（广东电网有限责任公司惠州供电局 516001）
摘要：控制电缆抑制干扰的能力除与其结构和材料有关外，还与屏蔽层接地方式密切相关。正确使用屏蔽和良好的接地则是抑制干扰，保证二次系统可靠运行的重要措施。本文从控制电缆基本结构入手，就二次系统抗干扰分析及控制电缆金属屏蔽接地方式进行阐述，对工程应用具有实用价值和指导意义。
关键词：控制电缆；屏蔽层；铠装层；金属屏蔽；干扰；接地方式
1、前言
随着电力系统输电容量的增加和电压等级的提高，一次设备产生的电磁干扰在不断增强。另外，二次系统的微型化、数字化，增加了二次设备对电磁干扰的敏感性和脆弱性，变电站瞬态电磁环境下二次电缆的电磁干扰问题日益突出。控制电缆是指在电气装置中传输控制、测量和指示信号的多芯电缆，是变电站中使用最多的电缆。控制电缆金属屏蔽如何接地，在现有技术规范中未作过多的论述或论述过于笼统，且设计院在二次接线图和电缆施工图中无特别说明，施工过程中没有标准可依，运行中因电缆抗干扰不良致使故障多有发生。下面拟对控制电缆的结构及其金属屏蔽接地进行探讨。
2、控制电缆基本结构：[1]
在变电站设计中，高压配电装置的控制电缆大都采用额定电压为450/750V的聚氯乙烯或交联聚乙烯型挤塑绝缘类型电缆，其基本结构由以下5部分组成。
①导电线芯：用高电导率退火实心铜线制成。根据敷设使用条件对电缆柔软程度的要求，由单根导线或多根导线绞合而成。
②绝缘层：将线芯与大地以及不同线芯在电气上彼此隔离，电缆绝缘材料应具有高绝缘电阻，高击穿电场强度，低介质损耗和低介电常数。绝缘层应紧密挤包在导体上，且应容易剥离而不损伤绝缘体、导体。
③密封填充物：保护绝缘线芯免受水分、潮气、化学物品等的损伤。绝缘线芯间的间隙采用非吸湿性、且适合电缆运行温度并与电缆绝缘材料相兼容的材料填充，填充物应不粘连绝缘线芯。
④金属屏蔽层：主要起到屏蔽电磁场的作用，保证在电磁干扰环境下系统的传输性能。屏蔽型电缆在缆芯外由一根或多根金属带绕包或金属丝编织结构组成金属屏蔽。
⑤保护层：保护内部免受外界影响和机械损伤，一般由内衬层、铠装层和护套层三部分组成。内衬层位于铠装层和绝缘层之间，防止绝缘层受到腐蚀，防止绝缘层在电缆弯曲时被铠装层破坏。铠装层在内衬层外面，减少机械力对电缆的影响，使作用到电缆上的机械力由铠装层来承受。护套层应具有一定的抗机械作用和面耐俯候性能，防止铠装层受到侵蚀。
3、二次回路干扰[5]
在正常运行情况下，一次系统对二次回路的干扰很小。由于短路接地故障、一二次回路操作、雷击以及高能辐射等原因，二次回路上将产生电磁干扰，使接在二次回路上的继电保护装置误动作或遭受损坏。干扰电压可通过交流电压及电流测量回路、控制回路、信号回路或直接辐射等多种途径窜入设备中。二次回路的干扰可分为以下几种：
3.1电场耦合产生的干扰
电场耦合又称容性耦合，近距离电场经耦合电容加到二次回路而引起干扰。由于一次设备载流体与二次回路间存在杂散电容，一次设备上的电压对二次电缆产生容性耦合；导线之间的相互耦合、电源线与系统的相互耦合，在二次设备上产生干扰电压。此种干扰主要包括:
1)雷电干扰。变电站附近的雷击和雷电放电时能产生极强的脉冲电场和磁场，会通过测量用的互感器传递到二次回路。
2)开关操作干扰。断路器、隔离开关等一次设备在投切操作或开断故障电流时，由于感性负载的存在，触头间产生电弧的熄灭和重燃，在被断开或充电的母线上将引起一系列高频电流波和电压波。母线上的暂态过程将通过连接在母线上的电流、电压互感器或其它设备直接耦合至二次回路。
3)一次设备对二次设备的静电耦合。母线上的干扰可通过与母线连接的CT、PT、CVT等直接耦合至二次回路。
3.2磁场耦合产生的干扰
磁场耦合又称感性耦合，由于干扰源与二次回路之间存在互感而引起干扰。载流导体产生的交变磁场在其周围闭合电路中产生感应电势。此种干扰主要包括：
1)当隔离开关操作产生的高频电流或雷电流通过高压母线时，在高压母线周围产生了磁场，其中的一部分将二次电缆包围。在二次电缆、互感器的高低压线圈层间电容、互感器的接地线、接地网和二次电缆的工作接地点形成的闭合回路产生感应电流。
2)变电站发生接地故障时，在站内架空导线和接地网上会流过很大的短路电流，并在二次电缆周围产生很强的空间磁场，这一空间磁场将在双端接地的二次电缆和接地网构成的回路中产生感应电流。
3)雷击高压线以及接地架构。雷击高压线产生雷电行波，在行波传输过程中，电晕作用下会导致绝缘击穿及行波对二次电缆的感应。雷击接地构架时，通过金属构架上的电流分布产生强电磁场干扰二次线路。地电位差引起的干扰电压可能直接对二次回路形成威胁，可能造成继电保护装置误动，使计算机监控系统失灵。地电位差引起的地网电流可烧坏电缆线或屏蔽层。
3.3电磁耦合产生的干扰
电磁耦合又称辐射耦合，在电场、磁场共同作用下，强电系统产生的高频电磁辐射能量通过空间电磁波的形式传播到二次回路而产生的干扰。此种干扰主要包括：
1)开关操作时产生的高频振荡电磁辐射。断路器、隔离开关等一次设备在投切操作或开断故障电流时，电弧的熄灭和重燃在被断开或充电的母线上将引起一系列高频电流波和电压波，以暂态电磁场的形式向周围空间辐射能量，并通过传导、电容耦合、电感耦合及电磁辐射等多种方式加到微机保护装置的输入端口，影响微机保护装置的正常工作。
2)高能辐射设备引起的干扰。工作人员用的通信工具，如：手机、对讲机等，是变电站内高频场的主要来源。
3)由于天线效应，大型变压器、大型发电机、电动机和高压输电线路、高压汇流母线等都会发射出工频和谐波频率的电磁辐射。一般，电压等级越高，产生的电场越大，磁场减小。
4)高压导线表面及绝缘子金具尖端部位的电晕放电，接触不良产生的火花放电以及污秽绝缘子表面的局部火花产生电磁辐射，以及雷电辐射等，形成辐射干扰源。
4、控制电缆的金属屏蔽：
屏蔽是为了保证在有电磁干扰环境下系统的传输性能，采用屏蔽的电缆可以有效的抑制电磁场对传输线的影响，降低电缆内传输信号对外的电磁辐射，减小对周围电磁环境的污染。
电缆的接地金属屏蔽是指将电场限制在电缆内部和（或）保护电缆免受外界电气干扰的外包接地金属层。金属套、金属箔、编织层、铠装层及接地同心导体也可作为接地金属屏蔽。[3]弱电信号、控制回路的控制电缆，当位于存在干扰影响的环境又不具备有效抗干扰措施时，应具有金属屏蔽。控制电缆金属屏蔽类型的选择，应按可能的电气干扰影响，计入综合抑制干扰措施，满足需降低干扰或过电压的要求。[2]
下文将就控制电缆中常见钢带铠装层、铜屏蔽层以及金属屏蔽接地进行探讨。
4.1控制电缆金属屏蔽的屏蔽效果
4.1.1电场耦合干扰的屏蔽
电场屏蔽主要是抑制杂散电容的耦合干扰，使用接地良好的金属屏蔽体，可将电场源产生的交变电场限制在一定空间内，从而阻断干扰源到敏感电路之间的电场传播路径。它要求屏蔽材料必须有良好的导电率，且屏蔽体必须可靠接地，否则其效果比未屏蔽的更坏。
表1是现场试验中测得的各种电缆在操作500kV隔离开关时的干扰电压，试验中采用平行于500kV母线的电缆长度为80m，母线长度为250m。试验表明，采用屏蔽电缆能将干扰电压降低95%以上，是一种非常有效的抗干扰措施。隔离开关操作过程中产生的干扰电压很大，当使用无屏蔽的塑料电缆时干扰电压最大达9000V。当使用屏蔽电缆时，对干扰电压的抑制效果很好，干扰电压的幅值被抑制到5%以下。不同的屏蔽层材料抑制干扰效果很接近。[6]
4.1.2感性耦合干扰的屏蔽
磁场屏蔽分为低频磁屏蔽和高频磁屏蔽。低频磁屏蔽是利用高导磁率的铁磁材料构成磁力线的低磁阻通路，使大部分磁场“包封”在屏蔽体内，从而起到磁隔离作用。高频磁屏蔽是利用屏蔽体产生的涡流反磁场，抵消干扰磁场，从而实现磁屏蔽。
在静磁场和低频磁场中，钢带铠装层为封闭铁磁材料，电缆缆芯磁阻比钢带铠装层的磁阻大得多，外磁场的磁感应线的绝大部份将沿着钢带铠装层壁内通过，进入电缆缆芯的磁通量极少，起到静磁屏蔽的目的。在高频磁场中，将同一回路的电缆芯安排在一根电缆内，同一回路的正负极电缆芯在同一电缆内，将电流、电压互感器二次线芯安排在在同一电缆内，利用同回路中的反向电流形成的反向磁通抵消干扰磁场，从而实现磁屏蔽。同时，电缆应采用绞对线，绞对线沿线能形成许多小环路，而且导线在相邻的环路间不断换位，由干扰电磁场引起的任何感应电压将被抵消。
4.1.3电磁耦合干扰的屏蔽[4]
电磁屏蔽的作用是抑制辐射电磁场的电磁耦合，其屏蔽作用是基于金属屏蔽体对入射电磁波的反射损耗和吸收损耗而实现。
在电磁场中，电磁波在导电介质中传播时，其场量的振幅随距离的增加按指数规律衰减。电磁波在良导体中衰减很快，把由导体表面衰减到表面值的1/e（约36.8％）处的厚度称为趋肤厚度（又称透入深度），用d表示，有
d=1/(πfσμ)1/2
其中μ和σ分别为屏蔽材料的磁导率和电导率。
在工频（50Hz）时，铜质材料（σ=5.8×107／Ω•m，μ≈μo＝4π×10-7H／m） d＝9.45mm。铝质材料（σ＝3.54×107／Ω•m） d＝11.67mm。显然，不适宜采用铜、铝。如用铁质材料（σ＝107／Ω•m），则d＝0.172mm。由此可见，在铁磁材料中电磁场衰减比铜、铝中大得多。又因是低频，无需考虑谐振电路品质因素问题。可见，在工频情况下，电磁屏蔽就转化为静磁屏蔽。
若f=100MHz，铜质材料（σ=5.8×107／Ω•m，μ≈μo＝4π×10-7H／m） d=0．00667mm。铁质材料（σ＝107／Ω•m） d=0.016mm。铝质材料（σ＝3.54×107／Ω•m） d＝0.0085mm。可见，f=100MHz时，良导体的电磁屏蔽效果显著。
在高频时，由于铁磁材料的磁滞损耗和涡流损失较大，从而造成谐振电路品质因素的下降，故一般不采用高磁导率的磁屏蔽，而采用高电导率的材料做电磁屏蔽。
4.2屏蔽层单端接地的屏蔽效果
在屏蔽层单端接地情况下，非接地端的金属屏蔽层对地之间有感应电压存在，感应电压与电缆的长度成正比，但屏蔽层无电势环流通过。单端接地就是利用抑制电势电位差达到消除电磁干扰的目的。这种接地方式适合长度较短的线路，电缆长度所对应的感应电压不能超过安全电压。静电感应电压的存在将影响电路信号的稳定，有时可能会形成天线效应，使得屏蔽层本身成为一个重要的干扰源。
4.3屏蔽层两端接地的屏蔽效果
在屏蔽层两端接地情况下，干扰源的干扰磁通在电缆芯和屏蔽层中感应出电势，形成屏蔽层电流，屏蔽层电流所产生的磁通包围着屏蔽层，此磁通和外导线产生的干扰磁通方向相反，称为反向磁通。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。
由于屏蔽层电阻的存在，干扰磁通在电缆芯中感应干扰磁通不可能全部抵消，不能被抵消的部分与屏蔽层电阻成正比。线芯与屏蔽层之间的分布电容、分布电感的存在，屏蔽层电流将在芯线上感应出对应的电压源和电流源，在系统接地故障时，屏蔽层中可能会流过大电流，屏蔽层有可能烧毁。如果地网有足够低的电阻，屏蔽层中的环流电流和噪声电流都较小。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，屏蔽层应在开关场与控制室两端接地。有一个良好的接地网是非常关键的。实践中采用沿电缆沟铺设并联接地扁钢或铜排作为两点接地的配套措施。这种并联分流导体可看作屏蔽电缆的屏蔽，其作用是：均衡地电位、分流地网电流和减少过电压。研究表明，铺设并联接地导体后可减少50%~90%的感应电压。
5、控制电缆金属屏蔽的接地方式建议
综上所述，并结合电缆相关设计规范、验收规范、反事故措施对电缆屏蔽的接地方式提出以下要求：
1）对于不带钢带铠装的单屏蔽控制电缆屏蔽层应采用两端接地方式。这样既抑制了电磁感应,又抑制了电容耦合,同时产生的过电压也最小。
2）对于带钢带铠装的单屏蔽层控制电缆，钢带铠装层及铜屏蔽层应在开关场与控制室同时接地，接地应可靠良好，连接点用焊锡焊接，减小接触电阻。若在开关场的一端经适当电阻接地，位于控制室的另一端直接接地，可获得两端直接接地时良好的抗干扰效果，也避免了当地电流和干扰过大时烧毁屏蔽层的危险，可以达到良好的电磁兼容效果，而且不会引起负面天线效应。[8]
3）对于不带钢带铠装的双屏蔽层的计算机电缆，外屏蔽层应在开关场与控制室同时两端接地，内屏蔽层宜在控制室内一点接地。这样对高低频都有很好的抑制作用。
4）对于钢带铠装的双屏蔽层的计算机电缆，钢带铠装层及外屏蔽层在开关场与控制室同时两端接地，内屏蔽层宜在控制室内一端接地。当信号源浮空时，内屏蔽层的接地点应在计算机侧；当信号源接地时，内屏蔽层接地点应靠近信号源的接地点。
5）钢带铠装层与铜屏蔽层的接地线宜分开设置，分开设置更利于检验铠装层和铜屏蔽层的完好性，接地线要做好绝缘处理。
6）以上电缆屏蔽的接地都应可靠连接在二次接地网上。
6、结束语
控制电缆屏蔽层采用合理的接地措施，是保证二次系统可靠运行的重要技术措施之一。各种控制电缆类型有不同的电磁干扰问题，要综合考虑系统中各种接地的要求，才能保证整个系统良好地抑制干扰从而安全稳定地运行。
参考文献：
1.塑料绝缘控制电缆GBT 9330.1-2008
2.电力工程电缆设计规范 GB 50217-2007
3.电工术语 电缆 GBT 2900.10-2013
4.广东省电力系统继电保护反事故措施2007版
5.南方电网电力系统继电保护反事故措施2014版
6.汤磊 变电站二次回路抗干扰问题研究 山东大学硕士学位论文 2009年4月
7.杨吟梅 变电站内电磁兼容问题(四)--抑制电磁干扰的措施 电网技术 第21卷第2期1997年5月
8.一种新的二次电缆屏蔽层接地方法 黄少锋,秦晓辉 电力系统自动化 2007年第31卷第16期
论文作者:郭伟逢
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/18
标签：屏蔽论文; 电缆论文; 干扰论文; 回路论文; 磁场论文; 电压论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第31期论文;