CN105071364A - 一种限制变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法 - Google Patents

Abstract

一种限制变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法，包括：将变电站二次系统电缆的部分长度缠绕在磁环上，形成一个限流电感，将具有此限流电感的二次系统电缆连接于变电站的二次设备之间，具有限制电缆屏蔽层的寄生电流的功能。在电缆屏蔽层两端接地的情况下，有效限制电缆屏蔽层中的寄生电流，且不影响电缆正常的通信、控制和电源供电的性能。

Description

一种限制变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法

技术领域

本发明涉及变电站二次设备电磁兼容领域，具体涉及一种限制变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法。

背景技术

变电站中实现电能转换和分配的电力设备称为一次设备，包括变压器、断路器、隔离开关、互感器、避雷器、母线、金属封闭组合电器GIS等。变电站中实现测量、控制、保护和检测等功能的系统称为二次系统；二次系统包含的电气和电子设备称为二次设备。

变电站的二次系统中大量使用屏蔽电缆，包括单芯同轴屏蔽电缆和多芯屏蔽电缆，连接在不同的二次设备之间，完成二次系统中通信和控制信号的传输，以及二次设备供电电源的传送。

如图1所示，二次设备1和二次设备2处在变电站中两个不同的位置，分别就近接地，它们之间通过电缆连接，电缆的屏蔽层在两端也分别接地，实现良好的屏蔽效果。

在变电站环境下，如果按照图1的方式进行电缆连接，多种原因能够导致电缆屏蔽层中存在显著的寄生电流，包括：稳态工频感应电流、变电站接地故障时的暂态故障电流、变电站遭受雷击时的暂态雷电流。

(1)稳态工频感应电流

变电站的一次设备中运行有大的工频电流，变电站空间存在显著的工频交变磁场，会在电缆屏蔽层和大地构成的低阻抗回路中感应出显著的工频电流，如图2所示，此电流长期存在，可能导致电缆的异常温升、腐蚀和损坏。

(2)暂态故障电流

当变电站发生接地短路故障时，巨大的入地故障电流导致变电站地电位升高，使变电站地面出现暂态电位分布，如图3所示，二次设备1和二次设备2处在变电站的不同位置，具有不同的地电位升高U1和U2，由此在电缆屏蔽层产生大的暂态电流，可能烧毁电缆。

(3)暂态雷电流

当变电站遭受雷击时，巨大的入地雷电流也会导致变电站地电位升高，使变电站地面出现暂态电位分布，同样如图3所示，也会由此在电缆屏蔽层产生大的暂态电流，导致电缆烧毁。

为了抑制上述的电缆屏蔽层中的寄生电流，避免电缆损坏，变电站二次系统电缆的连接通常采用图4和图5所示的连接方式，在图4中，电缆的一端接地，另一端悬浮；在图5中，电缆的一端接地，另一端经过避雷器接地。这两种电缆连接方式消除了电缆屏蔽层和大地构成的低阻抗回路，可以有效消除电缆屏蔽层中的寄生电流，但同时也显著降低了屏蔽层的屏蔽效果，有可能在电缆两端二次设备的端口引入严重的电磁干扰或过电压，威胁其安全运行，甚至可能导致设备损坏。

近年来，电力设备智能化快速发展，越来越多新型的电气和电子设备运行于变电站，如大功率电力电子装置、电子式电压电流互感器、电力设备状态监测装置等；越来越多的二次设备集成于一次设备，运行在变电站现场的高电压、强电流和陡脉冲的电磁环境。由此，二次设备的电磁兼容性能成为了影响变电站安全运行的一个重要因素，二次系统电缆连接方式所导致的电磁兼容问题也十分突出。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种限制变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法，在电缆屏蔽层两端接地的情况下，有效限制电缆屏蔽层中的寄生电流，且不影响电缆正常的通信、控制和电源供电的性能。

本发明的目标是采用下述技术方案实现的：

一种限制变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法，所述方法包括：

将变电站二次系统电缆的部分长度缠绕在磁环上，形成一个限流电感，将具有此限流电感的二次系统电缆连接于变电站的二次设备之间，具有限制电缆屏蔽层的寄生电流的功能。

优选的，所述变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的形式包括：稳态工频感应电流、暂态故障电流和暂态雷电流；当出现寄生电流时，限流电感控制该电流不超过限流目标。

进一步地，根据所述变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的不同形式分别设定限流目标，即限流后的最大电缆屏蔽层电流幅值；根据不同的限流目标，分别获取所需要的限制稳态工频感应电流的电感值L1，限制暂态故障电流的电感值L2和和限制暂态雷电流的电感值L3；并选取其中最大的限流电感值L＝max(L1,L2,L3)，作为限制寄生电流所需要的最小限流电感值。

进一步地，所述电感值L按下式计算：

$L=\frac{4{\mathrm{\π\μN}}^{2}A}{C}---\left(1\right)$

式(1)中，μ为磁环材料的磁导率，N为电缆绕环匝数，A为磁环截面积，C为磁环有效磁路长度。

进一步地，增大磁环的有效磁路长度C，可以减小磁环饱和；设限流目标为I_M，磁环材料饱和点对应的磁场强度为H_S，磁环上缠绕电缆的匝数为N，则磁环有效磁路长度的约束条件为：

$\frac{N}{C}\≤\frac{H_S}{I_M}---\left(2\right).$

优选的，所述磁环的材料包括硅钢、非晶、微晶、铁氧体和坡莫合金；所述磁环的形状包括圆形和矩形；所述磁环的截面形状包括圆形和矩形；所述磁环为带气隙或者不带气隙的。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

变电站现在采用的限制二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法是，电缆屏蔽层单端接地，另一端悬浮，或另一端经过避雷器接地，这种接地方式牺牲了屏蔽电缆的屏蔽效果。

采用本发明所提出的限制二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法后，电缆可以采用两端接地的方式，实现优良的屏蔽效果；同时，电缆屏蔽层中的寄生电流可以限制在设定的范围内，避免电缆烧蚀和损坏；电缆承担的通信、控制和电源供电的功能没有受到显著的不利影响。

在本发明提出的限制二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法中，所采用的限流电感结构简单，费用低廉，实施方便。

附图说明

图1为背景技术提供的二次系统电缆的常规连接示意图；

图2为背景技术提供的二次系统电缆屏蔽层中工频感应电流示意图；

图3为背景技术提供的变电站地电位升高导致二次系统电缆屏蔽层中暂态电流示意图；

图4为背景技术提供的二次系统电缆屏蔽层一端直接接地另一端悬浮的接线方式；

图5为背景技术提供的二次系统电缆屏蔽层一端直接接地另一端经避雷器接地的接线方式；

图6为本发明提供的二次系统电缆屏蔽层寄生电流限制电感结构示意图；

图7为本发明提供的二次系统电缆屏蔽层寄生电流限制电感的接线方式示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

一种限制变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法，如图6所示，采用一个磁环，将变电站二次系统电缆的部分长度缠绕在磁环上，构成一个限流电感，以限制电缆屏蔽层寄生电流；将带有限流电感的电缆连接在变电站的二次设备之间，如图7所示。

此方法的原理是：对于电缆屏蔽层寄生电流，包括工频感应电流、暂态故障电流、或暂态雷电流，它们以大地为回路，在电缆中单方向流过，电缆中的净电流不为零，在磁环中产生磁通，形成电感，此电感限制电缆屏蔽层的寄生电流；对于电缆所导通的通信信号电流、控制信号电流或供电电源电流，它们以电缆屏蔽层和芯线构成回路，在电缆中双向来回流过，电缆中的净电流为零，在磁环中不产生磁通，不形成电感(无感缠绕)，因此不受到任何电感的限制。

在具体实施中，首先确定需要的限流电感值，然后设计限流电感。

确定限流电感值的方法如下：

电缆屏蔽层可能出现稳态工频感应电流、暂态故障电流、暂态雷电流3种形式的寄生电流，限流电感应能够将这3种形式的寄生电流都限制在设定的范围内。在限流电感值的确定中，首先针对3种形式的寄生电流，分别确定3个限流电感值：限制稳态工频感应电流的电感值L1，限制暂态故障电流的电感值L2，限制暂态雷电流的电感值L3；然后取这3个电感值中的最大值作为限流电感L＝max(L1,L2,L3)，则可以有效限制3种形式的寄生电流。选取3个限流电感值的方法如下：

(1)工频感应电流限制电感L1

首先，根据变电站最不利的工频感应电流情况，即最不利的一次设备工频电流路径和二次系统电缆路径，确定二次系统电缆屏蔽层和大地回路中可能出现的最大工频感应电动势E(有效值)。

然后，确定限流目标，即电缆屏蔽层所允许的最大长期工频感应寄生电流I(有效值)。最后，根据上述条件，确定所需要的限流电感值ω为工频角频率。

(2)故障电流限制电感L2

首先，根据变电站最严重的暂态故障电流波形i_F和典型的变电站接地特性，确定最严重的暂态地电位升波形u_F。然后，确定限流目标，即电缆屏蔽层所允许的最大暂态故障电流(幅值和持续时间)。最后，根据上述条件，确定所需要的限流电感L2。

(3)雷电流限制电感L3

首先，根据变电站最严重的暂态雷电流波形i_S和典型的变电站接地特性，计算最严重雷电暂态地电位升波形u_S。然后，确定限流目标，即电缆屏蔽层所允许的最大暂态雷电流(幅值和持续时间)。最后，根据上述条件，确定所需要的限流电感L3。

限流电感的设计方法如下：

图6所示的二次系统电缆屏蔽层寄生电流限制电感，其磁环为圆形，也可以采用矩形或其他形状；磁环的截面为矩形，也可以采用圆形或其他形状。

对于图6所示的二次系统电缆屏蔽层寄生电流限制电感，电感值可以按照如下公式计算：

$L=\frac{4{\mathrm{\π\μN}}^{2}A}{C}---\left(1\right)$

其中，μ为磁环材料的磁导率，N为电缆绕环匝数，A为磁环截面积，C为磁环有效磁路长度。

在限流电感的设计中，首先选择磁环材料和磁环尺寸，磁环材料应具有较高的磁导率和不易饱和。

应避免限流电感的磁环工作在深度饱和状态。增大磁环的有效磁路长度C可减小磁环饱和。当限流目标(限流后的最大电缆屏蔽层电流幅值)为I_M，磁环材料饱和点对应的磁场强度为H_S时，为避免磁环饱和，磁环有效磁路长度需满足

NI_M≤H_SC(2)

在已知限流电感L、限流目标I_M和磁环材料(μ和H_S)的情况下，式(1)和(2)给出了磁环有效磁路长度C、磁环截面积A和电缆缠绕匝数N之间约束关系，据此可进行限流电感的设计。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种限制变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的方法，其特征在于，所述方法包括：

将变电站二次系统电缆的部分长度缠绕在磁环上，形成一个限流电感，将具有此限流电感的二次系统电缆连接于变电站的二次设备之间，具有限制电缆屏蔽层的寄生电流的功能。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的形式包括：稳态工频感应电流、暂态故障电流和暂态雷电流；当出现寄生电流时，限流电感控制该电流不超过限流目标。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述变电站二次系统电缆屏蔽层寄生电流的不同形式分别设定限流目标，即限流后的最大电缆屏蔽层电流幅值；根据不同的限流目标，分别获取所需要的限制稳态工频感应电流的电感值L1，限制暂态故障电流的电感值L2和和限制暂态雷电流的电感值L3；并选取其中最大的限流电感值L＝max(L1,L2,L3)，作为限制寄生电流所需要的最小限流电感值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电感值L按下式计算：

$L=\frac{4{\mathrm{\π\μN}}^{2}A}{C}---\left(1\right)$

式(1)中，μ为磁环材料的磁导率，N为电缆绕环匝数，A为磁环截面积，C为磁环有效磁路长度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，增大磁环的有效磁路长度C，可以减小磁环饱和；设限流目标为I_M，磁环材料饱和点对应的磁场强度为H_S，磁环上缠绕电缆的匝数为N，则磁环有效磁路长度的约束条件为：

$\frac{N}{C}\≤\frac{H_S}{I_M}---\left(2\right).$

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁环的材料包括硅钢、非晶、微晶、铁氧体和坡莫合金；所述磁环的形状包括圆形和矩形；所述磁环的截面形状包括圆形和矩形；所述磁环为带气隙或者不带气隙的。