浅谈二次地网干扰及接地状态监测

　　曹沁婕 陈鲤镔 杜劝业 陈华寿 高华荣

　　【摘 要】近年来，随着通信、微机自动化及变电设备制造等各种技术的日益发展，电网规模的不断发展和扩大，变电站的数量也在逐步增多，变电站的系统容量也越来越大。变电站的接地网变得尤为重要。本文通过对二次地网状态的监测现状及分析和对二次地网的主要干扰源的产生及危害等方面进行深入研究和分析，并提出一种基于无线通信方式的分布式的二次地网状态及抗干扰的接地状态在线监测装置及方法，解决当前二次地网运行状态无监测或监测采集点有限的问题，提升电力系统的安全性。

　　【关键词】二次等电位接地网；可靠性接地；抗干扰；接地状态；二次设备

　　引言

　　随着我国的经济和科技的高速发展，电力系统中变电站的规模也在不断发展和壮大，电力系统的容量也在不断地增加，变电站的等电位接地系统设计也是越来越复杂，要求也是越来越高，变电站的接地系统的短路容量设计要求也越来越大，而变电站的主地网主要是同时连接着全站的高压侧和低压侧的电气仪器设备的接地线、低压侧用电系统的接地线以及通信系统、计算机等监控系统设备的接地线、各种电缆的屏蔽层等等各种二次等电位接地网，当线路或设备发生接地故障或存在其他大电流窜入主接地网时，即使主接地网与各个二次接地网之间的接地电阻值比较小，也可能会产生几百伏的电压，甚至更高的电压，就更别说接地电阻较大的时候，这将会直接导致变电站的主接地网的地电位出现异常升高。如果二次等电位接地网未经过其他保护装置而是直接接入了变电站的主接地网，这不仅会对二次设备及装置产生较大干扰和危害，尤其是对那些需要双端接地方式的控制电缆屏蔽层来说，在屏蔽层接地的两端由于地电位的电势差差异会产生不平衡电流，根据电磁场理论，该不平衡电流所产生的交变磁场将会在电缆芯线上产生一个交变的感应电压，严重时将会影响到二次运行设备的正常工作，甚至带来严重的干扰。因此，监测二次等电位接地网运行状态是非常必要的。

　　然而在业内，正是缺少可以检测变电站的二次等电位接地网运行状态的装置，导致变电站内的二次等电位接地网运行状态处于无监测或者监测采集点非常有限，导致了当前变电站的二次接地网的运行状态不能全面覆盖监测。由此可能产生严重的安全隐患，甚至会影响到变电站二次设备的安全运行。

　　一、二次接地网的监测现状

　　变电站的主接地网是将变电站和变电站内所有运行的设备接地点与大地或地下水的接触体系连接起来，以组成一个大型的变电站接地系统。其主要作用和目的是包括排除全站内不同位置的接地电位差异与保护人员人身安全，以防止人员触电、保护站内运行设备的安全、维护电力系统的安全和稳定性等。为确保变电站内所有的电气二次设备运行的安全可靠性，通常采用的措施就是需要在全站内设置二次等电位接地网。等电位接地网是遍布整个变电站二次系统的接地装置,当变电站出现接地短路故障时可以保护二次系统设备不受一次系统不平衡电压的干扰,避免二次设备损坏和误动的发生。而变电站的二次等电位接地网主要是应用于变电站内所有的保护、监控、通信、计量、照明等二次设备及其所连接的光缆，以及电缆的屏蔽层接地，这也是保证二次运行设备的安全、可靠运行的一种重要手段。变电站二次等电位接地网是通过一点接地的方式接入变电站主接地网。变电站二次设备接地的可靠性，直接关系到人员人身安全和设备安全[1]。

　　随着我国变电站的规模不断发展和扩大，变电站接地系统的短路容量也是越来越大，线路或设备发生短路故障时入地的电流最大可达几百安培甚至高达几千安培，由于在大型的电厂或变电站中，现场实际接地电阻值可能不为零，当站内系统发生短路故障或者是雨雪天气可能发生雷击情况下，变电站的地网可能就会存在着非常大的电流窜入地网从而在二次接地网中两处不同接地位置之间将会形成较大的电势差，流过接地点的短路电流就会在这个电阻上产生一个很大的压降，从而导致远离接地点的电势可以认为是零电势，这样从接地点位置到零电位处的接地网上就会产生从高至低的不均匀电势差 。这可能会造成地电位异常升高。如果二次接地系统未经其他保护装置而直接接入主地网，不仅对二次设备产生较大危害，甚至还危及人员的人身安全，严重时还有可能导致二次运行设备受变电站地网不均匀的电势差影响，从而可能导致保护误动发生、影响二次设备的正常运行。

　　然而当前情况往往由于缺少可以检测二次等电位接地网运行状态的装置，变电站内等电位接地网运行状态处于无监测或监测采集点有限的状态，导致当前二次接地网运行状态不能全面覆盖监测，尤其是对一些高压场地重要电缆回路的抗干扰能力更得不到有效监测，一旦重要的电缆回路状态出现问题，无法及时获知，大大增加了电网安全运行风险。尤其是对那些需要双端接地方式的控制电缆屏蔽层来说，严重时将会影响到二次运行设备的正常工作，甚至起火。这将会带来严重的社会影响和财产损失。

　　二、二次接地网的干扰分析

　　根据相关的统计数据分析，变电站的二次等电位接地网主要的干扰源有以下几种：高频干扰、50Hz的工频干扰以及雷电引起的干扰。下面对这几种干扰源的产生原因和危害进行分析。

　　（一）高频干扰

　　尤其是一些经过高压场地或开关场地的二次回路的电缆，特别是那些重要的通信回路、信号检测回路的电缆以及控制电缆，当带电高压母线的高压隔离开关在合闸或分闸操作时，很容易产生拉弧现象，每次拉弧都会产生频率很高的电流波或电压波。而这些电流波和电压波前沿都很陡，频率高、幅值很大，能量大，它们会传向高压母线侧并通过各种电容性的装置、设备或者是在长电缆分布电容的作用下发生耦合作用，耦合到站内地网中去。而这些频率很高的电流波和电压波在每一个有断口的高压回路地方都可能会产生反射作用，从而引起高频振荡现象。这些高频振荡有可能会与那些经过高压场地或开关场地的二次回路电缆发生耦合作用，引起感应的干扰电压进入二次电缆回路中，从而导致了二次设备的通信、检测等方面产生异常。尤其是对二次回路的通信电缆的影响更为明显。因此，可以考虑在需要经过高压场地或开关场地的通信电缆采用双层屏蔽层的电缆，内屏蔽层在室内端采取单端接地方式，而外屏蔽层即采取两端接地的方式，加大接地铜牌的接触面积等，这样可以屏蔽大部分的高频干扰信号耦合到通信电缆中。这些接地点应可靠接至二次等电位接地网的接地铜牌上，同时也要对这些电缆屏蔽层接地状态进行可靠监测。

　　（二）50 Hz工频干扰

　　一般来说，变电站里的主地网并不是绝对意义上的等电位面或等电位体，故在二次接地网的不同点之间是会存在着不同大小的接地电阻，因此在地网的不同点之间也是存在一定大小的电位差。当一次侧的系统电源发生相间短路故障时，此时注入主接地网中的短路故障电流就会很大，在主接地网内的不同位置点之间产生的电位差就有可能会比较大，如果此时正好有一个二次回路的线路电缆在变电站里的不同地方也正好同时发生了接地故障，那么主接地网中的这个地电位差就会被引入到该连通的二次回路中，从而引起原本不该有的工频干扰。在某些特定条件下，地网中的这个地电位差有可能会干扰到二次运行设备的正常运行、检测。对于这种干扰，研究称之为50 Hz工频干扰[2]。

　　（三）雷电引起的干扰

　　每当雷雨天气下，发生雷击时，雷电波在电磁耦合的作用下，有可能在站内地网与导线等导体间会感应出很高的干扰电压。特别是在雷雨天气下，如果雷电直接击到了户外的线路或塔杆等导电物体时，就会有很大的雷击电流能量流入到主接地网中，由于变电站里的主地网并不是绝对意义上的等电位面，是存在着一定大小的接地电阻，流过接地点的雷击电流就会在这个电阻上产生一定的压降，而远离接地点的电压可以近似地认为是零电压，这样从接地点位置至零电位处之间在接地网上就会产生一个从高至低的不均匀的电势差。这样可能造成地网中接地点位置的地电位异常升高。由于二次回路电缆的屏蔽层接入了地网，所以雷击电流在注入变电站主地网的同时也在二次回路的电缆中在屏蔽层内会有暂态电流的产生，这个暂态电流又会使电缆的芯线产生感应的高频干扰电压。在另一方面，在外线路上产生的过电压也有可能通过安装在线路上测量用的电压互感器或电流互感器继而引入到二次回路中，造成二次回路高频雷电波干扰。根据开展的地网冲击特性测试，试验结果表明，试验回路中注流点、回流点的选择会明显影响地网电位分布和电流的大小。在雷电冲击下地网高电位区域会集中在注流点附近,远离注流点的区域地网电位分布较均匀,注流点附近区域的地网散流变化大,远离注流点区域的地网散流较平均[3]。

　　三、二次接地网的抗干扰监测

　　现有的规程规范对于二次等电位系统的屏柜接地设置、室内等电位地网与主地网的连接方式、电缆沟屏蔽铜排的设置方面存在差异。在变电站内的二次同电位接地网中，不仅要单独组网，而且必须与站内主接地网一点相连接，因为二次接地网既不能不与主地网连接，也不能进行多点相连接。如果变电站内的二次同电位接地网与站内主地网不连接，那么在二次同电位接地网的接地电阻不能满足相关的设计要求；如果存在多点相连接，当站内主地网地电位不平衡时，二次同电位接地网就会由于主地网的不平衡电压的影响，对二次设备的通信、测量等产生严重的干扰。因此，需要监测变电站内主地网与二次同电位接地网的连接处的地网电流大小。为此，我们提出研制一种具备二次接地网可靠性监测仪器，可以实现一次接地网对二次接地网干扰、连接可靠性的监测以及数据查询功能,同时具有在线监测二次地网接地电缆状态和故障判断、故障报警、故障记录等功能,对电力系统的安全稳定运行极具重要意义。

　　目前我国在大中型发电厂或变电站中同电位接地网的运行状态大多数是处于无监测状态或者地网监测采集点极其有限，导致当前二次接地网的运行状态无法全面覆盖监测；同时在高压场地内的重要电缆回路的抗干扰能力也得不到有效的监测，尤其是当重要电缆回路状态出现问题时，就无法及时获知，大大增加了电网系统的安全运行风险。同时随着电力系统的迅速发展和规模的扩大，当系统发生接地或短路故障时可能会发生很大的故障电流窜入到主地网中，而当前变电站内由于缺少对二次地网与主地网连接处的有效监测，无法预知大的故障电流窜入到主地网中对二次地网的影响以及对各二次设备冲击的程度。因此，需要对变电站的二次地网与主地网连接处的接地状态进行监测。

　　首先，在变电站的二次地网与主地网连接处以及各高压室、通信室、保护室、高压场地的端子箱等二次地网连接处进行多点布设电流互感器和采集模块，并同时对高压场地内的重要电缆回路进行放置电流互感器以及采集模块进行地网的地电位监测，对重瓦斯和轻瓦斯等主变重要回路的屏蔽层接地处也进行监测。采取多点布设电流采集模块以及电流互感器，并通过采用远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）传输方式将全部的采集模块进行组网并上传至主机监控、判断及显示处理，实现变电站内二次同电位接地网的全方位进行监控。可解决当前由于采集点分散布线施工困难而无法全面监测二次等电位接地网的困境。

　　其次，可定期通过装置的历史数据对二次地网的连接状态和电缆抗干扰能力进行分析，特别是可直观反映系统发生接地及短路故障时，发生大电流窜入主地网时对二次地网的影响以及对各二次运行设备冲击的程度，可以进一步作为二次地网与电网抗干扰能力的研究和实验素材；通过数据导出单元可以离线导出数据，自动定期分析二次地网的连接状态和电缆抗干扰能力。这提高了电网系统安全运行的水平，对于电网系统的运行具有显著的意义。

　　因此，提出一种基于无线传输方式的分布式二次地网抗干扰和接地状态在线监测装置及方法，可有效地解决当前二次地网的运行状态处于无监测或监测采集点有限的尴尬境地，同时也可有效地提升电力系统的安全性。该装置可以智能监测二次地网的运行状态，实现变电站内二次地网的全面监测，可以有效避免二次地网的接地运行状态无监控的困境；同时，也对重要回路电缆的抗干扰能力得到有效监测，可以提前预知二次电缆回路的状态，为维护检修人员提供检修的依据和数据，而且采用无线传输方式将监测数据上传送至主机监控，实现二次地网的多方位监控，满足灵活布置监测采集点的需求。解决二次地网无法全方位监测的问题，有助于提升电厂或变电站等电力系统运行的安全性。

　　结语

　　综上所述，变电站二次等电位接地网用于变电站内监控、保护、测量、通信等二次设备及连接光缆、电缆的接地,是保证二次设备安全可靠运行的重要手段。研究通过对二次等电位接地网与主地网连接处以及各高压室、通信室、保护室、高压场地端子箱等二次等电位接地网连接处进行多点布设采集终端和电流互感器，通过采集检测电流互感器在其连接处流过的电流大小，利用无线传输方式上传至主机监控并显示，可以实现变电站内二次地网的多方位监控，满足了灵活布置监测采集点的需求。同时对高压场地重要回路电缆的屏蔽层接地抗干扰能力进行监测，可以提前预知二次回路电缆接地状态。并且定期通过装置的历史数据进行分析二次地网监测状态及重要回路抗干扰能力，可以及时发现问题，同时也提高电网安全运行可靠性。本文通过探讨了变电站二次等电位接地网的干扰源，阐述并分析了其检测方法，可以实现二次地网的多方位监控，从而及时发出告警信息。为有效地开展进一步的二次地网研究实验提供了参考。

　　参考文献：

　　[1] 徐兴发,彭岳云,付睿卿.一种具备录波功能的二次地网可靠性监测装置的设计与应用[J].电气技术与经济，2025,30(01):1201-1208.

　　[2] 肖磊石,张波,李谦,等.分布式等电位接地网与变电站主接地网连接方式[J].高电压技术,2015,41(12):4226-4232.

　　[3] 郭宜果,魏鑫,王慧轩.变电站二次等电位接地网设置方法[J].山东电力技术,2020,47(02)：132-138.

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