隔直裝置安裝位置對電網主變壓器直流偏磁電流分布影響研究

李小鵬,張華杰,吳嘉煜,周文越

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院,四川 成都 610041;2.西南交通大學電氣工程學院,四川 成都 610031)

0 引 言

地鐵雜散電流入侵城市電網后,城市電網主變壓器出現直流偏磁現象,造成變壓器振動加劇、噪聲增大,危害電網安全穩定運行[1-3]。為保障電網及主變壓器運行安全,電網普遍采用安裝隔直裝置的方式阻斷直流入侵,抑制主變壓器直流偏磁發生[4-6]。然而,隔直裝置雖然能有效阻斷流入主變壓器的直流偏磁電流,但由于城市電網中存在復雜的電氣拓撲結構,為直流偏磁電流流通提供多條路徑,頻繁導致城市電網中其他正常運行的主變壓器中性點直流增加,并出現直流偏磁現象[7]。可見,隔直安裝位置的選取對城市電網中直流偏磁電流分布存在一定的影響。因此,為有效抑制電網主變壓器直流偏磁現象發生,有必要分析隔直裝置安裝位置對城市電網中主變壓器直流偏磁電流的影響。

近年來,直流偏磁電流在城市電網中的分布已得到廣泛研究。針對高壓直流輸電引起的直流偏磁電流,文獻[8]考慮土壤結構,基于復鏡像法計算多層水平土壤結構中的電流分布,仿真結果表明直流偏磁電流主要分布于接地極方圓70 km范圍內的城市電網;文獻[9-10]考慮高壓直流輸電接地極與變電站距離、變壓器并聯運行數量和變電站間距等因素對城市電網中主變壓器直流偏磁電流分布的影響。針對地磁暴引起的直流偏磁電流,文獻[11]基于Matlab軟件建立電網等效模型,計算某電網中多座500 kV變電站的直流偏磁電流,仿真結果表明在電網的終點和拐角處容易誘發較大的直流偏磁電流;文獻[12]探究多種高壓直流輸電運行方式對直流偏磁電流分布的影響,結果表明在單極大地回線和雙極運行方式下可能存在直流偏磁電流,而且直流偏磁電流取決于直流極線電阻和接地極電阻等因素。針對地鐵雜散電流引起的直流偏磁電流,文獻[13]基于PSCAD仿真軟件建立交流電網的雜散電流分布仿真模型,仿真分析電網中直流偏磁電流的分布,仿真結果表明直流偏磁電流主要通過電網中的輸電線路傳播;文獻[14]總結土壤電阻率、變電站位置和變電站接地電阻和出線方式等因素對電網中直流偏磁電流分布的影響,提出對變壓器中性點加裝3 Ω限流電阻時可獲得較好直流抑制效果。雖然上述文獻分別探究不同因素對電網中直流偏磁電流分布影響,但是目前未有分析隔直裝置安裝位置對城市電網中直流偏磁電流分布影響的研究。

綜上,下面考慮地鐵網絡結構、換乘站綜合接地系統連接特征以及地鐵網絡和城市電網空間、電氣關系,以西南某城市電網、地鐵網絡為研究對象,基于CDEGS仿真軟件建立耦合模型,探究隔直裝置安裝位置對電網中地鐵雜散電流分布的影響,為選擇隔直裝置安裝位置提供依據。

1 直流偏磁電流仿真計算方法

依據電網與地鐵拓撲結構、電氣設備連接關系,并考慮城市電網與地鐵網絡之間電纜鎧裝層、大地之間的電氣、空間耦合關系,基于CDEGS仿真軟件建立城市電網與地鐵網絡耦合模型。

1.1 地鐵模型

考慮地鐵線路牽引供電系統及回流系統的拓撲結構、電氣設備連接關系,建立地鐵線路模型[15]。在此基礎上進一步考慮地鐵線路間換乘站綜合接地系統電氣連接特征,建立地鐵網絡模型。

1.1.1 地鐵線路模型

地鐵牽引供電系統主要包括接觸網、機車和牽引變電站[16],依據接觸網和牽引變電站連接關系,建立牽引供電系統模型,如圖1所示。

圖1 地鐵線路模型

地鐵回流系統中全線貫通的金屬結構包括軌道、排流網、貫通地線,在實際工程中它們均由多根縱向金屬并聯而成。依據實際工程導體連接結構特征,將軌道、排流網、貫通地線視為多電阻并聯電路,并將其等效為單根縱向導體,如圖1所示。

1)鋼軌:在單行地鐵線路中,兩根鋼軌通過均流線連接組成并聯結構,根據鋼軌的拓撲結構和電氣連接關系,可將兩根鋼軌等效為一根具有單根鋼軌一半電阻值的鋼軌導體。

2)排流網:排流網位于鋼軌正下方,由多根縱向排流條通過橫向鋼筋連接組成并聯結構。同理,根據排流網的拓撲結構和電氣連接關系,可將排流網等效為一根排流網導體。假設縱向排流條總數為n,則排流網導體電阻為單根排流條電阻的1/n。

3)車站接地網:地鐵線路沿線車站的排流網下方設有接地網。根據接地網的拓撲結構和電氣連接關系,可將車站接地網等效為與車站接地網具有相同接地電阻阻值的網狀導體結構,其中網狀導體結構的面積Scz為

(1)

式中:ρd為土壤電阻率;Rdw為接地網的接地電阻。

4)貫通地線:將地鐵全線貫通的35 kV電力電纜的鎧裝層視為貫通地線。由于貫通地線在地鐵全線貫通并在車站位置接地,所以將其等效為一根平行于接觸網且連接地鐵沿線車站接地網的導體。同時,35 kV電力電纜為三相雙回線路,即貫通地線導體電阻為單根35 kV電力電纜鎧裝層電阻的1/6。

1.1.2 地鐵網絡模型

地鐵換乘站連接多條地鐵線路,不同地鐵線路在地鐵換乘站位置都設有單獨的接地網。由于車站接地網與結構鋼筋等自然接地體相連,使得不同地鐵線路在地鐵換乘站通過結構鋼筋實現接地系統電氣連通[17]。

由于CDEGS軟件導體數量有限,可通過將換乘站位置不同的地鐵線路的多個接地網等效為單個接地網,如圖2所示。由于換乘站處多個接地網屬于并聯關系,則換乘站接地網等效導體面積Shc為

圖2 換乘站等效模型

Shc=Scz×m2

(2)

式中,m為途經同一座換乘站的地鐵線路數量。

1.2 電網模型

1.2.1 變壓器模型

變壓器根據繞組結構可分為自耦變壓器、非自耦變壓器。實際工程中,500 kV變電站通常采用自耦變壓器,220 kV變電站通常采用非自耦變壓器[18]。此外,變壓器電阻主要集中在繞組位置,因此不同電壓等級的變壓器分別等效為與繞組相同拓撲結構的導體。

1.2.2 輸電線模型

電網中地鐵雜散電流可通過輸電線、避雷線和電纜鎧裝層在不同變電站間流動。根據輸電線、避雷線和電纜鎧裝層的電氣連接關系,輸電線等效為連接相鄰變電站變壓器的導體;避雷線等效為平行于輸電線并且連接相鄰變電站接地網的導體;電纜鎧裝層也等效為連接相鄰變電站接地網的導體。

1.2.3 隔直裝置模型

由于隔直裝置阻斷直流偏磁電流從變壓器中性點位置入侵城市電網,所以隔直裝置等效為變壓器中性點斷開與變電站接地網的電氣連接。當變壓器模型加裝隔直裝置后,變壓器中性點不連接變電站接地網,即變壓器中性點懸空,如圖3所示。同時,變電站安裝隔直裝置即默認隔直裝置的工作狀態為投入。

圖3 隔直裝置等效模型

圖4 基于CDEGS仿真軟件的耦合模型

1.3 地鐵網絡模型和城市電網模型耦合

地鐵網絡模型和城市電網模型間通過土壤、電纜鎧裝層實現電氣、大地耦合[19]。為實現地鐵網絡模型和城市電網模型的大地耦合,可通過將兩者設置于相同的土壤模型中。

地鐵網絡模型和城市電網模型間主要通過電纜鎧裝層實現電氣耦合。220 kV變電站為110 kV地鐵主所供電電纜和110 kV地鐵主所為地鐵牽引變電站供電電纜在電纜首尾兩端接地,使得地鐵雜散電流可通過電纜鎧裝層從牽引變電站的接地網流入220 kV變電站。電纜鎧裝層等效為連接220 kV變電站接地網和地鐵牽引變電站接地網的導體,該導體電阻Rk為

Rk=Rzs+Rzsdw

(3)

式中,Rzs、Rzsdw分別為110 kV電纜鎧裝層電阻和110 kV地鐵主所接地網接地電阻。

1.4 耦合建模方法應用

西南某城市共有9條地鐵線路采用直流牽引供電,地鐵全網沿線共有300個車站,其中包含153個牽引變電站和40個換乘站,線路累加長度達到364 km。依據該城市地鐵網絡結構及拓撲連接關系,利用地鐵網絡建模方法搭建如圖5所示的地鐵網絡模型。同時,該城市電網包含7座500 kV變電站和61座220 kV變電站,依據該城市電網結構及拓撲連接關系,利用電網建模方法搭建如圖5所示的城市電網模型。根據地鐵網絡和城市電網空間、電氣關系,將22座為地鐵主所供電的220 kV變電站通過電纜鎧裝層導體與對應地鐵牽引變電站接地網相連實現電氣耦合,建立城市電網與地鐵網絡耦合模型。同時規定耦合模型中500 kV變電站編號為a1、a2、a3……;不為地鐵主所供電的220 kV變電站編號為b1、b2、b3……;為地鐵主所供電的220 kV變電站編號為c1、c2、c3……。

圖5 西南某城市的電網與地鐵耦合模型部分拓撲結構

輸電線、鋼軌等設備等效過程中導體電阻率均可以在電力系統和地鐵設計、施工及運行中直接或間接測量得到[17,20-22]。耦合模型基本參數的數值如表1所示。

表1 耦合模型基本參數

2 500 kV變電站安裝隔直裝置對直流偏磁電流分布影響

分析在500 kV電壓等級的變電站位置安裝隔直裝置對城市電網主變壓器直流偏磁電流幅值的影響。設置耦合模型中單座500 kV變電站依次安裝隔直裝置,以典型500 kV變電站a1為例分析。變電站c1、c2、c3、b1是變電站a1安裝隔直裝置后主變壓器直流偏磁電流幅值變化相對較大的變電站,仿真的結果如圖6所示。部分輸電線路電流變化情況如表2所示。

表2 變電站a1隔直前后部分輸電線路電流幅值 單位:A

圖6 500 kV變電站a1及其直連部分變電站主變壓器偏磁電流幅值

由仿真結果可知,當變電站a1安裝隔直裝置后主變壓器直流偏磁電流幅值減小1.29 A,同時該區域變電站c1、c2主變壓器直流偏磁電流幅值小幅抬升。在該區域電網中,變電站c1、c2受到地鐵雜散電流嚴重影響,因此這兩座變電站主變壓器偏磁電流較大,但是當變電站a1安裝隔直裝置后變電站c2、c1主變壓器直流偏磁電流幅值僅分別增加1.50%、0.21%。表2中Ikc2、Ikc1分別為變電站c2、c1的電纜鎧裝層電流,Ila1-c2、Ila1-c1分別為變電站a1和c2、a1和c1輸電線電流。由表2可知,當變電站a1安裝隔直裝置后變電站c2、c1的鎧裝層電流幾乎不變,輸電線電流分別增大0.30 A、0.13 A。

變電站a1與變電站c2、c1的輸電距離分別為23 164 m、7679 m,輸電線路越長意味著線路電阻越大,所以變電站a1安裝隔直裝置只是切斷變電站c2、c1間一條相對高阻的流通路徑。然而,變電站c2、c1通過電纜連接相同的地鐵牽引變電站,變電站a1隔直后地鐵雜散電流仍通過電纜鎧裝層入侵變電站c2、c1,使得該區域中主變壓器直流偏磁電流最大的變電站c1電流幅值僅增長0.21%。

變電站b1、c1與變電站a1之間輸電線長度分別為22 916 m、23 164 m,但是變電站b1、c1分別流入變電站a1抑制主變壓器直流偏磁電流的6%、9%,說明500 kV變電站安裝隔直裝置抑制的主變壓器直流偏磁電流在電網重新分配比例與變電站間輸電線長度沒有直接關系。

綜上,500 kV樞紐變電站a1安裝隔直裝置會導致該區域中多座變電站主變壓器直流偏磁電流幅值抬升,但是變電站a1安裝隔直裝置只是阻斷其連接的變電站站間一條相對高阻的流通路徑。

3 220 kV變電站安裝隔直裝置對直流偏磁電流分布影響

基于建立的城市電網與地鐵網絡耦合模型,分別在是否為地鐵主所供電的兩種變電站安裝隔直裝置,分析對城市電網主變壓器直流偏磁電流幅值的影響。

3.1 不為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置

設置在耦合模型中單座不為地鐵主所供電的220 kV變電站依次安裝隔直裝置,以典型變電站b2為例進行仿真,結果如圖7所示。變電站b2通過輸電線、避雷線與變電站c4、c5直接相連,拓撲連接結構見圖5。圖7中Ib2、Ic4、Ic5分別為變電站b2、c4、c5主變壓器偏磁電流,Ibb2-c4、Ibb2-c5分別為變電站b2和c4、變電站b2和c5間避雷線電流。

圖7 不與地鐵通過電纜相連的220 kV變電站b2隔直前后的導體電流幅值

由仿真結果可知,當變電站b2安裝隔直裝置時主變壓器偏磁電流幅值減小4.54 A,與其直連的變電站偏磁電流總和減少7.13%。在變電站b2隔直前后,變電站b2與變電站c4、c5間的避雷線電流幅值分別相差4.62 A、0.15 A,說明變電站b2安裝隔直裝置后變壓器不再是直流偏磁電流低阻流通路徑,使得變電站b2兩側的避雷線電流的幅值相近。

綜上,不為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置,將導致該變電站避雷線進線、出線電流幅值相近。直流偏磁電流通過避雷線流入電網中其他變電站,增加其他變電站直流偏磁風險。

3.2 為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置

分別在耦合模型中為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置,以典型變電站c6、c7為例進行仿真,結果如圖8和表3所示。變電站c6與變電站c7為相同的地鐵牽引變電站供電,變電站c6通過輸電線、避雷線與變電站b3、c7直接相連,同時變電站c7又通過輸電線、避雷線與變電站c8直接相連,拓撲連接結構見圖5。

表3 變電站c6、c7隔直前后電纜鎧裝層電流

圖8 為地鐵主所供電的220 kV變電站c6、c7及其附近變電站主變壓器偏磁電流幅值

由圖8可知,當變電站c6、c7安裝隔直裝置時主變壓器偏磁電流幅值分別減小25.02 A、20.89 A,變電站c6、c7直連變電站的主變壓器偏磁電流總和分別減少19.08%、15.69%。與地鐵直連的220 kV變電站安裝隔直裝置,導致此類變電站及周圍變電站主變壓器偏磁電流幅值總和明顯減少,抑制效果顯著。由表3可知,在變電站c6、c7均未安裝隔直裝置、變電站c6、c7分別安裝隔直裝置3種工況下,電纜鎧裝層電流幅值總和分別為105.55 A、103.94 A、104.15 A。當變電站c7安裝隔直裝置時變電站c6、c7電纜鎧裝層電流分別增加3.31 A、減少4.71 A,而當變電站c6安裝隔直裝置時變電站c6、c7電纜鎧裝層電流分別減少6.05 A、增加4.44 A。在變電站c6、c7分別安裝隔直裝置時,電纜鎧裝層電流變化趨勢相反,說明對于電纜鎧裝層連接的兩側變電站,當一側變電站安裝隔直裝置會導致另一側變電站流入更多的雜散電流。雖然與地鐵通過電纜鎧裝層相連的220 kV變電站安裝隔直裝置時能減少一定量的電纜鎧裝層電流,但是與地鐵直連的220 kV變電站位于雜散電流入侵電網的重要路徑上,因此仍有大量雜散電流從該位置入侵電網。

4 結 論

通過搭建城市電網與地鐵網絡耦合模型,仿真分析隔直裝置安裝位置對城市電網中地鐵雜散電流分布的影響。分析結果表明:500 kV變電站安裝隔直裝置只是阻斷其連接變電站站間一條相對高阻的流通路徑,對該區域電網主變壓器直流偏磁電流分布影響較小;不為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置后,在一定程度上增加該區域主變壓器的直流偏磁風險;為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置后,與其直連變電站的直流偏磁電流總量減少超過15%,抑制效果顯著。綜上,應重點關注為地鐵主所供電且直流偏磁現象嚴重的220 kV變電站,在此類變電站安裝隔直裝置能有效抑制城市電網中直流偏磁電流。