地鐵雜散電流造成的電網變壓器直流偏磁特征量分析

肖黎，張晶焯，陳龍，伍國興，張繁，賴振宇，徐紅星

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000)

0 引言

隨著城市軌道交通的蓬勃發展，其直流牽引供電系統排放的雜散電流引起的問題日益嚴重。雜散電流會使周邊的埋地金屬構件產生極化電位，造成嚴重的電化學腐蝕，影響地鐵系統的鋼筋主體結構及地下管網系統的金屬管道強度和壽命。該問題已經引起軌道交通及供水供氣等行業重視，并開展了監測與防治工作[1 - 5]。近年來，部分地區供電企業也發現雜散電流會通過電力系統的接地網入侵地鐵沿線的變壓器中性點，導致變壓器嚴重直流偏磁，異響頻發，甚至造成設備結構性異常，嚴重威脅設備及電網安全穩定運行[6 - 8]。

變壓器直流偏磁問題方面的研究目前集中于直流偏磁的產生機理、對變壓器及電網的危害、仿真計算模型以及相關抑制措施[9 - 14]，然而這些成果主要關注的是由特高壓直流輸電工程單極運行或地磁感應電流引起的直流偏磁問題。而對于地鐵雜散電流引起的直流偏磁問題則主要集中于對變壓器的影響、雜散電流分布的仿真計算及抑制措施的研究和應用[15 - 20]，沒有針對入侵變電站的雜散電流本身特性及相關影響因素的分析研究，因而在研究制定抑制措施時缺乏針對性的措施，導致相關措施的經濟性、科學性存疑。

本文基于入侵雜散電流及直流偏磁監控平臺，采集入侵變電站的雜散電流及其引起的變壓器噪聲、振動情況，分析入侵雜散電流的幅值、分布特性等特征，研究雜散電流、噪聲與地鐵運行工況、變電站位置等因素的關系，指出地鐵雜散電流造成的直流偏磁危害及可能的傳播途徑，為更科學經濟地優化配置抑制措施提供可靠依據。

1 入侵雜散電流及直流偏磁監控平臺開發

為方便采集入侵電網的雜散電流及造成的直流偏磁特征量，在500 kV深圳變電站及部分220 kV變電站構成的區域電網中的中性點接地主變壓器(簡稱主變)安裝了相關傳感器，并研發了變電站雜散電流入侵及主變偏磁監控平臺，實現了多站點主變中性點電流、主變振動、噪聲等直流偏磁特征量的同步實時監測、在線分析。

平臺前端硬件部分由傳感器、數據采集模塊、通信模塊、GPS同步模塊、隔直裝置及控制模塊組成，系統示意圖如圖1所示。其中，中性點交、直流傳感器均集成于隔直裝置內部，分別為LZZBJ9-10C型電流互感器、CHB- 80SG/SP1型霍爾傳感器。噪聲傳感器安裝于距離地面1.5 m高，距離主變壓器(簡稱主變)2 m處，型號為JXBS- 3001-ZS。振動傳感器安裝于主變外殼重心處，型號為CJBPZ-I。核心主板插件由高性能低功耗的雙核(ARM+DSP)一體處理器和大規模可編程門陣列實現，采用16位A/D變換器，具有極高的測量精度，暫態采樣速率可達12.8×103次/秒。

圖1 平臺前端系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the front-end system of the platform

在軟件部分，基于Java開發了后臺處理程序，服務器采用Linux操作系統(CentOS7)，數據庫采用Mysql 5.7.25版本，保證足夠的數據處理能力和安全性。利用Freemarker、EasyUI及Echarts部件開發了基于Web的前端顯示界面，實現基于瀏覽器訪問功能，方便快捷。軟件平臺界面如圖2所示。

圖2 軟件平臺界面Fig.2 Software platform interface

2 入侵變壓器中性點的雜散電流特性分析

基于入侵雜散電流及直流偏磁監控平臺，采集了多個220 kV及以上電壓等級變電站變壓器中性點雜散電流，并對其周期、幅值等特性開展分析。參考直流偏磁監測相關標準，設定雜散電流正方向為由主變中性點流向大地。

2.1 雜散電流幅值

首先，從一個自然周的維度，分析雜散電流的特性。2020年4月11日至4月17日，220 kV水貝站5號主變中性點的雜散電流如圖3所示。

圖3 220 kV水貝站5號主變中性點雜散電流Fig.3 Stray current through the neutral point of the No. 5 transformer in 220 kV Shuibei substation

由圖3可以看出，雜散電流在每天凌晨約00:40至05:30時間段內時間幅值很低，基本保持在0 A，而在05:30至次日00:40時間段內幅值明顯較高，正負交替變化，最高幅值可達114 A，遠遠超過技術規范中直流耐受值。根據監測結果，各變電站主變中性點雜散電流出現時間基本相同，幅值均表現為正負交替變化，但最大幅值存在較大差異。此外，結合監測和現場測試結果，投入隔直裝置時，水貝站5號主變的A加權噪聲為62 dB，退出隔直裝置后，該主變A加權噪聲為84 dB，上升了22 dB，且振動水平也明顯提高，說明雜散電流造成了非常嚴重的直流偏磁問題。

相較于直流單極運行等特殊工況下入侵主變中性點的直流電流，地鐵雜散電流存在的時間更長，且幅值也很高，幅值變化存在隨機性。經測試，隔直裝置沿用按電流幅值投退的策略時，一天內會動作超過200次，嚴重影響使用壽命。因此，針對雜散電流入侵嚴重的變電站，優化隔直裝置投退策略為按時間投退：在地鐵運營時間內保持隔直裝置投入，其余時間退出，以充分保障設備安全穩定運行。

2.2 雜散電流分布特性

各變電站周邊地鐵線路分布、土壤電阻率等參數不盡相同，且各地鐵雜散電流隨機車加速、制動、行進位置等工況隨機變化。根據地鐵雜散電流沿地鐵線路鋼軌分布式排放，并通過大地入侵變壓器中性點的假設推論，各變電站主變中性點雜散電流幅值及波動情況不盡相同。在實際監測結果中，這類差異確實大量存在，如圖4(a)所示，220 kV經貿站主變中性點雜散電流幅值明顯高于220 kV李朗站，且幅值的增大、減小等變化不存在同步關系，兩者完全不相關。

圖4 不同變電站中性點雜散電流波形Fig.4 Stray current through the neutral points of different substations

但根據監測結果，如圖4(b)所示，220 kV東湖站與220 kV經貿站雜散電流幅值大小、變化趨勢都基本一致，波形相似度達95%以上。另外，220 kV東湖站與220 kV水貝站雜散電流變化趨勢也基本一致，但水貝站雜散電流負向電流幅值更大，波形相似度達70%。上述3座變電站所在區域附近有5條建設時期、發車周期等參數均不同的地鐵線路，且該3座變電站附近地鐵線路分布情況不盡相同，如圖2所示，而入侵該3座變電站的雜散電流顯然是來自同一雜散電流源。由此，可以推測地鐵系統中存在阻抗遠低于其他路徑的集中排放、回流的薄弱點，即可能存在一條金屬性的雜散電流入侵回路，通過該薄弱點排放或回流的雜散電流幅值明顯高于鋼軌等地鐵直流供電系統負極的其他組成部分。

該金屬性回路的可能構成方式如圖5所示。根據地鐵設計規范，地鐵車站的接地網可通過換乘站地網連接貫通，而車站地網與主供電所地網之間通過電纜鎧裝形成金屬性連接。主供電所地網與變電站地網之間可能通過架空地線或者電纜鎧裝形成金屬性連接，或者其地網可能直接與輸電桿塔、電纜豎井地網直接相連。此外，地鐵鋼軌可能由于絕緣降低等原因，與地網直接相連，從而形成了地鐵鋼軌與電網系統接地網之間的雜散電流入侵的金屬性路徑。由于架空地線或電纜鎧裝層的直流電阻，高于輸電線路及變壓器繞組構成的回路，因此雜散電流會通過主變中性點進入主變繞組，通過母線、輸電線路到達另一變電站的母線，再經過主變繞組、中性點完成回流。因此，在考慮針對性治理措施時，應該以切斷該金屬性路徑為目標，從源頭進行隔離，以節省在各臺主變中性點加裝隔直裝置的成本，并避免變壓器中性點不直接接地造成的零序回路阻抗改變、過電壓等設備和電網運行風險。

圖5 雜散電流金屬性入侵路徑Fig.5 Metallic path of the invading stray current

2.3 雜散電流流動方向

根據監測結果，各變電站根據中性點雜散電流方向特點可以分為4類：1)如前文圖3所示，220 kV水貝站中性點雜散電流的負向幅值明顯更高，說明雜散電流的主要方向為由大地流向主變中性點，共有14座變電站具有類似的特性；2)220 kV宏圖站等8座變電站雜散電流的正負幅值基本相等，雜散電流的流入流出較為均衡；3)220 kV駿康站等6座變電站的雜散電流則表現為正向幅值較高，雜散電流主要方向為由主變中性點流向大地；4)部分距離地鐵線路較遠且母線分列運行的變電站，如220 kV遠豐站，2臺主變中性點雜散電流的方向相反，大小基本相等，即雜散電流經由一臺主變中性點流入大地后，又流入另一臺主變中性點。因此，對于部分距離地鐵線路較遠且母線分列運行的變電站，在考慮針對性治理措施時，可以嘗試僅在其中一臺主變中性點加裝隔直裝置，即可阻斷雜散電流傳播路徑。

3 直流偏磁特征量的影響因素分析

3.1 時間段

2020年4月1日至4月7日220 kV水貝站5號主變中性點雜散電流如圖6所示。

圖6 220 kV水貝站5號主變中性點雜散電流Fig.6 Stray current through the neutral point of the No. 5 transformer in 220 kV Xinshuibei substation

由圖6可以看出，4月1日至4月3日工作日早、晚出行高峰雜散電流幅值均明顯增大；清明節期間無早晚高峰，全天幅值變化較為平穩。此外，結合圖3及圖6，可以看出周末及法定假日期間雜散電流全天幅值較小，工作日雜散電流幅值明顯高于節假日。這是由于入侵變壓器中性點的雜散電流實質上是在地鐵車輛運行過程中，作為直流供電系統負極的鋼軌對大地及埋地金屬泄露的地鐵牽引電流，在早晚出行高峰及工作日，乘客較多，地鐵運行功率較高，牽引電流較大，且地鐵運行班次較多，因此雜散電流更大。

3.2 附近地鐵線路數量

選取附近僅有地鐵3號線高架區段的220 kV簡龍站進行分析。在非早晚高峰時間內，地鐵列車發車間隔較為固定，且列車加速、制動運行具有一定的周期性規律，因此簡龍站變壓器中性點雜散電流及直流偏磁噪聲具有一定的周期性，峰值-峰值(峰谷-峰谷)時間間隔約等于列車發車間隔，約為145～150 s，如圖7所示。

圖7 220 kV簡龍站3號主變中性點雜散電流及噪聲Fig.7 Stray current and noise through the neutral point of the No. 3 transformer in 220 kV Jianlong substation

而在地鐵線路較為密集的區域，如圖4中所示的220 kV經貿站和東湖站，其主變中性點雜散電流及噪聲、振動則沒有表現出明顯的周期性特點。

3.3 地鐵特殊運行方式及結構

2018年9月16日，受臺風“山竹”影響，12:00前深圳地鐵高架區段停運，行車間隔延長，12:00后所有地鐵線路全部停運，9月17日所有地鐵線路恢復運行。將9月16日簡龍站3號主變中性點雜散電流與地鐵正常運行狀態進行對比，如圖8所示。

圖8 臺風期間與正常工況下雜散電流對比Fig.8 Comparison of the stray current between typhoon period and normal condition

由圖8可以看出，臺風登陸當天，隨著地鐵高架區段停運，簡龍站3號主變中性點雜散電流幅值已經明顯降低，而東湖站等位于地鐵地下段附近的變電站雜散電流幅值則僅因行車間隔延長，減小了5 A左右。說明地鐵高架區段也會大量排放雜散電流，通過結構中的鋼筋等金屬流入大地，并入侵附近變電站。因此，在制訂相關防治措施時，也需要針對性地考慮地鐵高架區段附近的變電站問題。而在地鐵完全停運后，主變中性點雜散電流并沒有像凌晨時段一樣完全消失，其原因可能是雖然地鐵停止運營載客，但仍有車輛回場等空載行車情況，導致雜散電流的排放。

3.4 變電站位置

將各變電站變壓器中性點雜散電流平均幅值與變電站和地鐵線路之間距離的關系，繪制成曲線，如圖9所示。

圖9 雜散電流幅值與變電站和地鐵線路之間距離的關系Fig.9 Relationship between the stray current amplitude and distance between substation and subway line

由圖9可知，兩者并不是簡單的線性關系。其中，距離地鐵線路最遠的220 kV駿康站的雜散電流的平均幅值與幾乎位于地鐵線路上方的220 kV玳田站非常接近，達到了30 A。而雜散電流平均幅值最高則發生在220 kV水貝站、交椅站，幅值達到約70 A，遠大于距離地鐵線路更近的220 kV濱河站、經貿站及中航站。

分析原因，一方面，部分距離地鐵線路較近的變電站，如220 kV水貝站，可能與地鐵系統接地網存在金屬性連接，導致入侵的雜散電流幅值較高；另一方面，當不存在金屬性傳播路徑時，土壤電阻率對雜散電流傳播路徑阻抗也有關鍵性影響。根據圖9，沿海、河流或湖泊附近地區變壓器中性點雜散電流幅值水平高于內陸地區。這是由于海水的電阻率為4 Ω·m，淤泥電阻率為20 Ω·m，均遠低于深圳地區土壤電阻率，導致海、湖邊地電位較低，雜散電流更易入侵海邊及湖邊的變電站，而220 kV駿康站位于海岸線邊，因此雖然距離地鐵線路直線距離較遠，但仍受到雜散電流的嚴重影響。在今后規劃選址新變電站時，應考慮上述因素，以盡量避免雜散電流的影響。

此外，由圖9可知，監測范圍內所有變壓器中性點均出現了雜散電流，且70%以上的變壓器中性點雜散電流幅值超過20 A，說明地鐵系統雜散電流對電網影響范圍廣，并且影響程度非常嚴重。

4 結論

本文研發了變電站雜散電流入侵及主變偏磁監控平臺，采集了多個220 kV及以上電壓等級變電站變壓器中性點的雜散電流及變壓器噪聲、振動情況，分析了入侵雜散電流的幅值、分布特性等特征，研究了雜散電流、噪聲與地鐵運行工況、變電站位置等因素的關系，結論如下。

1)入侵變壓器中性點的地鐵雜散電流幅值高，存在時間長，覆蓋范圍廣，造成的直流偏磁嚴重，且電流波動存在隨機性，為防治增加了困難，建議隔直裝置采用按時間投退的策略。

2)大部分變電站主變中性點雜散電流波形不同，但也存在部分波形相似性極高的情況，說明地鐵系統雜散電流除沿地鐵線路鋼軌排放外，還存在集中排放、回流的薄弱環節，且與電網間存在金屬性傳播路徑。采用阻斷該入侵路徑的方式治理，將會比安裝隔直裝置更經濟高效。

3)主變中性點雜散電流及其引起的直流偏磁特征量受時間段、地鐵運行方式、變電站位置及附近地鐵線路數量、結構等因素影響明顯，部分變電站雜散電流及噪聲存在周期性特點，高架段地鐵線路也會產生雜散電流排放。在新變電站規劃選址及研究制定防治措施時應考慮相關因素的影響。