变电站内各类接地及其接地网

技术与应用变电站内各类接地及其接地网卢建华曹效义菅晓清（内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，呼和浩特010020）摘要就变电站内几类接地及其接地网的功能作用做了阐述，基于每种接地网的功用论述了其相应的连接方法和敷设要求，同时阐述了站内各种须接地设备应与哪层地网连接。列出几类接地网之间的区别，指导设计及施工过程中不得混淆或互相替代。同时提出了变电站内继保室、开关柜室、电缆沟内须敷设专用的、可见的专用保护接地网的新观点。关键词：等电位接地网；保护接地网；抗干扰接地网；中性点接地EarthandEarth-electrodeNetworkinSubstationLuJianhuaCaoXiaoyiJianXiaoqing(InnerMongoliaElectricPowerSurveyandDesignInstitute,Hohhot010020)AbstractEarthingofthesubstationispresented,thereissomekindofearth-electrodenetwork.thefunctionofeachearth-electrodenetworkinthesubstationisexpoundinthispaper.Methodandrequirementaboutearthingisexpoundaccordingit’sfunction.Anewviewispresentedthatthedefinitepurposeprotectivegroundnetworkisneededinthesubstation.Keywords：equiptentialground；protectiveground；anti-interferenceground；earthneutral1变电站主接地网变电站需敷设主接地网。《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065—2011中4.3.2条这样描述：“发电厂和变电站接地网除应利用自然接地极外，应敷设以水平接地极为主的人工接地网，……”。本文将这层接地网称作变电站“主接地网”。设计、施工、验收各环节对变电站主接地网的认识是一致的，没有任何异议。这里就不再详细论述，因为后面谈到的另两层网与该主接地网要有联系。这里点到为止。2等电位接地网变电站的电磁环境十分复杂，不可避免会对二次系统产生电磁干扰。雷电进入一次设备及主接地网，系统发生短路故障产生的短路冲击电流进入主接地网，断路器、隔离开关操作时产生的电弧放电以及一次设备正常工作时的工频电流和电压等等，各种类型的干扰都会对二次系统正常工作带来隐患。通过对干扰途径的分析，可靠的接地是减少对二次设备电磁干扰的有效措施。因此，在变电站内敷设既独立又与一次系统紧密联系的二次系统接地网（即等电位接地网）是十分必要的。2.1等电位接地网与主接地网的关系等电位接地网既与主接地网相对独立，又密切联系。等电位接地网需独立敷设且须与主接地网绝缘敷设，同时，保护室内的等电位接地网又仅在一点与主接地网连接，二次电缆沟道内的等电位接地网在保护室及开关场的就地端子箱处与主接地网连接。若等电位接地网不与主接地网连接，等电位接地网的接地电阻不能满足设计要求。2.2等电位接地网的构成及敷设方式在继电保护室屏柜下的电缆层内，敷设100mm2的铜排，将该专用铜排首末端连接，按屏柜的布置方向敷设成“目”字型结构，形成继电保护室内的等电位接地网，见图1。当保护下放到配电室的开关柜内时，在开关柜下的电缆隧道（或夹层）内，按开关柜的布置方向敷设100mm2的铜排，形成开关柜室内的等电位接地网，见图1。沿二次电缆的沟道，且在沟道的上方敷设截面技术与应用不少于100mm2的裸铜排，构建室外的等电位接地网，见图1。图1等电位接地网完整意义上的等电位地网还须做向上、向下两个连接（逻辑上可以这么理解）。向下连接指：这层等电位接地网用4根以上、截面不小于50mm2的铜排与变电站主接地网在电缆竖井处连接。向上连接指：在保护和控制屏柜底部、户外端子箱底部、开关柜内二次保护室的底部应设有截面不小于100mm2的接地铜排。接地铜排应用截面不小于50mm2的铜缆与屏、柜、箱下沟道内的等电位接地母线相连。2.3等电位接地网在变电站内的功能和作用为了讲清楚这个问题，不妨按接在等电位网上的电气量或设备分别阐述。1）交流二次回路等电位接地在变电站中，敷设了本文开头提到的“主接地网”，但由于主接地网的接地体本身存在一定的电阻和电感，要做到完全等电位是不可能的。当大电流接地系统发生单相或两相接地短路时，变电站的主接地网中会流过很大的故障电流，此电流流过接地体时会产生电压降，使得变电站内各点的地电位有很大差别。同一回路连接到变电所的不同区域并且有多点接地时，各接地点间地位差就会在连接的电缆芯中产生电流。例如，在主变差动回路中，如果各侧电流互感器二次回路中的中性点各自单独在端子箱中接地，而各侧电流回路又在保护屏处有电气连接，在有电位差时将在差动回路中流过电流，影响差动保护动作的准确性。在变电站中，曾经在故障时测量到地电位差达3万多伏的情况。这一电位差将形成很大的地网电流，当这一电流通过电缆线或外皮时，可能会将其烧断。而等电位接地网将其各点可能产生的电位差降到了昀低，保证了接在其上的各二次回路对地绝缘良好，确保在主接地网产生较大电位差时，不致损坏二次回路绝缘，影响二次回路的正常运行。因此，变电站内电压中性点N在继电保护室二次屏内的等电位接地体上接地；电流二次回路的中性点N在就地端子箱内或继电保护室二次屏内等电位接地体上接地。这样，不仅保证二次回路的绝缘安全，而且也给全站的二次交流回路一个相同的工作零电势点。2）二次控制电缆的屏蔽层二次控制回路的一个“顽症”是如何防止电磁感应干扰。在工程中常用的措施是使用带电磁屏蔽的控制电缆，干扰磁场会在屏蔽层上感应出涡流，建立起反磁通与干扰磁场抵消，使芯线不受干扰。但是在低频率干扰磁场的情况下，涡流产生反磁通效应小，因而对外面干扰磁通场的抵御作用也小，为增强对低频干扰磁场的屏蔽，电缆的屏蔽层两端或多点接地，使电缆的屏蔽层与接地网构成闭合回路。干扰磁通在这一闭合回路中感应出的电流可产生反向磁通，减弱干扰磁通对芯线的影响。减少屏蔽层和地环路的阻抗，可增强屏蔽效果。因此，在实际工程中，利用电缆的屏蔽作用减缓电磁干扰，在控制室内电缆屏蔽层宜在保护柜上接于柜内的等电位接地铜排，在户外开关场电缆屏蔽层应在与高压设备有一定距离的端子箱内的等电位接地铜排接地。这里特别讲一下，从一次设备本体到间隔端子技术与应用箱的控制电缆的屏蔽层接地问题，依据上面的理论，比较严密的做法是：在一次设备本体到间隔端子箱这段距离间，随着控制电缆，再敷设一根截面不小于100mm2的带绝缘的单芯铜电缆，这根单芯铜电缆与电缆沟中的等电位铜排可靠连接。开到一次设备本体的控制电缆的屏蔽层就接到单芯铜电缆上，另一端电缆屏蔽层接到端子箱内的等电位铜排上。显然在实际工程中，这么做有一定难度，因为从间隔端子箱到一次设备没有电缆沟，等电位接地体只能选用带绝缘的铜缆，而开关场的一次设备众多，需要消耗相当数量的铜电缆。笔者回访过的几个地区的变电站并没有敷设从间隔端子箱到一次设备这段距离的等电位铜缆。不敷设这部分铜缆，除了消耗铜材太多外，还有一个理论依据，即在《国家电网公司十八项电网重大反事故措施（修订版）》中15.7.3.8条讲到“由开关场的变压器、断路器、隔离刀闸和电流、电压互感器等设备至开关场就地端子箱之间的二次电缆应经金属管从一次设备的接线盒（箱）引至电缆沟，……，上述二次电缆的屏蔽层在就地端子箱处单端使用截面不小于4mm2多股铜质软导线可靠连接至等电位接地网的铜排上，在一次设备的接线盒（箱）处不接地．．．。”目前来看，一次设备端电缆屏蔽层接入等电位接地网实践起来还有一定难度。从以上可知，等电位接地网的很大一部分作用是为了抗干扰而设置的，所以有些参考书上将改为称作“抗干扰地网”。3）屏柜内装置的逻辑接地关于这一点，《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》DL/T5136—2012中有明确规定，其中后面的条文解释16.2.3条：“当屏柜上多个装置组成一个系统时，为避免各装置的逻辑接地点产生噪声电位差，是整个系统无法工作，各装置的逻辑接地点必须直接以接地线引至接地铜排，并与小箱壳体绝缘。”当然，当装置的逻辑接地点浮空或者直接与装置的小壳体连接时，其逻辑接地点即直接随屏体接地并入保护接地网了。2.4等电位接地网在施工中的特殊要求等电位接地体敷设时注意三点：一是在沟道、夹层内铜排须绝缘敷设，即需要绝缘瓷瓶来固定接地体。二是铜排须布置在电缆沟、电缆隧道、电缆夹层（包括活动地板构成的夹层）的顶层，以达到良好的屏蔽效果。三是铜排连接时须搭接并焊接，搭接截面不小于连接导体的昀小截面；保证等电位接地体在各种环境条件下，经过长时间的运行考验（腐蚀和机械损伤等），仍能可靠连接。等电位接地体绝缘敷设的原因，在阐述完等电位地网的功能和作用后也容易理解。如果等电位接地体不绝缘的话，易造成多点接地，等电位接地体里会有电流流过，或者窜入干扰信号，失去其作用。3保护接地及其接地网同样也引用《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065—2011中2.0.3条的描述：“为电气安全，将系统、装置或设备的一点或多点接地。”由于电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，在绝缘损坏的情况下有可能带电，保护接地网是为防止其危及人身和设备的安全而设置的。上一节论述的“等电位接地网”是针对二次设备安全运行而设的（抵御干扰）；本节论述的“保护接地网”主要是针对变电站内工作人员的人身安全而设的（也有保护设备免受过电压损害的作用）。3.1保护接地网与主接地网的关系严格的说，“保护接地网”就是主接地网的一部分，将“主接地网”按其功能做拓扑变换后，形成一个竖直的“丫”字形的导电体，“丫”的下端插在大地里，上端的分支就是延伸到各个可能带电的金属设备旁边的“保护接地网”。由于笔者在工作当中发现：许多施工单位和业主总是将其与“等电位接地网”混为一谈，或者将他们合二为一。本文为了清晰的区分二者，这里仍采用“保护接地”这一概念。同时考虑到，一些电力专业书中使用“保护接地”一词，为了读者参阅方便，保留“保护接地”一词。还需注意一点，根据笔者经验，和许多施工技术人员及设计同仁们交流接地问题时，称这种接地为“保护接地”时，往往引起很多误解，总要和变电站的继电保护混淆，应当注意二者的区别。3.2保护接地网的构成及敷设方式依据设计经验及现场调查情况，笔者认为在继电保护室、开关柜室、电缆沟内须敷设专用的、可见的保护接地线。敷设方法如下：在继电保护室屏柜下的电缆层内，敷设扁钢（根据具体变电站，做短路计算后确定所需截面），按每排屏柜的布置方向敷设成“一”字型结构，扁钢直接焊接在经过的每个电缆支架上或屏体基础的钢支技术与应用架上，并且扁钢两端可靠连接在继电保护室内沿墙敷设的主地网接地体。形成继电保护室内的保护接地网。同理，在开关柜下的电缆隧道（或夹层）内，按每排开关柜的布置方向敷设足够截面的扁钢，扁钢直接焊接在经过的每个电缆支架上，并且扁钢两端可靠连接在开关柜室内沿墙敷设的主地网接地体。形成开关柜室内的保护接地网。沿二次电缆（或隧道）沟道敷设截面满足该站要求的扁钢，扁钢直接焊接在经过的每个电缆支架上，并且每隔一段距离扁钢与主接地网连接一次，构建电缆沟的保护接地网。这些用作保护接地的扁钢在所有方便接地的地方都与主接地网连接，作者认为上述三处的保护接地网不应相互连接，这样可以防止户外一次回路接地时，高电压被“保护接地体”直接引回继电保护室，使工作人员有触电的危险。在保护控制屏柜底部、户外端子箱底部、开关柜底部应设有足够截面的接地铜排（作者认为也可以采用采用扁钢）。接地铜排（扁钢）应用足够的截面铜排（扁钢）与屏柜下沟道内的保护接地母线相连。保护接地体敷设时不需要绝缘，直接焊接在固定接地体。接地体也不必一定敷在缆沟顶层，不过敷在顶层可以缩短保护接地支线的长度。3.3保护接地网在变电站内