城市軌道交通雜散電流對電網(wǎng)變壓器的影響及分析

阮 莊，丁永盛，楊 帆，阮嘉誠，唐澤洋

（1.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077；2.湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引 言

雜散電流指在設(shè)計(jì)電路之外流動(dòng)的電流，通常是由外界條件影響產(chǎn)生的。在城市軌道交通中，由于各種用電設(shè)備接地，容易形成雜散電流循環(huán)。目前，我國對城市軌道交通中雜散電流的研究主要集中在金屬建筑物受到的腐蝕及其防護(hù)措施上，而針對雜散電流對變壓器運(yùn)行影響的研究尚有不足。文章以某城市電網(wǎng)為例，探討雜散電流的形成原因和應(yīng)對措施。

1 城市軌道交通雜散電流研究

1.1 產(chǎn)生原因

以城市軌道交通中的地鐵為例，主要采用直流供電形式，經(jīng)饋電線持續(xù)向列車輸送電流，利用鋼軌與導(dǎo)線形成的返回線進(jìn)行回流。返回線路本身具有一定的電阻特性，能夠承載電流。然而在電流返回過程中，如果出現(xiàn)壓降現(xiàn)象，鋼軌上便會形成電壓。由于鋼軌與大地之間并非完全絕緣，而是存在一定的過渡電阻，當(dāng)鋼軌上存在電壓時(shí)，便會與過渡電阻相互作用，從而產(chǎn)生雜散電流。對于地鐵供電系統(tǒng)而言，經(jīng)常會出現(xiàn)同一線路存在多輛機(jī)車通行的情況，此時(shí)機(jī)車運(yùn)行區(qū)域與雜散電流入地區(qū)域重疊。由于多臺機(jī)車雜散電流的疊加，變壓器中性電流變化較快。同時(shí)，機(jī)車的負(fù)載程度、與變壓器之間的間隔，都會直接影響雜散電流的大小。一般當(dāng)機(jī)車運(yùn)行間隔較短且在軌數(shù)量偏多時(shí)，就會引發(fā)變壓器中性點(diǎn)電流劇烈波動(dòng)。

1.2 對電網(wǎng)變壓器的影響

在220 kV 主變中性點(diǎn)注入地鐵雜散電流時(shí)，將大地注入記作正，將流出變壓器記作負(fù)，進(jìn)一步測量電流幅值。通過對直流電流進(jìn)行24 h 測試分析，最終發(fā)現(xiàn)直流電流的正負(fù)變化速度較快，大約每30 s便會出現(xiàn)一次從正到負(fù)再到正的變化。在測量中，直流電流在正、負(fù)方向的最大數(shù)值分別為16.3 A、19.5 A。此外，測試過程中還發(fā)現(xiàn)主變存在直流偏磁問題，持續(xù)時(shí)間超過18 h。直流偏磁不僅會導(dǎo)致勵(lì)磁電流增加，還會加深鐵芯飽和水平，進(jìn)而加劇油箱和夾件的渦流損耗，造成繞組溫度異常。隨著漏磁通的大幅提升，繞組電動(dòng)力增大，噪聲也會相應(yīng)增加。長此以往，必然會導(dǎo)致變壓器的機(jī)械性能無法達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。一旦出現(xiàn)短路故障，極有可能引發(fā)電網(wǎng)事故。

變壓器中性點(diǎn)的最大偏磁電流通常會受到變壓器結(jié)構(gòu)和鐵芯材料的影響，這些具體數(shù)據(jù)可以直接向制造商咨詢。若制造商無法提供準(zhǔn)確信息，則應(yīng)參考直流接地極技術(shù)導(dǎo)則，確保偏磁電流的設(shè)計(jì)不超過單相變壓器額定電流的0.3%。一旦發(fā)現(xiàn)繞組直流電流超過允許范圍，應(yīng)立即采取限流措施或安裝隔直裝置，以阻斷中性點(diǎn)直流電流。

2 電網(wǎng)變壓器的保護(hù)措施

2.1 串流電阻法

串流電阻法是在中性點(diǎn)串聯(lián)電阻，通過適當(dāng)提高直流回路阻抗，起到限制直流電流的作用。該方法的主要優(yōu)勢在于設(shè)備運(yùn)行可靠性較高、旁路系統(tǒng)動(dòng)作特性分散，但也存在無現(xiàn)場監(jiān)測、變壓器中性點(diǎn)無法有效接地、每個(gè)站點(diǎn)都要重新設(shè)計(jì)電阻值的問題。在實(shí)際使用時(shí)，串聯(lián)電阻值應(yīng)盡可能偏低。因?yàn)樵摲椒ㄖ荒軐?shí)現(xiàn)部分直流的抑制，所以應(yīng)充分考慮實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。如果電阻值選擇過大，可能會影響交流系統(tǒng)的參數(shù)，甚至影響保護(hù)設(shè)備的正常動(dòng)作。

2.2 反向電流注入法

反向電流注入法是借助直流電源持續(xù)向中性點(diǎn)注入直流電流，保證直流電流方向與偏磁電流方向完全相反。通過適當(dāng)調(diào)整注入電流的幅值，使其略低于偏磁電流，從而產(chǎn)生抵消電流的效果，有效消除偏磁現(xiàn)象對變壓器的不良影響。該方法的優(yōu)勢在于裝置運(yùn)行可靠性高，并且不會對繼電保護(hù)產(chǎn)生影響。然而由于該方法無法直接改變中性點(diǎn)的接線方式，實(shí)際使用時(shí)需要另建輔助接地極，為持續(xù)注入電流提供回路。此外，該方法也存在一些不足之處，如無旁路系統(tǒng)、難以完全實(shí)現(xiàn)電流隔離、整體工程造價(jià)較高以及注入地網(wǎng)的電流可能引發(fā)二次污染等。在實(shí)際應(yīng)用中，需要充分考慮實(shí)際情況，以控制設(shè)備功率消耗為目標(biāo)，在滿足經(jīng)濟(jì)性原則的基礎(chǔ)上合理使用該方法，防止注入地網(wǎng)電流的過度提升，從而減輕地網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

2.3 串聯(lián)電容法

串聯(lián)電容法是將電容器串聯(lián)在電源與電機(jī)之間，使電源產(chǎn)生相位差，進(jìn)而利用設(shè)備隔直流通交流的特性來抑制直流電流。該方法具有較多優(yōu)勢，如設(shè)備運(yùn)行可靠性高、雙旁路系統(tǒng)可靠性高、便于現(xiàn)場監(jiān)測和遠(yuǎn)程操控、中性點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)可靠接地、無過電壓問題以及能夠在站內(nèi)實(shí)現(xiàn)安裝等。但這種方法也存在會改變中性點(diǎn)接地特性的不足，在出現(xiàn)接地故障時(shí)，容易對繼電保護(hù)產(chǎn)生影響。在實(shí)際應(yīng)用該方法時(shí)，需要謹(jǐn)慎評估電容器接入后對繼電保護(hù)的影響，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。其工作原理如圖1 所示。

2.4 差動(dòng)保護(hù)

差動(dòng)保護(hù)是一種基于電流互感器檢測電流矢量差來觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作的過程。當(dāng)差動(dòng)電流達(dá)到設(shè)定的動(dòng)作值時(shí)，保護(hù)設(shè)備會啟動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作元件。將流入節(jié)點(diǎn)的電流總量作為基準(zhǔn)值，一旦電流超過預(yù)設(shè)的閾值，保護(hù)設(shè)備便會自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。具體來說，當(dāng)差動(dòng)電流超過保護(hù)設(shè)備的整定值時(shí)，上位機(jī)會發(fā)出指令，觸發(fā)保護(hù)出口動(dòng)作，從而跳開斷路器，使故障裝置與電源斷開[2]。簡而言之，差動(dòng)保護(hù)是變壓器的主要保護(hù)手段，其安裝和布設(shè)基于循環(huán)電流的原理。

2.5 負(fù)壓過流保護(hù)

負(fù)壓過流保護(hù)以負(fù)序電壓繼電器為主，以低壓繼電器為輔。當(dāng)任一繼電器動(dòng)作時(shí)，過電流繼電器會相應(yīng)動(dòng)作，最終啟動(dòng)整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)。其主要功能是解決系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，線路端兩相短路或低電壓閉鎖情況下，故障電流未能達(dá)到速斷整定值的問題。從本質(zhì)上來看，負(fù)壓過流保護(hù)是相間故障的后備保護(hù)措施。研究發(fā)現(xiàn)，在中性點(diǎn)接入0.1 Ω 電容前后，并未對相間電壓產(chǎn)生影響，也未對相間短路產(chǎn)生明顯影響，更不會干擾負(fù)壓過流保護(hù)的靈敏度。

2.6 零序電壓保護(hù)

零序電壓保護(hù)是在電流接地系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，借助接地過程中形成的零序電流來觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)零序電壓保護(hù)設(shè)備安裝在電纜線路中時(shí)，通常會配備專門的互感設(shè)備，達(dá)到接地保護(hù)的目的。一般情況下，零序過流保護(hù)不會因兩相短路而觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，并且在系統(tǒng)振蕩過程中也不會產(chǎn)生零序分量，具有極高的靈敏度。

3 基于串聯(lián)電容法的隔直設(shè)備

基于串聯(lián)電容法的隔直設(shè)備（以下簡稱電容法隔直設(shè)備）主要由電容器、旁路單元、電壓采集單元、電流采集單元以及數(shù)字控制器組成。電容器通常選擇適用于50 Hz 交流系統(tǒng)的配置，其阻值為0.1 Ω。該設(shè)備的工作狀態(tài)可以分為2 種：一是在直接接地狀態(tài)下，機(jī)械開關(guān)保持閉合，中性點(diǎn)經(jīng)機(jī)械開關(guān)接地；二是在隔直狀態(tài)下，機(jī)械開關(guān)保持閉合，中性點(diǎn)經(jīng)電容器接地。當(dāng)設(shè)備處于隔直狀態(tài)且系統(tǒng)存在不對稱故障時(shí)，如果電容器端電壓超過旁路單元的電壓限值，旁路單元就會瞬時(shí)導(dǎo)通，從而有效保護(hù)旁路。同時(shí)，這一動(dòng)作會進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)機(jī)械開關(guān)閉合，實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)接，真正意義上達(dá)到電容器保護(hù)的目的[3]。

4 電容法隔直設(shè)備對變壓器保護(hù)的影響

變壓器的設(shè)計(jì)通常遵循特定的操作參數(shù)范圍，超過這些范圍會導(dǎo)致過負(fù)荷情況。在沒有適當(dāng)保護(hù)措施的情況下，持續(xù)的過負(fù)荷運(yùn)行會導(dǎo)致變壓器溫升過高，進(jìn)而損壞絕緣系統(tǒng)，縮短使用壽命，甚至引發(fā)故障。電容法隔直設(shè)備通過控制傳遞給變壓器的電流來防止過負(fù)荷[4]。電容法隔直技術(shù)能夠有效平滑輸入變壓器的電流波形，減少瞬時(shí)峰值電流造成的沖擊，保護(hù)變壓器免受瞬時(shí)過負(fù)荷影響，延長其使用壽命。

此外，電容法隔直裝置的過負(fù)荷保護(hù)還有助于防止由于系統(tǒng)異常或操作錯(cuò)誤導(dǎo)致的長期過負(fù)荷情況，利用電容調(diào)節(jié)通過的電流，自動(dòng)控制負(fù)載水平，減少單個(gè)變壓器所需承擔(dān)的負(fù)載。在應(yīng)用電容法隔直設(shè)備時(shí)，技術(shù)人員需要考慮其與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性，確保正確安裝并與其他保護(hù)元件協(xié)同工作，以提供全面且持續(xù)有效的保護(hù)，從而提高整體供電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和效率。

干擾通常會降低電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致敏感設(shè)備誤操作或失效。電容法隔直設(shè)備的應(yīng)用可以顯著減少由交流側(cè)波動(dòng)引起的非期望直流分量，并從交流電網(wǎng)中隔離出純凈的直流信號，對于確保線路穩(wěn)定供電至關(guān)重要。在電力傳輸過程中，非線性負(fù)載如整流器、變頻器等產(chǎn)生的諧波干擾經(jīng)常對系統(tǒng)造成困擾，導(dǎo)致熱損耗增加、設(shè)備老化甚至失效。電容法隔直設(shè)備有助于濾除這些高頻諧波分量，為其他設(shè)備提供更加安全可靠的運(yùn)行環(huán)境。

電容法隔直設(shè)備不僅能夠有效阻斷高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的直接聯(lián)系，還能提升整個(gè)系統(tǒng)的絕緣等級。即使高壓側(cè)發(fā)生故障，其影響也不會通過隔離設(shè)備傳遞到低壓側(cè)，從而為用戶側(cè)的安全提供有力的保障。此外，電容法隔直設(shè)備還具備抑制浪涌電壓的能力。浪涌是一種在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的高幅度、瞬態(tài)過電壓事件，可能由雷擊或開關(guān)操作等引發(fā)。而電容法隔直設(shè)備可以吸收并緩解瞬態(tài)浪涌，從而起到預(yù)防浪涌電壓的作用[5]。

5 結(jié) 論

通過分析城市軌道交通雜散電流對電網(wǎng)變壓器的影響，發(fā)現(xiàn)地鐵的直流供電方式是導(dǎo)致雜散電流形成的主要原因。雜散電流會經(jīng)過變壓器中性點(diǎn)，進(jìn)而引發(fā)直流偏磁問題。通過將中性點(diǎn)與電容隔直設(shè)備串聯(lián)，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定的參考意義。