交流控制回路中悬浮电位排查分析及抑制措施

罗梓聪 包威 朱昊

摘 要：随着电网自动化程度的提高，长距离控制电缆成为电力设备远控系统中不可或缺的一部分。因此，交流控制回路容易产生较高的悬浮电位，导致设备存在误动的风险。鉴于此，结合工程实例，通过多轮试验结合理论分析阐明了悬浮电位产生的原因，并列举了可行有效的抑制措施。

关键词：交流控制回路；悬浮电位；抑制措施

中图分类号：TM645.2    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）03-0016-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.004

0    引言

在工程设计中，为节省施工及材料成本，普遍选择多芯屏蔽控制电缆作为控制回路，在控制距离较长且电缆中存在交流电源回路的情况下，往往容易忽视悬浮电位对设备产生的干扰，给生产运行带来隐患。

某500 kV变电站主变扩建工程竣工验收期间，运行人员发现35 kV区域刀闸/地刀交流控制回路电缆存在较高的异常电位，其控制回路均使用220 V交流电源，在特定运行方式下测得非通电回路电位最高达137 V。

1    悬浮电位产生原因分析

1.1    刀閘/地刀交流控制回路原理图

以某个35 kV电容器组为例，该间隔内的一组刀闸（下文均以1G表示）、两组地刀（下文均以1GD及2GD表示）及一组间隔电机电源空开的远方遥控回路共用一根19芯控制电缆，规格为ZA-KVVP2P/22-19×1.5，线芯截面为1.5 mm2，起点为刀闸汇控箱，终点为继保室内测控屏，使用长度约140 m。每组回路使用3根芯，用于遥控公共端、远方合闸以及远方分闸。其中1～12芯为在用线芯，13～19芯作为备用芯，如图1～3所示。

1.2    不同运行方式对悬浮电位的影响

合上刀闸/地刀控制电源空开和电机电源遥控空开，将该间隔分别调整为运行、热备用、冷备用及检修状态，并逐一测量刀闸、地刀回路所有电缆线芯电位，数据如表1所示。

结果表明，在冷备用状态下，各线芯电位最大，其中5号及6号线芯为137 V。即同一根电缆中，施加220 V的线芯越多，其感应电叠加效应越明显。而且感应电位的分布也因距离带电线芯的远近而异，离得最近的电位最大。

1.3    异常电位产生的可能原因

1）寄生回路影响：刀闸、地刀控制回路中存在寄生回路。遥控公共端均配置联锁回路，分别串接相关设备机构箱的分位辅助接点，怀疑该部分与分、合回路存在窜电。

2）站内二次接地网接触不良：室内外电位差导致电缆铠装层、屏蔽层流过大电流，由于电磁感应作用，在电缆线芯产生感生电动势。

3）场地其他大电流回路影响：本次悬浮电位较大的电缆均穿越了另外一片35 kV一次设备区域，可能低容低抗投入运行时大电流回路产生的强交变磁场，导致该区域电缆线芯产生感生电动势。

4）电缆本身质量问题：本批次电缆质量不达标（供货厂家为品牌A公司），可能存在屏蔽层或线芯外绝缘层材料不满足规程。

5）长距离交流回路电缆电容效应：继保室至扩建35 kV区域电缆沟大于100 m，由于分布电容的存在，长电缆中带有交流电压的线芯会在其相邻线芯形成感应电压。

2    异常电位产生原因排查及试验情况

2.1    试验1：分段排除寄生回路

在开关冷备用状态下，在刀闸汇控箱将至各机构箱联锁部分的回路在柜内短接，测量电缆各线芯电位，对比短接之前略有下降，但最大电压仍超过130 V。在开关、1G、1GD、2GD机构箱端子排处将联锁节点依次短接，线芯电位变化不明显。在刀闸汇控箱内将至各机构箱的回路全部断开，仅保留继保室测控屏到汇控箱部分，电位情况与前面较为一致。断开刀闸汇控箱内总电源，全部线芯电位降至5 V以下。

试验结论：1）经排查未发现寄生回路；2）初步判断感应电源来自本电缆内部。

2.2    试验2：排查电缆绝缘问题

将电缆所有线芯两侧断开，使用2 500 V摇表测量全部线芯对地及线芯间绝缘，结果均大于100 MΩ。

试验结论：电缆本身绝缘无异常。

2.3    试验3：排除地网接触不良造成的影响

电缆铠装层及屏蔽层接地方式为：铠装层两侧接地，内外屏蔽层在继保室侧接地，现场汇控箱侧不接地。现场分别验证电缆铠装层两侧接地、一侧接地、不接地以及屏蔽层两侧接地、一侧接地、不接地各种方式下各线芯电位无明显变化。

试验结论：站内地网连接情况与悬浮电位形成无明显联系。

2.4    试验4：排除周边区域大电流回路的影响

现场将电缆穿越至投运区域的一次设备全部转热备用，该区域仅有站用变高压侧开关在运行，一次运行电流不大于3 A。测量电缆各线芯电位无变化。

试验结论：悬浮电位形成与周边一次设备运行无明显联系。

2.5    试验5：排除外部回路干扰及途经场地影响

在刀闸汇控箱至继保室测控屏之间场地的电缆沟外，敷设一根同型号的19芯电缆及一根10芯电缆，路径与当前电缆一致，测量电缆绝缘合格，并按标准工艺做好铠装层及屏蔽层接地措施，分别将两根电缆1芯接入220 V电压，测量其余线芯电压，最大电位均大于90 V；拆除铠装及屏蔽层接地，测量电位无明显变化；从设备区引入一根同规格型号的19芯电缆，长度约100 m，按标准工艺做好铠装层及屏蔽层接地措施，将电缆1芯接入220 V电压，测量其余线芯电压，最大电位大于90 V。

试验结论：1）完全排除外部回路的干扰后，使用不同芯数的电缆进行试验仍存在较大电位，进一步论证了悬浮电位非本电缆之外的回路影响造成，属于该电缆内部带电线芯的影响；2）悬浮电位与途经场地无明显联系。

2.6    试验6：排除电缆批次性质量问题

在刀闸汇控箱至继保室测控屏之间场地的电缆沟外放置一根由品牌B公司生产的同型号同规格的19芯电缆进行同工况对比，发现两个厂家19芯电缆内部线芯的排布方式具有一定的规律性：1～7号芯内圈螺旋绕接，8～19芯外圈螺线绕接。分别将品牌A与品牌B电缆的1芯、19芯接入220 V电压，各线芯感应电位情况如表2所示。

从表2数据可见，两个不同厂家、同规格型号的产品，悬浮电位的大小及分布无明显差异。因此，带电芯在内圈时，其余线芯产生的感应电普遍较大；带电芯在外圈时，其余线芯产生的感应电较小。

试验结论：1）排除品牌A本批次电缆质量问题；2）带电线芯的调整影响其他线芯电缆的感应电位分布，且带有一定规律性。

2.7    试验7：验证感应电位分布规律

现场将电缆的7根备用芯接地，不同方式下依次测量各线芯电位，测得感应电压有明显的减小。

调整电缆回路线芯位置，将带电线芯1、4、7、10号芯由15、19、11、12号芯代替，其余线芯也使用外圈芯代替。采取上述方法进行验证，均可发现感应电压有明显的减小，最大值可降至80 V。数据如表3所示。

2.8    试验8：验证问题共性

针对同类型已投运间隔开展电位测试，相比于扩建区域少了一组电源遥控回路，结果如表4所示。

從上述试验可见，当该间隔处于冷备用状态时，刀闸、地刀远方控制回路公共端同时带有220 V电压，此时其他线芯感应电最大可达103 V。其余间隔情况类似，当3个公共端同时带电时，最大感应电位超过100 V，2个公共端同时带电时，最大感应电位超过80 V。

试验结论：较长距离的交流控制电缆存在较高悬浮电位是交流控制回路中的共性问题。

3    试验总体结论

根据上述试验结果，针对交流控制回路存在较高悬浮电位问题的总体结论如下：

1）试验排除了寄生回路及交直流串电、电缆质量、站内接地网及外部强电磁场影响的因素，导致产生感应电位的影响电源来自电缆内部。

2）发现带电线芯的位置会影响电位分布，由于边缘线芯分布电容值略高于中间线芯，相邻线芯之间略高于不相邻线芯，因此认为感应电压是由控制电缆中存在分布电容引起的。实际上任何两个绝缘导体之间都存在电容，例如导线之间、导线和大地之间，都是被绝缘层和空气介质隔开的，所以也都存在着电容，这种非电容形态形成的一种分布参数就是分布电容，且分布电容的数值与电缆长度有关，如图4所示。

3）同一根电缆内部带电线芯数量越多，感应电压叠加效应越明显。

4）通过调整线芯位置、将备用芯接地、减少电缆内部同时带电线芯的数量均可有效减小悬浮电位值。

4    现场处理方案及抑制效果

由上文第二部分的试验分析可知，通过调整线芯位置、将备用芯接地、减少电缆内部同时带电线芯的数量均可有效减小悬浮电位值，其中备用线芯接地的做法，不符合设计规范要求，且存在内部线芯绝缘值下降时可能造成控制回路直接接地的风险，不宜作为现场整改措施。

综合上文试验6、7的结论，现场采取整改方案如下：将原19芯电缆内4组回路（使用12芯）拆分为19芯电缆+10芯电缆，各通2组回路。电缆一用于刀闸和第一组地刀回路，电缆二用于第二组地刀和电源遥控空开回路，回路一原本带电的1、4号芯调整为15、14号芯，使公共端远离其他线芯；回路二的带电芯为6、7号芯。采取整改措施后实测数据如表5所示。

可见，经过现场整改后，在冷备用状态时，4组控制回路公共端同时带电情况下，分合闸回路感应出的最大电位为58 V。现场对整改后的另外5个间隔进行测量，各种运行方式下最大悬浮电位均不大于58 V。

另外，上述设备间隔在运行状态、热备用状态下，可通过保持间隔刀闸、地刀控制电源空开断开的方式，进一步避免控制回路分、合闸继电器误动的风险。

5    悬浮电位的抑制和消除方法

文献[1-5]指出，针对交流控制回路因分布电容效应导致的感应电压问题，常见抑制措施有以下几种：

1）优化线芯选用。电缆内离带电线芯最远的线芯感应电压最小，选用外圈线芯作为遥控公共端，实际中不止有一根线芯常带电，可以通过实测来挑选感应电压最低的线芯替换引起故障的感应电压高的线芯。

2）备用芯接地。同一屏蔽层内任一线芯的感应电对其他线芯的感应电压都有一定的叠加效果，虽然对于整体屏蔽的控制电缆，其内部线芯的感应电是无法彻底消除的，但将备用芯接地有助于其他线芯感应电压的降低。

3）采用单芯屏蔽电缆。在图纸设计阶段，可以考虑采用分屏加总屏的控制电缆，每根线芯均包裹有独立的铜带屏蔽层，将屏蔽层可靠接地可有效减少对地电容及线芯间电容，降低感应电压。

4）回路分缆。存在两种分缆方式，一是降低一根电缆中公共端数量，抽取部分控制回路配置独立的电缆，削弱感应电压叠加效应；二是将公共端全部提取出来独立成缆，与分合闸回路分开，即便在几组控制回路同时带电的情况下，也不存在误动的风险。

5）采用直流控制回路。直流控制回路无交流感应电位问题。

6    结论

针对变电站新扩建35 kV设备区域交流控制回路悬浮电位产生的原因，本文进行了分析排查，并通过多项试验得出了相应的解决方法。现场最终采取回路分缆及优化线芯选用相结合的方案，有效可靠地减小了悬浮电位。建议后续在设计和施工中对悬浮电位问题给予足够的重视，从源头上加以避免和解决。如需彻底消除，建议将相关控制回路改为直流电源。如需进一步降低电位值，可采用进一步分缆的方式，即每一组回路使用一根多芯电缆，以便减少感应电压的叠加影响，同时细化线芯位置，将悬浮电位降至最低。

[参考文献]

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[3] 陈丹光.交流控制回路中不容忽视的电缆电容[J].中国海上油气（工程），2001，13（4）：24-26.

[4] 李军.控制电缆感应电的产生原理及其故障排除[J].山西电力，2015（5）：48-50.

[5] 刘宏伟.交流控制回路中感应电压的产生及消除方法[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2015（7）：254-255.

收稿日期：2023-10-23

作者简介：罗梓聪（1996—），男，广东广州人，助理工程师，从事变电运行工作。

包威（1984—），男，广东茂名人，硕士，工程师，从事变电运行管理工作。

朱昊（1995—），男，广东揭阳人，助理工程师，从事变电运行工作。