淺析屏蔽電纜的接地方式

 [摘  要]文中分析了屏蔽電纜抗電磁干擾的技術特性，闡述了屏蔽電纜應用中屏蔽層的接地方式。

1. 屏蔽電纜技術特性

　　隨著電力系統容量的增加和自動化水平的不斷提高，現在電力系統的二次設備已經廣泛的使用集成電路型或微機型的保護裝置，這些保護裝置的應用對提高系統的穩定運行是很有用的。但是相應的也提出來一些新的問題。比如因為微機保護裝置都是采用的電子元件，單片機來構成的，而它是運行在高電壓的環境下，這就有如何來抗電磁干擾的問題。而以前的常規電磁式保護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場引入控制室繼電保護設備的電流、電壓和直流跳閘等可能由開關場引入干擾電壓到基于微電子器件的繼電保護的二次回路，都應采用帶屏蔽層的控制電纜。高壓變電所內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降低外部電磁場對微機型二次設備的干擾水平，起著重要作用。

　　屏蔽電纜的干擾源再外導線中電流產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Es(。)，產生屏蔽層電流Is(。)，如圖1（b）所示。電勢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，這些磁通和外導線產生的干擾磁通方向相反，故稱為反向磁通，在圖1（a）中以實線同心圓表示。按電磁感應原理可知，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生的互感電動勢Er(。)和干擾磁通在電纜芯中感應的電動勢Es(。)大小相等，方向相反。設屏蔽層對電纜芯的互感抗為Xm，則：
Er(。)=-jIs(。)Xm
　　因屏蔽層將電纜芯完全包圍在內，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的電動勢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屏蔽電纜來說是非常重要的。屏蔽接地是為防止電氣設備因受電磁干擾，而影響其工作或對其它設備造成電磁干擾的屏蔽設備的接地。
采用帶屏蔽層的控制電纜，且屏蔽層在開關場和控制室兩端同時接地，是來國際通用的一種有效的二次回路抗電磁干擾措施。由IEEE變電所專委會工作組與繼電器環境分專委會工作組提出的“變電所中控制與低壓電纜系統的選擇和安裝”文件中，專門有一節“控制電纜的金屬屏蔽能降低感應暫態電壓”談到相關問題：“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地將可能出現很高的暫態電壓。”

控制屏蔽電纜屏蔽層兩端接地的的優點是：
　　①當控制電纜為母線暫態電流產生的磁通所包圍時，在電纜的屏蔽層中將感應出屏蔽電流，由屏蔽電流產生的磁通，將抵銷母線暫態電流產生的磁通對電纜芯線的影響。假定屏蔽作用理想，兩者共同作用的結果，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電流的作用下，仍然會感應出一定的電壓。
　　②屏蔽層兩端接地，可以降低由于地電位升產生的暫態感應電壓。
　　當雷電經避雷器注入地網，使變電所地網中的沖擊電流增大時，將產生暫態的電位波動，同時地網的視在接地電阻也將暫時升高。對變電所地電位升 的測定結果說明，與正常交流電阻相比，地電阻常常增大10倍以上。當低壓控制電纜在上述地電位升的附近敷設時，電纜電位的波動而受干擾。因此，接地浪涌電流引入的地電位升將可能對低壓控制回路的絕緣配合帶來嚴重影響。
　　為了定量地估計當雷電注入變電所地網時在控制電纜纜芯中引起的暫態感應的數量，在30個變電所中進行人工注入地網較小沖擊電流（100～4000A）時測定的電壓情況。測定了兩種電纜屏蔽情況下的暫態電壓，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。試驗證明采用兩端接地的屏蔽電纜，可以將暫態感應電壓抑制為原值的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，屏蔽層電壓為零，可顯著減少靜電感應電壓；兩端接地使電磁感應在屏蔽層上產生一個感應縱向電流，該電流產生一個與主干擾相反的二次場，抵消主干繞場的作用，顯著降低磁場耦合感應電壓，可將感應電壓降到不接地時感應電壓的1%以下。
　　屏蔽電纜的屏蔽層兩端接地存在以下兩個問題：
　　①當接地網上出現短路電流或雷擊電流時，由于電纜屏蔽層兩點的電位不同，使屏蔽層內流過電流，將引起額外的沖擊或干擾電壓。
　　②當屏蔽層內流過電流時，對每個芯線將產生干擾信號，但電纜芯所在回路為強電回路因而屏蔽層電流產生的干擾信號影響較小。
　　但對應用于繼電保護和自動裝置回路的屏蔽電纜，由于其輸入和輸出均有一端在開關場的高壓或超高壓環境中，電磁感應干擾是主要矛盾，防止暫態過電壓，故繼電保護和自動裝置規程規定屏蔽層宜在兩端接地。