防雷技术

浅析屏蔽电缆的接地方式



[摘 要]文中分析了屏蔽电缆抗电磁干扰的技术特性，阐述了屏蔽电缆应用中屏蔽层的接地方式。
　　[关键词] 屏蔽电缆 抗干扰 接地

1. 屏蔽电缆技术特性

　　随着电力系统容量的增加和自动化水平的不断提高，现在电力系统的二次设备已经广泛的使用集成电路型或微机型的保护装置，这些保护装置的应用对提高系统的稳定运行是很有用的。但是相应的也提出来一些新的问题。比如因为微机保护装置都是采用的电子元件，单片机来构成的，而它是运行在高电压的环境下，这就有如何来抗电磁干扰的问题。而以前的常规电磁式保护装置受这方面的影响就不是很明显。

　　因此在高压变电所中，所有用于连接由开关场引入控制室继电保护设备的电流、电压和直流跳闸等可能由开关场引入干扰电压到基于微电子器件的继电保护的二次回路，都应采用带屏蔽层的控制电缆。高压变电所内为抑制电磁干扰而采用屏蔽控制电缆，其屏蔽层如何正确接地对降低外部电磁场对微机型二次设备的干扰水平，起着重要作用。

















　　屏蔽控制电缆的干扰源再外导线中电流产生的磁通以虚线同心圆表示，这些磁通的一部分包围控制电缆芯和其屏蔽层（可近似认为包围这两种的磁通相等），称为干扰磁通，如图1（a）所示。它在电缆芯和屏蔽层中感生一电势Es(。)，产生屏蔽层电流Is(。)，如图1（b）所示。电势Es(。)等于屏蔽层电流在屏蔽层电阻Rs和自感抗上Xs的电压降落，即：

Es(。)= Is(。)Rs+jIs(。)Xs

　　屏蔽层电流所产生的磁通包围着屏蔽层，也全部包围着电缆芯，这些磁通和外导线产生的干扰磁通方向相反，故称为反向磁通，在图1（a）中以实线同心圆表示。按电磁感应原理可知，在理想情况下，如果屏蔽层电阻为零，这种反向磁通可将干扰磁通全部抵消，即反向磁通在电缆芯中产生的互感电动势Er(。)和干扰磁通在电缆芯中感应的电动势Es(。)大小相等，方向相反。设屏蔽层对电缆芯的互感抗为Xm，则：

Er(。)=-jIs(。)Xm

　　因屏蔽层将电缆芯完全包围在内，故Xm=Xs。从上式可看出，如果屏蔽层电阻Rs=0，则Es(。)=- Er(。)。但是屏蔽层不可能没有电阻，故干扰磁通在电缆芯中感应的电动势不能被抵消的部分为Es(。)+ Er(。)= Is(。)Rs，即与屏蔽层的电阻成正比。因此，要有效地消除电磁耦合的干扰，就必须采用电阻系数小的材料如铜、铝等做成屏蔽层。

2.屏蔽控制电缆的接地

　　屏蔽电缆的平衡特性较差，因此良好的屏蔽完整性和良好的接地对屏蔽电缆来说是非常重要的。屏蔽接地是为防止电气设备因受电磁干扰，而影响其工作或对其它设备造成电磁干扰的屏蔽设备的接地。

　　采用带屏蔽层的控制电缆，且屏蔽层在开关场和控制室两端同时接地，是来国际通用的一种有效的二次回路抗电磁干扰措施。由IEEE变电所专委会工作组与继电器环境分专委会工作组提出的“变电所中控制与低压电缆系统的选择和安装”文件中，专门有一节“控制电缆的金属屏蔽能降低感应暂态电压”谈到相关问题：“推荐带屏蔽的控制电缆将屏蔽层在两端接地。必须特别保持屏蔽的完整性，拆断或分开屏蔽将极大地降低屏蔽效率；如果屏蔽只在一端接地，在非接地端的包皮对地将可能出现很高的暂态电压。”控制电缆屏蔽层两端接地的的优点是：

　　①当控制电缆为母线暂态电流产生的磁通所包围时，在电缆的屏蔽层中将感应出屏蔽电流，由屏蔽电流产生的磁通，将抵销母线暂态电流产生的磁通对电缆芯线的影响。假定屏蔽作用理想，两者共同作用的结果，将使被屏蔽层完全包围的电缆芯线中的磁通为零，屏蔽层形成了一个理想的法拉第笼。这也和带有二次短路线圈的理想变压器一样，铁芯中的磁通将为零。当然，屏蔽层的屏蔽作用，由于各种原因，不可能完全理想，因此，被屏蔽的芯线在母线暂态电流的作用下，仍然会感应出一定的电压。


②屏蔽层两端接地，可以降低由于地电位升产生的暂态感应电压。

　　当雷电经避雷器注入地网，使变电所地网中的冲击电流增大时，将产生暂态的电位波动，同时地网的视在接地电阻也将暂时升高。对变电所地电位升 的测定结果说明，与正常交流电阻相比，地电阻常常增大10倍以上。当低压控制电缆在上述地电位升的附近敷设时，电缆电位的波动而受干扰。因此，接地浪涌电流引入的地电位升将可能对低压控制回路的绝缘配合带来严重影响。

　　为了定量地估计当雷电注入变电所地网时在控制电缆缆芯中引起的暂态感应的数量，在30个变电所中进行人工注入地网较小冲击电流（100～4000A）时测定的电压情况。测定了两种电缆屏蔽情况下的暂态电压，一是无金属屏蔽的电缆，二是有金属屏蔽且两端接地的电缆。试验证明采用两端接地的屏蔽电缆，可以将暂态感应电压抑制为原值的10%以下，是降低干扰电压的一种有效措施。

3.高频同轴电缆的接地

　　高频同轴电缆回路与二次电压电缆回路有一个重要不同点：一般控制回路用电缆的屏蔽层，专为屏蔽而设置，必须在两端接地，而高频同轴电缆的屏蔽层则一身而兼而任，除起屏蔽作用外，同时又是高频通道的回程导线。

　　高频同轴电缆屏蔽层一点接地时，在隔离开关操作空母线时，将暂态电磁场的能量通过连接在线路上的设备直接耦合至二次回路，必然在另一端产生高暂态电压。在我国的情况，将在收发信机端子上产生高电压，烧毁收发信机里的元件。这在我局的220KV平春站已出现过类似的情况，当时由于只是在高频同轴电缆屏蔽层一点接地，收发信机又是晶体管型的。只要操作隔离开关时，收发信机里的元件就会被烧毁，后来在操作隔离开关时用记忆示波表在高频同轴电缆上测到有几千伏的高暂态电压，从而导致收发信机被烧毁。后来我们将高频同轴电缆屏蔽层两点接地，在操作隔离开关时，就不在发生类似的情况。

　　到收发信机端子的干扰电压，一是可能中断收发信机的正常工作，对保护通道说来是一种危险的情况；如果干扰电压水平很高，会损害收发信机的部件，当然也不能允许。为了高频保护的可靠工作，因此高频电缆应当在开关场和控制室两端同时接地。而为了进一步降低两端间的地电位差，和尽可能降低屏蔽层两端间因两端接地而引入的由通过屏蔽电流引起的电压降，又规定与同轴电缆并联敷设近邻的100mm2粗铜导线。

4.结论

　　屏蔽电缆的屏蔽层有两种接地方式，即两端接地和一端接地。一端接地时，屏蔽层电压为零，可显著减少静电感应电压；两端接地使电磁感应在屏蔽层上产生一个感应纵向电流，该电流产生一个与主干扰相反的二次场，抵消主干绕场的作用，显著降低磁场耦合感应电压，可将感应电压降到不接地时感应电压的1%以下。

　　屏蔽电缆的屏蔽层两端接地存在以下两个问题：

　　①当接地网上出现短路电流或雷击电流时，由于电缆屏蔽层两点的电位不同，使屏蔽层内流过电流，将引起额外的冲击或干扰电压。

　　②当屏蔽层内流过电流时，对每个芯线将产生干扰信号，但电缆芯所在回路为强电回路因而屏蔽层电流产生的干扰信号影响较小。

　　但对应用于继电保护和自动装置回路的屏蔽电缆，由于其输入和输出均有一端在开关场的高压或超高压环境中，电磁感应干扰是主要矛盾，防止暂态过电压，故继电保护和自动装置规程规定屏蔽层宜在两端接地。