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控制电缆屏蔽层接地方式存在的问题

[当前栏目:控制电缆]      [发布日期:2016-11-13]
控制电缆屏蔽层接地方式存在的问题
        近年来,综合自动化技术在变电站中得到了广泛的应用。微机型二次设备要想在这样一个高强度电磁场、强电磁干扰环境下安全、可靠的运行,需要满足两个条件:一是这些二次设备应具有一定的耐受电磁干扰的能力;二是进入设备的电磁干扰水平必须低于设备自身的耐受水平,即要求尽量减少由控制电缆侵入的干扰和降低干扰信号的水平,选择合适的屏蔽和接地的方法。提高二次电缆抗干扰的防护水平,需要正确理解电缆屏蔽层的作用及屏蔽层应如何正确接地。本文主要就控制电缆屏蔽层电缆接地方式,结合变电站的主要干扰途径、原理、屏蔽层作用等因素进行讨论,并提出相应改进措施。
  1 问题的提出和原因分析
  升华热电厂变电站是2005年新投建的35 kV等级变电站,全站采用南京力导微机保护装置。变电站位于钟管镇,属于多雷区,年平均雷暴日为34天,雷暴强度较大。在投运后不久遭受雷害,发生烧毁微机保护装置的事故。 信息来自:输配电设备网
  雷电是一种强烈的大气过电压,损坏设备可分为两种情况,一种是受雷电直击,直击站内设备概率很低;绝大多数损坏为感应造成,通过耦合二次回路感应干扰电压等途径对设备产生间接的有害影响。连接导线与设备的电缆端口是电磁干扰的主要传播途径,以电源线、接地线、信号线等方式传播。通过检查发现:电源线串有抗干扰低通滤波电容,电源模块采用的是高频开关,外壳金属接地线及保护接地均完好,初步怀疑是由信号控制线引入的。经过现场进一步察勘:电缆沟内未采取多路分层的敷设方式,由于场地限制使众多控制电缆密集的排列于电缆沟内,且电缆沟内控制电缆与接地线、固定电缆的钢筋紧贴在一起,并且控制屏蔽电缆未采取接地措施。据现场运行人员测量,雷击过后控制电缆的屏蔽层电压达200 V。因此,得出结论:升华热电厂内微电子设备众多,各种线路、电缆错综复杂并且大多敷设于电缆沟中与地线紧贴,当控制电缆与接地线在同一条电缆沟布置时,地线遭受雷击后会在周围产生强烈的电磁场使控制电缆缆芯间及芯地间产生感应过电压,从而误发信、误动作,严重的甚至损坏微机保护设备。
  2 变电站的主要干扰传播途径
  变电站的电磁干扰(EMI)途径按介质分为传导性干扰和辐射性干扰两大类。传导性干扰是指通过电源线路、接地线和信号线传播的干扰;辐射性干扰是指通过空间传播的干扰。按性质又可分为电容耦合、电感耦合[1] 。电磁干扰以电磁场的形式存在,主要通过电场、磁场、电磁场等途径对信号传输线及设备信号产生影响。 信息来源:http://www.tede.cn
  2.1 电容耦合
  由于电气设备间存在着分布电容,变电站高压母线及设备上的电压通过分布电容在控制电缆系统中产生干扰电压。
  电压愈高,产生的电容耦合强度愈强,高压部分距离二次设备愈近,其电容耦合强度愈强。
  2.2 电感耦合
  变电站高压母线等一次设备流过交变的电流,将在控制电缆敷设空间产生交变的磁场,由于磁场的变化,就会在控制电缆中产生感应电压。干扰电压的大小由互感的大小来决定,由一次设备与二次电缆的相互间空间位置来决定。
  在生产实际中,各种干扰源对二次回路的耦合方式是非常复杂的,同一干扰源往往会以多种干扰方式作用于二次回路。根据不同的干扰源,采取相应的抗干扰措施,总结抗干扰的经验,逐渐达到变电站电磁兼容的要求。
  3 屏蔽电缆的作用及屏蔽层接地方式比较
  目前大多变电站采取的防护电磁干扰手段是采用屏蔽电缆。控制、信号电缆多用带镀层的细铜丝编织层构成的编织层,屏蔽层一般能覆盖90%。针对变电站一次设备对二次控制电缆的干扰,目前我们主要采用的抗干扰方法是电缆屏蔽层接地,有两种方式:电缆屏蔽层一端接地;电缆屏蔽层两端接地。现对两种抗干扰方式特点及适用条件加以讨论。 信息来源:http://tede.cn
  3.1 防止电容耦合
  不接地的屏蔽层对电场干扰没有屏蔽作用,而一端接地和两端接地的屏蔽层对电场的屏蔽效果是一样的。如果屏蔽层接地良好,则电场终止于屏蔽体直接耦合到地。
  屏蔽电缆的金属屏蔽层具有静电屏蔽作用,使一次线高压电源的强电力线终止于金属屏蔽,内部的电场强度为零,从而使处于屏蔽层内的芯线免受外部强电场的干扰影响。从静电屏蔽的角度出发,为了使屏蔽层表面是一个固定的等电位面,应将屏蔽层一端接地。
  3.2 防止电感耦合
  屏蔽层两端接地时,可以有效地抑制电磁感应。
  I1在电缆芯线上产生的感应电势为E 21 = jωM12I1
  I1在屏蔽层上产生的感应电势为Em = jωM1mI1
  屏蔽层一端接地时,在屏蔽层上有感应电压,但未构成回路,屏蔽层上没有电流流过,不改变空间磁场分布。
  对二次电缆线芯上由电感耦合产生的感应电压没有影响。
  屏蔽层两端接地时,则屏蔽层流过的感应电流为Im = E m/(jωLm + Rm)
  Im在二次电缆芯线上产生的感应电势为E 2m = jωM2mIm
  二次电缆芯线上产生的感应电势E2 = E 21-E 2m
  屏蔽层中流过的感应电流是由外界电磁场感应产生的,其实际作用是抵消外界电磁场的干扰。因此电缆屏蔽层两端接地,可以有效地抑制电磁感应。
  4 采取相应技术改造
  根据上面论述,提出了对升华热电厂控制电缆屏蔽层技术改造措施:对控制电缆屏蔽层两端接地。屏蔽层能降低感应过电压的能力主要是基于屏蔽层电流产生的磁场对干扰电流产生的磁场的抵消作用。采用屏蔽层两端接地,是因为在短路电流、雷电流通过时,由于大短路电流、雷电流作用时间很短,所以不易烧毁屏蔽层。若屏蔽层一端接地,没有电流回路,但其防止过电压和抗干扰能力都很低,因而屏蔽层无法取得良好的屏蔽效果。整改措施:一是,控制电缆带屏蔽层,将屏蔽层在开关场与控制室同时接地,通信电缆的屏蔽层也应正确可靠相连接地;二是,为二次设备和二次电缆敷设专用接地铜排,尽量消除地电位差干扰;三,变电站所有开关量输入输出触点都采用专用的光电隔离。 改造后,经近一年多的运行实践,二次设备至今未发生过与雷电有关的故障,系统运行情况大有改善,大大提高了供电可高性,作为升华热电厂的厂用变电站,减少了停电时间,产生了巨大的经济效益。
文章标签:电缆屏蔽
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