不足并對未來研究方向做了展望。
對于等電位接地網(wǎng)適用的電壓等級范圍,《反措》中并未明確說明。文獻(xiàn)[4]通過分析認(rèn)為,敷設(shè)等電位接地網(wǎng)的目的,是為了防止在發(fā)生接地故障時(shí)故障電流侵入二次電纜屏蔽層繼而對二次設(shè)備產(chǎn)生影響,因此,當(dāng)變電站為不接地系統(tǒng)時(shí),例如35 kV或10 kV變電站,可無需設(shè)置等電位接地網(wǎng)。對于110 kV及以上電壓等級的變電站,因能產(chǎn)生較大的地電位差,則需設(shè)置等電位接地網(wǎng)。文獻(xiàn)[5]則認(rèn)為,220 kV及以上電壓等級的變電站,需敷設(shè)獨(dú)立的等電位接地網(wǎng),110 kV變電站至少應(yīng)敷設(shè)室內(nèi)的等電位接地網(wǎng)。文獻(xiàn)[6]指出,應(yīng)以220 kV電壓等級為界限,220 kV及以上電壓等級需敷設(shè)全站等電位接地網(wǎng)。
《反措》中對等電位接地網(wǎng)的敷設(shè)原則已做了詳細(xì)的要求,文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上指出,室內(nèi)等電位接地銅排應(yīng)首尾相連,形成“目”字形環(huán)狀網(wǎng)絡(luò),具體連接方式如圖1所示。
圖1 室內(nèi)等電位接地網(wǎng)敷設(shè)方案
隨著智能變電站的大量興建,對于光纖和電纜的使用有了一些變化。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為,雖然光纖對于故障干擾不敏感,但雷擊仍可以通過金屬成分進(jìn)入,因此光纜的金屬鎧甲應(yīng)接地,智能變電站仍需敷設(shè)等電位接地網(wǎng)。文獻(xiàn)[8]通過理論分析認(rèn)為,智能變電站應(yīng)利用高導(dǎo)電率導(dǎo)體將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)備外殼等連接起來,構(gòu)建三維接地網(wǎng),再與主接地網(wǎng)在合適位置連接,有效地降低了傳導(dǎo)干擾。文獻(xiàn)[9]提出了一種室內(nèi)組合式二次設(shè)備一體化接地方案運(yùn)用于智能變電站。
《反措》中雖然規(guī)定了等電位接地網(wǎng)的基本敷設(shè)原則,但對室內(nèi)屏柜內(nèi)部、室外電纜溝等接地銅排的設(shè)置方式,并未提出明確規(guī)定,導(dǎo)致目前在施工中沒有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),容易引發(fā)事故。
目前屏柜內(nèi)部接地銅排的設(shè)置,一般有3種方式:設(shè)置1根接地銅排并與柜體連接;設(shè)置1根接地銅排與柜體絕緣;設(shè)置2根接地銅排,1根與柜體連接,1根與柜體絕緣。
文獻(xiàn)[7]提出室內(nèi)保護(hù)屏柜下部應(yīng)安裝截面積不小于100 mm2的接地銅排,并通過小絕緣子與柜體相連。屏柜內(nèi)的保護(hù)設(shè)備、電纜屏蔽線及電壓、電流互感器接地線均連至接地銅排。文獻(xiàn)[10]同樣認(rèn)為所有保護(hù)屏柜內(nèi)的接地銅排應(yīng)與柜體絕緣,所有二次接地全部接至接地銅排。具體接線方式如圖2所示。
圖2 屏柜內(nèi)接地銅排應(yīng)用方案1
文獻(xiàn)[11]提出,室內(nèi)保護(hù)控制柜內(nèi)部設(shè)置的接地銅排不應(yīng)與柜體絕緣。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為,屏柜內(nèi)部的接地銅排若使用絕緣子與柜體相連,當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí),柜體接地銅排和柜體內(nèi)的設(shè)備間將形成高電位差,造成反擊,因此,屏柜內(nèi)接地銅排與柜體間不應(yīng)使用絕緣子,應(yīng)使用短線技術(shù),將柜體內(nèi)接地銅排和室內(nèi)等電位接地網(wǎng)就近相連,使得柜體及內(nèi)部二次設(shè)備始終保持等電位。文獻(xiàn)[13]同樣認(rèn)為柜體與屏柜內(nèi)接地銅排絕緣連接會導(dǎo)致屏柜內(nèi)產(chǎn)生高電位差,損壞微機(jī)設(shè)備。具體接線方式如圖3。
圖3 屏柜內(nèi)接地銅排應(yīng)用方案2
文獻(xiàn)[14]指出,二次屏柜內(nèi)部需設(shè)置2根接地銅排。1根為主接地網(wǎng)銅排,與柜體焊接,柜內(nèi)裝置機(jī)箱外殼接地線與屏柜門接地線連接至此銅排。1根為等電位接地網(wǎng)專用銅排,電纜屏蔽層和電流、電壓互感器二次回路N線接至此銅排。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為,電纜屏蔽層和裝置接地端子都應(yīng)接至等電位接地銅排,如圖4所示。文獻(xiàn)[4]卻認(rèn)為,各裝置的抗干擾接地和交流電源接地應(yīng)接至主接地網(wǎng)銅排上,如圖5所示。
圖4 屏柜內(nèi)接地銅排應(yīng)用方案3
圖5 屏柜內(nèi)接地銅排應(yīng)用方案4
文獻(xiàn)[16]通過對屏柜內(nèi)部接地銅排不同設(shè)置方式進(jìn)行研究,指出在圖2的連接方式中二次裝置連接到接地銅排,但裝置箱體與柜體接觸連接,形成“主接地網(wǎng)—接地槽鋼—柜體—二次設(shè)備—接地銅排—等電位接地網(wǎng)”的通路,這種連接方式將干擾引入到了二次設(shè)備,并形成了多點(diǎn)接地。而圖3的連接方式,則形成了“主接地網(wǎng)—接地槽鋼—柜體—接地銅排—等電位接地網(wǎng)”的通路,雖然也形成了多點(diǎn)接地,但防止了干擾進(jìn)入二次設(shè)備中。因此,在只設(shè)置1根接地銅排時(shí),宜采用圖3的接線方式,即接地銅排與柜體不絕緣。當(dāng)柜內(nèi)設(shè)置2根接地銅排時(shí),圖4的連接方式同樣造成了多點(diǎn)連接,且將干擾引入裝置。因此,宜采用圖5的連接方式,裝置均接至主接地網(wǎng)銅排,電纜屏蔽層接至等電位接地網(wǎng)專用銅排。
文獻(xiàn)[17]還提出另一種觀點(diǎn),屏柜底部槽鋼不與主接地網(wǎng)連接,而與等電位接地網(wǎng)連接,從而保證屏柜內(nèi)部無電位差,具體接線方式如圖6所示。
圖6 屏柜內(nèi)接地銅排應(yīng)用方案5
對于電纜溝內(nèi)等電位接地銅排的鋪設(shè),普遍認(rèn)為應(yīng)使用100 mm2的裸銅排通過小絕緣子固定在電纜支架上,如圖7所示[14]。
圖7 電纜溝內(nèi)銅排布設(shè)圖
但是,對于室外電纜溝內(nèi)銅排的整體布局,以及銅排與主接地網(wǎng)在電纜溝內(nèi)是否應(yīng)該連接,仍存在爭議。
文獻(xiàn)[18]提出,電纜溝內(nèi)的接地銅排應(yīng)首尾相連,形成一個(gè)覆蓋所有二次端子箱的環(huán)網(wǎng)。文獻(xiàn)[11]也認(rèn)為電纜溝的接地銅排應(yīng)搭接成閉合環(huán)網(wǎng)。但文獻(xiàn)[5]指出,室外二次接地系統(tǒng)不宜首尾相連,否則當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí),容易形成環(huán)流,對二次設(shè)備影響較大。文獻(xiàn)[10]也認(rèn)為電纜溝內(nèi)的接地銅排應(yīng)布置成“M”字形的開放式結(jié)構(gòu),不宜布置成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),防止形成環(huán)流。
對于電纜溝內(nèi)接地銅排和主接地網(wǎng)的連接,文獻(xiàn)[4]提出,室外等電位接地網(wǎng)在電纜的首末兩端不與主接地網(wǎng)直接連接,而在電纜的中間部位與主接地網(wǎng)緊密連接,連接方式見圖8。文獻(xiàn)[19-20]認(rèn)為在電纜溝遠(yuǎn)端處及溝內(nèi)每隔約15~20 m并靠近就地端子箱的位置上,等電位接地銅排與主接地網(wǎng)相接一次。而文獻(xiàn)[10,15]卻認(rèn)為在電纜溝內(nèi),等電位接地銅排不應(yīng)與主接地網(wǎng)相連接,否則在發(fā)生接地故障時(shí),相當(dāng)于在接地銅排上T接了一個(gè)電源,進(jìn)而對電纜屏蔽層的抗干擾效果產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[17]分析提出,當(dāng)戶外端子箱內(nèi)的接地銅排和箱體絕緣時(shí),端子箱附近發(fā)生接地故障將使箱體和接地銅排間形成高電位差,因此應(yīng)在端子箱附近選擇合適位置將等電位接地網(wǎng)和主接地網(wǎng)可靠連接,而在其余地方,兩者應(yīng)絕緣。文獻(xiàn)[21]指出,在此基礎(chǔ)上端子箱內(nèi)接地銅排應(yīng)同時(shí)與等電位接地網(wǎng)和主接地網(wǎng)連接。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,在室外電纜溝的末梢處,等電位接地網(wǎng)均應(yīng)與主接地網(wǎng)一點(diǎn)連接。
圖8 電纜溝內(nèi)銅排連接圖
對于等電位接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)的連接方式,《反措》中有如下規(guī)定:保護(hù)室內(nèi)的等電位接地網(wǎng)與廠、站的主接地網(wǎng)只能存在唯一連接點(diǎn),連接點(diǎn)位置宜選擇在電纜豎井處。沿二次電纜溝道鋪設(shè)截面不小于100 mm2的銅纜(排),并在保護(hù)室(控制室)及開關(guān)場的就地端子箱處與主接地網(wǎng)緊密連接,保護(hù)室(控制室)的連接點(diǎn)宜設(shè)在室內(nèi)等電位接地網(wǎng)與廠、站主接地網(wǎng)連接處。
現(xiàn)有文獻(xiàn)中,有學(xué)者提出了不同的觀點(diǎn)。文獻(xiàn)[22-23]提出,為了防止將干擾引入二次系統(tǒng),將不同部分的等電位接地網(wǎng)連接形成全廠的等電位接地網(wǎng),并與主接地網(wǎng)一點(diǎn)連接,其余部分保持良好的絕緣,真正實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)連接。文獻(xiàn)[24]運(yùn)用電磁暫態(tài)軟件ATP-Draw,對等電位接地網(wǎng)一點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地進(jìn)行了仿真分析,再搭建模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,等電位接地網(wǎng)一點(diǎn)接地不但不能消除電位差,反而會將干擾引入二次系統(tǒng),多點(diǎn)接地才能確保雷擊等造成的地電位差不對二次系統(tǒng)產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[1,12]也同樣通過仿真分析指出,等電位接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)多點(diǎn)連接是更優(yōu)方案。文獻(xiàn)[8]通過理論分析指出,單點(diǎn)接地的方式,并不適合頻率較高的場合,對于高頻設(shè)備,應(yīng)就近接地,構(gòu)成環(huán)路狀多點(diǎn)接地。
文獻(xiàn)[25]運(yùn)用能夠考慮接地體上電位降的矩量法,建立了一個(gè)簡化的等電位接地網(wǎng)計(jì)算模型。通過比較工頻故障和雷擊下室內(nèi)等電位接地網(wǎng)一點(diǎn)接地、兩點(diǎn)接地、四點(diǎn)接地3種不同方案得出:在一點(diǎn)接地時(shí),在不顯著提升屏蔽層內(nèi)最大故障電流的情況下,可以大幅降低電纜上承受的電壓,因此每個(gè)室內(nèi)等電位接地網(wǎng)單點(diǎn)接地是最佳設(shè)計(jì)方案。同時(shí)還指出,全站等電位接地網(wǎng)整體一點(diǎn)接地的情況下,雖然等電位接地網(wǎng)內(nèi)部的電位差很?。坏珪?dǎo)致連接點(diǎn)遠(yuǎn)端和主接地網(wǎng)產(chǎn)生很大的電位差,造成設(shè)備的絕緣擊穿,所以,不建議全站等電位接地網(wǎng)和主接地網(wǎng)一點(diǎn)連接。
《反措》中給出了等電位接地網(wǎng)的敷設(shè)方法,但在一些關(guān)鍵問題上,并沒有做出明確的闡述。針對等電位接地網(wǎng)的設(shè)置,現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料十分有限,研究存在諸多不足,現(xiàn)總結(jié)如下:
1) 現(xiàn)有研究大多以理論分析為主。僅通過理論,缺乏相應(yīng)的仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,給出的觀點(diǎn)難以令人信服。
2) 在相同的問題上,往往會出現(xiàn)幾種不同的觀點(diǎn),甚至某些觀點(diǎn)之間相互矛盾,無法達(dá)成統(tǒng)一,無法對實(shí)際施工做出有效的指導(dǎo)。
3) 現(xiàn)有仿真分析或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證中所建立的等電位接地網(wǎng)模型都過于簡單,利用現(xiàn)有模型無法對全站等電位接地網(wǎng)進(jìn)行有效的研究。并且,現(xiàn)有的仿真或?qū)嶒?yàn)因?yàn)榻鉀Q問題的角度不同,也無法得出統(tǒng)一的結(jié)論。
對于未來等電位接地網(wǎng)的研究,應(yīng)以現(xiàn)有研究成果為基礎(chǔ),結(jié)合智能變電站的發(fā)展,建立更為全面、更為精確的等電位接地網(wǎng)仿真模型,并搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行驗(yàn)證,得出更為合理的二次系統(tǒng)等電位接地網(wǎng)敷設(shè)方案。
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In recent years, with the construction of smart substations, the equipment based on digital circuits is extensively used, which proposes higher requirements for the anti-interference ability of secondary system. A reasonable equipotential grounding mode of secondary system is particularly important. he research status of laying methods for equipotential ground screen of secondary system is summarized, covering the overall laying principle of equipotential ground screen, the common problems of laying indoor and outdoor equipotential ground screen, and the connection between equipotential ground screen and main grounding grid. Finally, the existing problems and future research directions are analyzed.
secondary device; equipotential ground screen; ground copper bar; main grounding grid
TM862
A
1003-6954(2017)06-0024-04
周思宇(1991),碩士研究生,研究方向?yàn)樽冸娬窘拥亍?/p>
2017-10-14)