等电位接地网的搭建.doc

修 改 稿变电站等电位接地网的搭建和应用提要：本文对等电位接地网这一新概念，从术语定义区别于有电位差的接地网的概念注释入手，到等电位接地网的搭建实施，以及有关实际应用中仍采用不相适宜的做法存在的问题做了切合实际的介绍，并与传统的分功能单点接地方式进行了对比，说明了两者之间在适用对象、实施方法、作用原理及具体操做法上的不同。另外，还根据本人在现场实施改进取得的实际效果也做了简要介绍，以加深对等电位接地网的认识和理解。关键词：等电位接地网 搭接地 接地极0前言电网保护及自动化控制系统已基本上实现了由工频模拟量测量装置向数字化微机型设备转化，而用于该设备的抗干扰措施并没有伴随着设备的转型而作相应的改进；原适用于工频测量装置的抗干扰措施，已不适应于今天对高频信号敏感的数字式微机装置抗干扰的需要。因而，由电磁干扰导致的设备损坏和装置不正确动作问题，在人们认识或不认识中存在，并影响着电网的安全可靠的运行。对此，国家电网公司调度通信中心依照国家电网公司颁发的国家电网公司十八项电网重大反事故措施（试行）文件精神，于2006年末颁发了“继电保护专业重点实施要求”（以下简称重点要求）。其第6章：“二次回路抗干扰”中提出，要求在变电站搭建有别于原有的地下隐蔽接地设施的等电位接地网，构成一个适应于微电子设备抗干扰需要的基础设施。然而，在人们的传统观念中，在有地电流注入接地网时会产生地电位差，为避免地电位差产生干扰，习惯于将安全地、工作地及零电位参考地分别汇集，然后经引线至一点接地的星形接地方式。由于受这种旧有接地观念的支配，对等电位接地网这一电磁兼容新技术缺乏理解和认识，即使国家电网公司提出了敷设等电位接地网的要求，也难以做到正确实施。在近期的某个变电站建设工程中，出现不同厂家的屏柜采用不同的接地方式，有的柜体与接地铜排直接连通；有的接地铜排与柜体用绝缘子隔离，即将屏柜接地（安全地）与电路接地（工作地）分开接地，此做法不符合搭建等电位接地网的要求。遗憾的是，该站不是将接地铜排的绝缘子拆除，搭建等电位接地网，而是将所有屏柜的接地铜排与柜体用绝缘子隔离。此做法背离了等电位接地网的原则。由此可见，要想在设计、施工和运行维护中贯彻落实和正确实施重点要求中提出的搭建等电位接地网的要求，首先要对等电位接地网这一新的接地技术有一个正确地理解和认识，了解等电位接地网与单点接地方式的区别，才能正确实施对单点接地方式的改进和搭建新的等电位接地网。本人通过学习发电厂和变电站电磁兼容导则，对重点要求有了一定的领悟和理解，希望同有兴趣者共同探讨，并希望能得到专家的帮助和指正，为推动正确实施国家电网公司提出的重点要求尽一分努力。1 有关接地新技术的定义接地新技术以降低高频信号下的接地阻抗为主要手段，达到降缓干扰的目的。从降低接地线的阻抗，到搭建等电位接地网都是要围绕着这个主题考虑。这是以前以考虑低频干扰为主的接地方式截然不同的两种技术理念。低频信号遵循电路提供的接线通路，按指定的路径流通，主要考虑降低接线电阻为主；高频信号对电容是短路，对电感呈高阻。在电路中隐含有电容和电感，它们为高频信号的流通提供了不可见的通路。如果不提供一个应有的低阻抗接地通路，高频信号将另劈捷径，构成干扰。为抗干扰须为装备提供低阻抗接地，首先要了解与此有关的诸因素。11 接地阻抗 对于电磁兼容分析与抗扰措施中，注重于高频信号所产生的影响。在此氛围下所考虑的接地阻抗是以交流阻抗为主，即接地线的交流自阻抗和信号回路的阻抗。1 1。1 接地线的阻抗 任何导体都有内电感（有别于电流回路的外电感，其是导体所围面积的函数）和电阻。因此，导线的阻抗有两部分组成，即电阻部分和内电感产生的感抗部分。l 电阻成分对于交流电流（尤其是高频），由于集肤效应，导致电流的有效截面积减小，电阻增加。交流电阻与直流电组的关系如下： RAC =0.076rf1/2RDC式中 r导线的半径(cm)； f流过导线电流的频率(Hz)； RDC导线的直流电阻()；导体截面的r越大，导体的表面积就越大，交流电阻就越小。对于任何形状导体截面的等效半径：r=截面周长/2。l 电感成分导线的内电感主要与长度有关，而与导体截面的直径关系并不密切。所以在实际工程中，尽量减短接地引线的长度才是降低接地阻抗的有效手段。还有由多根导体并联，比用一根等截面的导体对降低阻抗有利。此外，片状导体（宽度至少是厚度的10倍）的电感要小于圆形导体的电感，电抗较之要小；片状导体的周长大于圆形导体的截面周长，即表面积较之要大，高频时的电阻更小。因此片状导体，尤其是丝编制带更加适合高频电流。这就是为什么在工程中用编制扁铜丝带作接地体的搭接连接件要比用铜线好的道理。1 1。2 电流回路的阻抗导线电阻和回路电感形成的感抗，共同构成回路阻抗。当频率很高时，回路的阻抗主要由电感决定。回路的电感不同于导体的内电感，其与电流回路所包围的磁通量有密切关系。回路的电感=/I，回路为包围的磁通量，I为回路电流。显然，回路的面积越大，所围的磁通量越大，电感量越大，回路阻抗也就越大。在新的接地技术要求中，提出将所用不带电的金属导体实施地阻抗搭接，组成三维地面等电位接地网络，就是要大接地环路变成小面积的环路，达到减小接地电流环路的回路阻抗，为共模骚扰电流以最近的通路返回到源头。避免通过其他路径产生干扰。12 等电位接地网与接地极在此以前，接地网就仅指埋于地表下面的隐蔽接地设施。 现在提出了“等电位接地网”这一新的接地设施，它与接地极（原接地网）有何关系，有必要给一个清晰界定：等电位接地网是裸露于地面上的不带电导体构成的网络；接地极是掩埋于地下、与土壤紧密接触的一组接地导体。1 2。1 等电位接地网等电位接地网是一个新概念名词，与之相对映的另一新名词是“搭接地”。等电位接地网是相对于我们所熟知的有电位差的接地网（极）提出来的。这种提法的好处就是能给人一个非常明确地印象：等电位接地网对工频电流不起散流作用，各点电位视为相同。其与传统的地下隐蔽接地网（实为接地极）主要靠纵向接地桩通过土壤散流作用有本质不同。该定义比较抽象，不便于理解，所以从实际结构形式上又给出了一个形象的定义，即“搭接地”（“绑接地”）。搭接（bonding）：把装备、系统或设施外露（不带电）的导电部分之间采用低阻抗连接在一起的动作，通过搭接方式建立的接地网上的各节点（电气上紧密地连通）处于等电位。如将金属管道、金属柜体、底座槽钢、建筑钢筋、电缆支架和托盘、电缆屏蔽体、金属构架、设备金属外壳、接地铜排及平行接地导体等所有可接地的导电体用低阻抗材料纵横交错的连接在一起，形成三维接地网络，各点处于等电位的立体接地系统，这是EMC的需要。1 2。2 接地极从接地极的定义上讲，接地极是和大地土壤紧密接触，以提供与大地间实现电的连接的一个或一组导电体，起向大地散流的作用。对照我们早已熟知的“接地网”的作用来看，它正是这样一组导体，将地电流通过导体周围的土壤消散到大地中。为了降低跨步电压，要求接地导体与土壤之间的接触电阻要小，这主要是靠纵向接地桩起作用。不同的是接地导体布置面积及密度的差别在于消散的电流是雷电流、工频点流、还是直流不同而已。为便于区分，称传统的变电站“接地网”为“接地极”更为合理。123 等电位接地网与接地极的关系等电位接地网与接地极两者的不同之处在于：从布置上讲，等电位接地网在地表面，不与土壤接触；接地极在地表0.5m以下，与土壤紧密接触，对土壤接触电阻有要求。从作用上讲，等电位接地网是靠水平导体的纵横连接成地面屏蔽网，用于缓解的二次回路及设备的电磁干扰；接地极主要是靠深埋地下的纵向接地桩通过土壤消散电流于大地中。两者的联系和相互作用在于：等电位接地网与接地极之间不是必须连通，但为了安全，通常是接到邻近的接地装置上。接地极的水平导体有助于等电位接地网的抗干扰作用；等电位接地网不与土壤接触，无助于接地极的消散电流。1.3 等电位接地网与单点接地方式的对比 以低阻抗搭接方式建立的等电位接地网为主要特征的新屏蔽接地技术，适用于对高频信号敏感的微电子装置抗电磁干扰；分功能（安全地、工作地、参考电位）星形单点接地方式，其适用于低频模拟量测量装置防工频干扰，两者在结构和电气性能上都有较大不同。其主要根源是高频信号由于受线路电感的影响，并不一定按人们指定的接地路径入地，而通过不明确的耦合电容提供的近路，也许是不容许通过的路经入地，从而对所经过的电路构成干扰。无接地引线或短接地引线形成的低阻抗接地，让干扰电流以最短的路径入地，而不串到不应该去的电路中产生干扰。从下面的对照比较可看出各自的特点及差别，说明等电位接地网更适合上述要求。表一：接地网的结构比较接地网结构地电位特点接地方式接地引线适用对象分功能单点接地考虑到接地网电位差单点接地接地引线多且长适用于防工频电流干扰搭接地地网处于等电位多点接地接地引线少而短更有利于防高频干扰表二：接地网的电气特性比较内 容等电位接地网分功能单点接地备 注接地电阻无特别要求。有散流和跨步电压要求，主要是土壤的接触电阻。接地极接地电阻，直流电阻。感性耦合干扰有很好的反射抗干扰作用。单点接地无环路，不起作用。电流产生的干扰容性耦合干扰接地两端都有很好的降缓作用对不接地屏蔽端无降缓作用。对近距离电场干扰共阻抗耦合干扰可实现无共地线回路，无此干扰公用地线回路时，有干扰。多回路公用一个阻抗辐射干扰抑制效果好。抑制效果差。空间传播的电磁波2. 等电位接地网的搭建室内接地铜排等电位接地网是将地面上的所有不带电的导体采用低阻抗搭接而成的接地组合，其中一项主要工作是在电缆沟内敷设与电缆平行的接地导体，将分置于不同地方的电气设备的金属外壳实现低阻抗连接，构成等电位接地网，为电缆屏蔽层的两端接地提供了可靠的安全保证。高压设备加密水平网格中性点接地线高压设备线电缆沟铜排金属构架控制室电缆桥架保护屏柜保护小室金属支架端子箱底座槽钢图1 等电位接地网示意图图2 接地极（主接地网）示意图电缆沟接地扁钢接地极水平导体接线盒接地桩柜底座槽钢中性点接地21 室内设施的搭接无论是保护小室内的保护控制装置屏柜、通信室设施机架，还是装设有保护装置的10kV高压开关柜，它们都是等电位接地网中的一部分，需用铜导体做良好的搭接成一个三维接地网。211 屏柜间的搭接屏柜在安装固定时，要与底座槽钢焊牢，通过槽钢把所有屏柜连接在一起。为可靠起见，仅靠钢结构金属件是不够的，在屏柜底部装设截面不小于50mm2的接地铜排，并与柜体要保持良好接触，决不能用绝缘子隔离；各屏柜的接地铜排之间要用416mm2的接地铜丝编制带彼此相连；两端部的接地铜排要连接到室内墙壁周边的接地铜排上，构成接地环路，不可出现开环的断点；室内的接地铜排环路要不少与两点与室外（电缆夹层）的等电位接地网相连，连接点应选择环路中距离最长的两点，或等距离选择多接地点；电缆桥架的结合部要用扁铜导体连接，使之成为一种良好的接地环路。注意等电位接地网的外部连接不能与建筑物的避雷装备的接地引下线靠近。为此，避雷装备的接地线应与建筑物的金属结构体用绝缘子隔离。因建筑物的钢筋有可能已接入等电位接地网，如避雷装备的接地线与钢筋相连，则雷电流可能对邻近的设备产生共阻抗耦合干扰。212 高压开关柜间的搭接和高压电器的接地在10kV高压开关中常分散布置有保护测控装置，同样需要有等电位接地网作抗干扰措施的基础设施，高压柜及接地铜排的连接同保护屏柜。这里要注意的是电压互感器、避雷器的一次系统的回路接地不能接到等电位接地网上。即使它们是装在高压开关柜内，也不能接到作为等电位接地网上的接地铜排和柜体的金属构件上，而是要用绝缘导线引至室外的接地极（隐蔽于地下的接地网）的地面接地装置上接地。22 室外设施的搭接如图1所示，室外等电位接地网的搭建就是要将站内地面所有不带电的导电体，如金属管路、电缆屏蔽体、电缆托架、电缆沟内的平行接地导体、端子箱接地铜排和壳体、二次回路设备金属外壳及支架、金属构架等用导体低阻抗搭接成一个整体地面接地网络。交叉的接地导体要相互连通，形成网格状；接地导体不可有悬空的断开点，都要构成闭和环路；等电位接地网与接地网连通时，避免与电容式电压互感器、避雷器、变压器等高压设备一次回路接地点在同一个网格上（相距35m）。为避免载波通道加工设备（电容耦合器和结合滤波器）接地电流对高频信号产生共阻抗耦合和磁耦合干扰，一次接地线应避免与高频电缆接地共用接地引线，并不在同一处接地。33 接地极（主接地网）的敷设接地极的作用在于降低接地电阻、限制接触电压和跨步电压、耐受大短路电流的能力和降低高频和低频共模骚扰。纵向接地桩有助于降低土壤接地电阻，对电磁骚扰不起作用；水平接地导体对电磁骚扰才有降缓作用。因此，在这里只对水平接地导体提要求：为降低接地阻抗，对以下设备近区的接地极水平网格密度要加强（5m5m）：电力变压器、电容式电压互感器、载波通道的结合滤波器、避雷器、有架空接地线的杆塔和其他支撑物。高压主回路接地引线要尽量远离二次回路电缆，并避免平行敷设；高压主回路接地点也要尽量远离高压设备的金属外壳，尤其是回路接线端子盒的接地点，避免与屏蔽电缆的接地在一起而产生共阻抗耦合干扰；电缆的屏蔽层与接线盒金属外壳实现3600环套连接要比用接地引线接地的屏蔽效能强得多。高压设备的金属外壳要求接入等电位接地网，为安全起见还要接到接地极上。3等电位接地网的应用等电位接地网是实施电磁兼容技术的基础装备，而不仅仅是单独使用的设施。许多抗干扰措施如能利用等电位接地网，可获得更好的抗干扰效能。否则，可能使所采用措施完全失效。31 减小接地环路面积前面已提到了搭接和接地构成三维立体接地网络，由众多相互连接的导体群组成无数个地环路。这与一点接地的环路相比，是用众多的小地环路替代了单个大接地环路，这是对付感性耦合干扰的最有效手段。倘若变电站附近发生雷击和接地故障，高压母线上的暂态短路电流产生的高频磁通量交链的接地环路产生感性耦合干扰，远离接地点的所接装置承受共模干扰最强。对于同样大的骚扰电流而言，接地环路面积愈小，所包围的磁力线愈少，形成的干扰愈弱。如果将接地铜排与屏柜金属件接地体绝缘，只通过一点接地，整个接地铜排母线构成了一个大的接地环路，所交链的磁通量就大为增加，使接地母线对远离接地点的装置产生的骚扰强度增大。所以说，屏柜内的接地铜排不应与柜体用绝缘子隔离是必要的。屏柜金属体与接地铜排绝缘，使得柜体不能直接接入等电位接地网，将形成安全地与功能地分开设置，将由此产生一系列不良影响。从另一方面看，金属柜体与接地铜排良好接触，才能将柜体作为等电位接地网向上延伸的接地母线应用，可使屏柜上的装置借用柜体就近接地，而不仅靠长接地引线一路接地，实现地环路面积小的低阻抗接地连接。从开关场引入室内的接地铜排由于沿途与其它接地导体交汇连接，以分段构成了了多个小面积接地环路。这与原独立敷设的长接地铜排所构成的大范围的接地环路，会感应很高的电压相比，环路面积大大减小，极大的降低了接地铜排在高频地电流的作用下产生的感应电压。有效地避免了因长接地铜排将强干扰引入室内保护屏柜中。32 减小接地引线长度众所周知，欧洲主要电气保护控制设备生产公司习惯于将微机装置的零电位参考点外接地网；国内的微机装置的零电位是悬浮地，不能引出接地网。区别在于欧洲生产的微机装置是采用无引线接地，不会引入干扰；国内装置是采用的长引线（10cm）接地。长引线会产生并传导干扰进装置。可见，避免装置的接地仅靠长引线接地，采用经装置外壳、柜体与地网的直接搭接接地是必要的。当柜体与等电位接地网实现低阻抗搭接后，柜体就成为地面向上延伸的接地母线，在装置的组屏装配中，实现机箱与柜体的搭接，以保证机箱与柜体低阻抗连接，与作为接地母线的延伸体的柜体保持电位一致。这样，装置内外电路的接地就可利用机箱金属外壳经柜体直接接地，实现短引线或无引线（如电路板经金属导轨与机箱连通，即为无引线）接地，不构成地环路，不会产生干扰；如果机箱不与柜体搭接，或柜体不是与接地网直接连通，而是经长引线接地，即机箱的接地回路串入了一个电感（考虑引线自感1H/m）。如装置安装在屏柜的上部，到屏柜底部的接地铜排的接地引线长达2米以上，对高频（假定10MHz）骚扰电流形成了较大的接地阻抗（L=126）。如变电站遭雷击或电网发生弧闪等接地故障，将产生强骚扰磁场。长电缆和接地引线构成的接地环路中将形成较大的感应高频电流（如20A），在接地引线连接的端口上将产生较高的共模干扰电压（2500V），严重的可造成装置损坏。可见，装置外壳、屏柜金属体、接地铜排间实现低阻抗搭接是有益的。同理，低通滤波器的金属壳体是滤波电容的接地端，将其与接地柜体安装紧固在一起时，电容直接通过柜体低阻抗接地，而不是仅靠长引线接地，才能发挥其高频滤波的作用。然而，与此不相符的做法大有存在，如将电源滤波器接地外壳与柜体隔离，另用长引线接地，在接地引线的电感作用下，共模滤波电容器的电容量将被抵消，失去滤波作用，甚至有可能引起有害的谐振。屏蔽接地端子排接线，不采用与金属安装条连通的接地端子，要经长引线接地，增加了接地阻抗，并因此形成干扰。4 现场应用的改进效果 在实际工程服务中，应用导则提出的抗电磁干扰新技术，对现有不合理的抗干扰措施实施改进，使其确实起到了降缓干扰的作用，解决了用更换受损器件不能解决的根本问题。41 集中组屏方式 某变电所在投运不久出现插件损坏和大多数装置显示乱码。更换升级软件版本后仍出现乱码。对这一现象分析认为，在其他工程用得很好的技术成熟的装置，但到该站就反复出现多装置发生乱码，很可能是现场运行电磁环境较为恶劣，出现电磁干扰问题。于是按导则的要求改进屏蔽接地的方式。 首先，将所有的金属构件尽可能的与地网搭接在一起，即将在每一台屏柜上接地铜排与柜体在电气上连通；将装置机箱及柜体金属结构间实现低阻抗搭接。然后，将网络线屏蔽层两端采用短引线接地，即一端接机箱的接地螺丝，另一端在屏端子排处附近接地点接地（用接地端子直接与柜体接地连通最好）。经以上改进后，达到了消除装置出现乱码的成效，并得到了变电站运行人员的充分肯定，再未出现乱码这样异常现象的报告。42 装置分散布置在高压开关柜上曾有一座110kV老变电站在实施扩建和综合自动化改造工程中，将保护测控装置分散布置到就地高压开关上。自2001年投运以来，以装置显示面板为首的插件的损害问题愈来愈严重。据2003年至2005年7月不完全统计，两年半已损坏电路板38块，且愈来愈严重，2005上半年的损坏数字是19块，是前两年的总和。采用换电路板的做法已不能解决问题，须采用其他能根除事故的有效措施。经现场调查发现是10kV开关柜的接地方式不正确：一次设备与二次回路接地共用接地引线、各柜之间未搭接连通接地、扩建设施的接地装备没有与原有的接地网连通、装置外壳未与柜体连通接地、二次电缆敷设及网线布线与高压母线近距离平行、电缆屏蔽接地不合理等问题。于是，按等电位接地网的原则要求，向该变电站维护人员提出了针对性的整改建议，变电站维护人员照此建议进行整改，消除了以上产生干扰的条件。此后一年多来，再也未出现电路板损坏及装置异常现象。5结束语 重点要求提出的等电位接地网是一种全新接地模式，与传统的接地方式之间的差别在于：前者是适用于微电子设备对高频干扰敏感性高的特点，主要是对高频干扰提供低阻抗接地，对高频干扰能起到有效地降缓作用；后者是适用于工频模拟量测量元件，主要是在防低频干扰方面有效。对于目前微电子设备以采用以防高频干扰为主的接地方式是必须的，而不是两种接地模式都可用，任选一个都行的“可选项”。在变电站工程建设中搭建等电位接地网，为实施有效的抗干扰措施提供了一个方便有效的接地平面。对屏柜结构组装、装置组屏装配也要按照等电位接地网的结构要求实施。否则，就会降低等电