淺析屏蔽電纜的接地方式

本文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。

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(lái)一些新的問(wèn)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(lái)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(lái)抗電磁干擾的問(wèn)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(kāi)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(kāi)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屏蔽電纜芯和其屏蔽層（可近似認(rèn)為包圍這兩種的磁通相等），稱(chēng)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(chēng)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(méi)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(lái)說(shuō)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(kāi)關(guān)場(chǎng)和控制室兩端同時(shí)接地，是來(lái)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(zhuān)委會(huì)工作組與繼電器環(huán)境分專(zhuān)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(zhuān)門(mén)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(wèn)題：“推薦屏蔽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(kāi)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。”

控制屏蔽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(xiāo)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(shuō)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(lái)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(wú)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. 屏蔽電纜結(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(wèn)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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。