王政 四川樂山電業(yè)局
摘 要：文中分析了屏蔽電纜抗電磁干擾的技術(shù)特性，闡述了屏蔽電纜應(yīng)用中屏蔽層的接地方式。
關(guān)鍵詞：屏蔽電纜 抗干擾 接地
1. 屏蔽電纜技術(shù)特性
隨著電力系統(tǒng)容量的增加和自動(dòng)化水平的不斷提高，現(xiàn)在電力系統(tǒng)的二次設(shè)備已經(jīng)廣泛的使用集成電路型或微機(jī)型的保護(hù)裝置，這些保護(hù)裝置的應(yīng)用對(duì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是很有用的。但是相應(yīng)的也提出來一些新的問題。比如因?yàn)槲C(jī)保護(hù)裝置都是采用的電子元件，單片機(jī)來構(gòu)成的，而它是運(yùn)行在高電壓的環(huán)境下，這就有如何來抗電磁干擾的問題。而以前的常規(guī)電磁式保護(hù)裝置受這方面的影響就不是很明顯。
因此在高壓變電所中，所有用于連接由開關(guān)場(chǎng)引入控制室繼電保護(hù)設(shè)備的電流、電壓和直流跳閘等可能由開關(guān)場(chǎng)引入干擾電壓到基于微電子器件的繼電保護(hù)的二次回路，都應(yīng)采用帶屏蔽層的控制電纜。高壓變電所內(nèi)為抑制電磁干擾而采用屏蔽控制電纜，其屏蔽層如何正確接地對(duì)降低外部電磁場(chǎng)對(duì)微機(jī)型二次設(shè)備的干擾水平，起著重要作用。
屏蔽控制電纜的干擾源再外導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的磁通以虛線同心圓表示，這些磁通的一部分包圍控制電纜芯和其屏蔽層（可近似認(rèn)為包圍這兩種的磁通相等），稱為干擾磁通，如圖1（a）所示。它在電纜芯和屏蔽層中感生一電勢(shì)Es(。)，產(chǎn)生屏蔽層電流Is(。)，如圖1（b）所示。電勢(shì)Es(。)等于屏蔽層電流在屏蔽層電阻Rs和自感抗上Xs的電壓降落，即：
Es(。)= Is(。)Rs+jIs(。)Xs
屏蔽層電流所產(chǎn)生的磁通包圍著屏蔽層，也全部包圍著電纜芯，這些磁通和外導(dǎo)線產(chǎn)生的干擾磁通方向相反，故稱為反向磁通，在圖1（a）中以實(shí)線同心圓表示。按電磁感應(yīng)原理可知，在理想情況下，如果屏蔽層電阻為零，這種反向磁通可將干擾磁通全部抵消，即反向磁通在電纜芯中產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)Er(。)和干擾磁通在電纜芯中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)Es(。)大小相等，方向相反。設(shè)屏蔽層對(duì)電纜芯的互感抗為Xm，則：
Er(。)=-jIs(。)Xm
因屏蔽層將電纜芯完全包圍在內(nèi)，故Xm=Xs。從上式可看出，如果屏蔽層電阻Rs=0，則Es(。)=- Er(。)。但是屏蔽層不可能沒有電阻，故干擾磁通在電纜芯中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)不能被抵消的部分為Es(。)+ Er(。)= Is(。)Rs，即與屏蔽層的電阻成正比。因此，要有效地消除電磁耦合的干擾，就必須采用電阻系數(shù)小的材料如銅、鋁等做成屏蔽層。
2.屏蔽控制電纜的接地
屏蔽電纜的平衡特性較差，因此良好的屏蔽完整性和良好的接地對(duì)屏蔽電纜來說是非常重要的。屏蔽接地是為防止電氣設(shè)備因受電磁干擾，而影響其工作或?qū)ζ渌O(shè)備造成電磁干擾的屏蔽設(shè)備的接地。
采用帶屏蔽層的控制電纜，且屏蔽層在開關(guān)場(chǎng)和控制室兩端同時(shí)接地，是來國(guó)際通用的一種有效的二次回路抗電磁干擾措施。由IEEE變電所專委會(huì)工作組與繼電器環(huán)境分專委會(huì)工作組提出的“變電所中控制與低壓電纜系統(tǒng)的選擇和安裝”文件中，專門有一節(jié)“控制電纜的金屬屏蔽能降低感應(yīng)暫態(tài)電壓”談到相關(guān)問題：“推薦帶屏蔽的控制電纜將屏蔽層在兩端接地。必須特別保持屏蔽的完整性，拆斷或分開屏蔽將極大地降低屏蔽效率；如果屏蔽只在一端接地，在非接地端的包皮對(duì)地將可能出現(xiàn)很高的暫態(tài)電壓。”控制電纜屏蔽層兩端接地的的優(yōu)點(diǎn)是：
①當(dāng)控制電纜為母線暫態(tài)電流產(chǎn)生的磁通所包圍時(shí)，在電纜的屏蔽層中將感應(yīng)出屏蔽電流，由屏蔽電流產(chǎn)生的磁通，將抵銷母線暫態(tài)電流產(chǎn)生的磁通對(duì)電纜芯線的影響。假定屏蔽作用理想，兩者共同作用的結(jié)果，將使被屏蔽層完全包圍的電纜芯線中的磁通為零，屏蔽層形成了一個(gè)理想的法拉第籠。這也和帶有二次短路線圈的理想變壓器一樣，鐵芯中的磁通將為零。當(dāng)然，屏蔽層的屏蔽作用，由于各種原因，不可能完全理想，因此，被屏蔽的芯線在母線暫態(tài)電流的作用下，仍然會(huì)感應(yīng)出一定的電壓。
②屏蔽層兩端接地，可以降低由于地電位升產(chǎn)生的暫態(tài)感應(yīng)電壓。
當(dāng)雷電經(jīng)避雷器注入地網(wǎng)，使變電所地網(wǎng)中的沖擊電流增大時(shí)，將產(chǎn)生暫態(tài)的電位波動(dòng)，同時(shí)地網(wǎng)的視在接地電阻也將暫時(shí)升高。對(duì)變電所地電位升 的測(cè)定結(jié)果說明，與正常交流電阻相比，地電阻常常增大10倍以上。當(dāng)?shù)蛪嚎刂齐娎|在上述地電位升的附近敷設(shè)時(shí)，電纜電位的波動(dòng)而受干擾。因此，接地浪涌電流引入的地電位升將可能對(duì)低壓控制回路的絕緣配合帶來嚴(yán)重影響。
為了定量地估計(jì)當(dāng)雷電注入變電所地網(wǎng)時(shí)在控制電纜纜芯中引起的暫態(tài)感應(yīng)的數(shù)量，在30個(gè)變電所中進(jìn)行人工注入地網(wǎng)較小沖擊電流（100～4000A）時(shí)測(cè)定的電壓情況。測(cè)定了兩種電纜屏蔽情況下的暫態(tài)電壓，一是無金屬屏蔽的電纜，二是有金屬屏蔽且兩端接地的電纜。試驗(yàn)證明采用兩端接地的屏蔽電纜，可以將暫態(tài)感應(yīng)電壓抑制為原值的10%以下，是降低干擾電壓的一種有效措施。
3.高頻同軸電纜的接地
高頻同軸電纜回路與二次電壓電纜回路有一個(gè)重要不同點(diǎn)：一般控制回路用電纜的屏蔽層，專為屏蔽而設(shè)置，必須在兩端接地，而高頻同軸電纜的屏蔽層則一身而兼而任，除起屏蔽作用外，同時(shí)又是高頻通道的回程導(dǎo)線。
高頻同軸電纜屏蔽層一點(diǎn)接地時(shí)，在隔離開關(guān)操作空母線時(shí)，將暫態(tài)電磁場(chǎng)的能量通過連接在線路上的設(shè)備直接耦合至二次回路，必然在另一端產(chǎn)生高暫態(tài)電壓。在我國(guó)的情況，將在收發(fā)信機(jī)端子上產(chǎn)生高電壓，燒毀收發(fā)信機(jī)里的元件。這在我局的220KV平春站已出現(xiàn)過類似的情況，當(dāng)時(shí)由于只是在高頻同軸電纜屏蔽層一點(diǎn)接地，收發(fā)信機(jī)又是晶體管型的。只要操作隔離開關(guān)時(shí)，收發(fā)信機(jī)里的元件就會(huì)被燒毀，后來在操作隔離開關(guān)時(shí)用記憶示波表在高頻同軸電纜上測(cè)到有幾千伏的高暫態(tài)電壓，從而導(dǎo)致收發(fā)信機(jī)被燒毀。后來我們將高頻同軸電纜屏蔽層兩點(diǎn)接地，在操作隔離開關(guān)時(shí)，就不在發(fā)生類似的情況。
到收發(fā)信機(jī)端子的干擾電壓，一是可能中斷收發(fā)信機(jī)的正常工作，對(duì)保護(hù)通道說來是一種危險(xiǎn)的情況；如果干擾電壓水平很高，會(huì)損害收發(fā)信機(jī)的部件，當(dāng)然也不能允許。為了高頻保護(hù)的可靠工作，因此高頻電纜應(yīng)當(dāng)在開關(guān)場(chǎng)和控制室兩端同時(shí)接地。而為了進(jìn)一步降低兩端間的地電位差，和盡可能降低屏蔽層兩端間因兩端接地而引入的由通過屏蔽電流引起的電壓降，又規(guī)定與同軸電纜并聯(lián)敷設(shè)近鄰的100mm2粗銅導(dǎo)線。
4.結(jié)論
屏蔽電纜的屏蔽層有兩種接地方式，即兩端接地和一端接地。一端接地時(shí)，屏蔽層電壓為零，可顯著減少靜電感應(yīng)電壓；兩端接地使電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)縱向電流，該電流產(chǎn)生一個(gè)與主干擾相反的二次場(chǎng)，抵消主干繞場(chǎng)的作用，顯著降低磁場(chǎng)耦合感應(yīng)電壓，可將感應(yīng)電壓降到不接地時(shí)感應(yīng)電壓的1%以下。
屏蔽電纜的屏蔽層兩端接地存在以下兩個(gè)問題：
①當(dāng)接地網(wǎng)上出現(xiàn)短路電流或雷擊電流時(shí)，由于電纜屏蔽層兩點(diǎn)的電位不同，使屏蔽層內(nèi)流過電流，將引起額外的沖擊或干擾電壓。
②當(dāng)屏蔽層內(nèi)流過電流時(shí)，對(duì)每個(gè)芯線將產(chǎn)生干擾信號(hào)，但電纜芯所在回路為強(qiáng)電回路因而屏蔽層電流產(chǎn)生的干擾信號(hào)影響較小。
但對(duì)應(yīng)用于繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置回路的屏蔽電纜，由于其輸入和輸出均有一端在開關(guān)場(chǎng)的高壓或超高壓環(huán)境中，電磁感應(yīng)干擾是主要矛盾，防止暫態(tài)過電壓，故繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置規(guī)程規(guī)定屏蔽層宜在兩端接地。
