地鐵雜散電流造成的電網(wǎng)變壓器直流偏磁特征量分析

肖黎，張晶焯，陳龍，伍國(guó)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(fā)展，其直流牽引供電系統(tǒng)排放的雜散電流引起的問(wèn)題日益嚴(yán)重。雜散電流會(huì)使周邊的埋地金屬構(gòu)件產(chǎn)生極化電位，造成嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，影響地鐵系統(tǒng)的鋼筋主體結(jié)構(gòu)及地下管網(wǎng)系統(tǒng)的金屬管道強(qiáng)度和壽命。該問(wèn)題已經(jīng)引起軌道交通及供水供氣等行業(yè)重視，并開(kāi)展了監(jiān)測(cè)與防治工作[1 - 5]。近年來(lái)，部分地區(qū)供電企業(yè)也發(fā)現(xiàn)雜散電流會(huì)通過(guò)電力系統(tǒng)的接地網(wǎng)入侵地鐵沿線的變壓器中性點(diǎn)，導(dǎo)致變壓器嚴(yán)重直流偏磁，異響頻發(fā)，甚至造成設(shè)備結(jié)構(gòu)性異常，嚴(yán)重威脅設(shè)備及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[6 - 8]。

變壓器直流偏磁問(wèn)題方面的研究目前集中于直流偏磁的產(chǎn)生機(jī)理、對(duì)變壓器及電網(wǎng)的危害、仿真計(jì)算模型以及相關(guān)抑制措施[9 - 14]，然而這些成果主要關(guān)注的是由特高壓直流輸電工程單極運(yùn)行或地磁感應(yīng)電流引起的直流偏磁問(wèn)題。而對(duì)于地鐵雜散電流引起的直流偏磁問(wèn)題則主要集中于對(duì)變壓器的影響、雜散電流分布的仿真計(jì)算及抑制措施的研究和應(yīng)用[15 - 20]，沒(méi)有針對(duì)入侵變電站的雜散電流本身特性及相關(guān)影響因素的分析研究，因而在研究制定抑制措施時(shí)缺乏針對(duì)性的措施，導(dǎo)致相關(guān)措施的經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性存疑。

本文基于入侵雜散電流及直流偏磁監(jiān)控平臺(tái)，采集入侵變電站的雜散電流及其引起的變壓器噪聲、振動(dòng)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(yùn)行工況、變電站位置等因素的關(guān)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(xué)經(jīng)濟(jì)地優(yōu)化配置抑制措施提供可靠依據(jù)。

1 入侵雜散電流及直流偏磁監(jiān)控平臺(tái)開(kāi)發(fā)

為方便采集入侵電網(wǎng)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(gòu)成的區(qū)域電網(wǎng)中的中性點(diǎn)接地主變壓器(簡(jiǎn)稱主變)安裝了相關(guān)傳感器，并研發(fā)了變電站雜散電流入侵及主變偏磁監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多站點(diǎn)主變中性點(diǎn)電流、主變振動(dòng)、噪聲等直流偏磁特征量的同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線分析。

平臺(tái)前端硬件部分由傳感器、數(shù)據(jù)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(tǒng)示意圖如圖1所示。其中，中性點(diǎn)交、直流傳感器均集成于隔直裝置內(nèi)部，分別為L(zhǎng)ZZBJ9-10C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(jiǎn)稱主變)2 m處，型號(hào)為JXBS- 3001-ZS。振動(dòng)傳感器安裝于主變外殼重心處，型號(hào)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(guī)?？删幊涕T陣列實(shí)現(xiàn)，采用16位A/D變換器，具有極高的測(cè)量精度，暫態(tài)采樣速率可達(dá)12.8×103次/秒。

圖1 平臺(tái)前端系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the front-end system of the platform

在軟件部分，基于Java開(kāi)發(fā)了后臺(tái)處理程序，服務(wù)器采用Linux操作系統(tǒng)(CentOS7)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Mysql 5.7.25版本，保證足夠的數(shù)據(jù)處理能力和安全性。利用Freemarker、EasyUI及Echarts部件開(kāi)發(fā)了基于Web的前端顯示界面，實(shí)現(xiàn)基于瀏覽器訪問(wèn)功能，方便快捷。軟件平臺(tái)界面如圖2所示。

圖2 軟件平臺(tái)界面Fig.2 Software platform interface

2 入侵變壓器中性點(diǎn)的雜散電流特性分析

基于入侵雜散電流及直流偏磁監(jiān)控平臺(tái)，采集了多個(gè)220 kV及以上電壓等級(jí)變電站變壓器中性點(diǎn)雜散電流，并對(duì)其周期、幅值等特性開(kāi)展分析。參考直流偏磁監(jiān)測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定雜散電流正方向?yàn)橛芍髯冎行渣c(diǎn)流向大地。

2.1 雜散電流幅值

首先，從一個(gè)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(hào)主變中性點(diǎn)的雜散電流如圖3所示。

圖3 220 kV水貝站5號(hào)主變中性點(diǎn)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(shí)間段內(nèi)時(shí)間幅值很低，基本保持在0 A，而在05:30至次日00:40時(shí)間段內(nèi)幅值明顯較高，正負(fù)交替變化，最高幅值可達(dá)114 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)技術(shù)規(guī)范中直流耐受值。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，各變電站主變中性點(diǎn)雜散電流出現(xiàn)時(shí)間基本相同，幅值均表現(xiàn)為正負(fù)交替變化，但最大幅值存在較大差異。此外，結(jié)合監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，投入隔直裝置時(shí)，水貝站5號(hào)主變的A加權(quán)噪聲為62 dB，退出隔直裝置后，該主變A加權(quán)噪聲為84 dB，上升了22 dB，且振動(dòng)水平也明顯提高，說(shuō)明雜散電流造成了非常嚴(yán)重的直流偏磁問(wèn)題。

相較于直流單極運(yùn)行等特殊工況下入侵主變中性點(diǎn)的直流電流，地鐵雜散電流存在的時(shí)間更長(zhǎng)，且幅值也很高，幅值變化存在隨機(jī)性。經(jīng)測(cè)試，隔直裝置沿用按電流幅值投退的策略時(shí)，一天內(nèi)會(huì)動(dòng)作超過(guò)200次，嚴(yán)重影響使用壽命。因此，針對(duì)雜散電流入侵嚴(yán)重的變電站，優(yōu)化隔直裝置投退策略為按時(shí)間投退：在地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)保持隔直裝置投入，其余時(shí)間退出，以充分保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)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(shù)不盡相同，且各地鐵雜散電流隨機(jī)車加速、制動(dòng)、行進(jìn)位置等工況隨機(jī)變化。根據(jù)地鐵雜散電流沿地鐵線路鋼軌分布式排放，并通過(guò)大地入侵變壓器中性點(diǎn)的假設(shè)推論，各變電站主變中性點(diǎn)雜散電流幅值及波動(dòng)情況不盡相同。在實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果中，這類差異確實(shí)大量存在，如圖4(a)所示，220 kV經(jīng)貿(mào)站主變中性點(diǎn)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(guān)系，兩者完全不相關(guān)。

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

但根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖4(b)所示，220 kV東湖站與220 kV經(jīng)貿(mào)站雜散電流幅值大小、變化趨勢(shì)都基本一致，波形相似度達(dá)95%以上。另外，220 kV東湖站與220 kV水貝站雜散電流變化趨勢(shì)也基本一致，但水貝站雜散電流負(fù)向電流幅值更大，波形相似度達(dá)70%。上述3座變電站所在區(qū)域附近有5條建設(shè)時(shí)期、發(fā)車周期等參數(shù)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(lái)自同一雜散電流源。由此，可以推測(cè)地鐵系統(tǒng)中存在阻抗遠(yuǎn)低于其他路徑的集中排放、回流的薄弱點(diǎn)，即可能存在一條金屬性的雜散電流入侵回路，通過(guò)該薄弱點(diǎn)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(tǒng)負(fù)極的其他組成部分。

該金屬性回路的可能構(gòu)成方式如圖5所示。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，地鐵車站的接地網(wǎng)可通過(guò)換乘站地網(wǎng)連接貫通，而車站地網(wǎng)與主供電所地網(wǎng)之間通過(guò)電纜鎧裝形成金屬性連接。主供電所地網(wǎng)與變電站地網(wǎng)之間可能通過(guò)架空地線或者電纜鎧裝形成金屬性連接，或者其地網(wǎng)可能直接與輸電桿塔、電纜豎井地網(wǎng)直接相連。此外，地鐵鋼軌可能由于絕緣降低等原因，與地網(wǎng)直接相連，從而形成了地鐵鋼軌與電網(wǎng)系統(tǒng)接地網(wǎng)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(gòu)成的回路，因此雜散電流會(huì)通過(guò)主變中性點(diǎn)進(jìn)入主變繞組，通過(guò)母線、輸電線路到達(dá)另一變電站的母線，再經(jīng)過(guò)主變繞組、中性點(diǎn)完成回流。因此，在考慮針對(duì)性治理措施時(shí)，應(yīng)該以切斷該金屬性路徑為目標(biāo)，從源頭進(jìn)行隔離，以節(jié)省在各臺(tái)主變中性點(diǎn)加裝隔直裝置的成本，并避免變壓器中性點(diǎn)不直接接地造成的零序回路阻抗改變、過(guò)電壓等設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

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(dòng)方向

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，各變電站根據(jù)中性點(diǎn)雜散電流方向特點(diǎn)可以分為4類：1)如前文圖3所示，220 kV水貝站中性點(diǎn)雜散電流的負(fù)向幅值明顯更高，說(shuō)明雜散電流的主要方向?yàn)橛纱蟮亓飨蛑髯冎行渣c(diǎn)，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(fù)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(xiàn)為正向幅值較高，雜散電流主要方向?yàn)橛芍髯冎行渣c(diǎn)流向大地；4)部分距離地鐵線路較遠(yuǎn)且母線分列運(yùn)行的變電站，如220 kV遠(yuǎn)豐站，2臺(tái)主變中性點(diǎn)雜散電流的方向相反，大小基本相等，即雜散電流經(jīng)由一臺(tái)主變中性點(diǎn)流入大地后，又流入另一臺(tái)主變中性點(diǎn)。因此，對(duì)于部分距離地鐵線路較遠(yuǎn)且母線分列運(yùn)行的變電站，在考慮針對(duì)性治理措施時(shí)，可以嘗試僅在其中一臺(tái)主變中性點(diǎn)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(shí)間段

2020年4月1日至4月7日220 kV水貝站5號(hào)主變中性點(diǎn)雜散電流如圖6所示。

圖6 220 kV水貝站5號(hào)主變中性點(diǎn)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(jié)期間無(wú)早晚高峰，全天幅值變化較為平穩(wěn)。此外，結(jié)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(jié)假日。這是由于入侵變壓器中性點(diǎn)的雜散電流實(shí)質(zhì)上是在地鐵車輛運(yùn)行過(guò)程中，作為直流供電系統(tǒng)負(fù)極的鋼軌對(duì)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(yùn)行功率較高，牽引電流較大，且地鐵運(yùn)行班次較多，因此雜散電流更大。

3.2 附近地鐵線路數(shù)量

選取附近僅有地鐵3號(hào)線高架區(qū)段的220 kV簡(jiǎn)龍站進(jìn)行分析。在非早晚高峰時(shí)間內(nèi)，地鐵列車發(fā)車間隔較為固定，且列車加速、制動(dòng)運(yùn)行具有一定的周期性規(guī)律，因此簡(jiǎn)龍站變壓器中性點(diǎn)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(shí)間間隔約等于列車發(fā)車間隔，約為145～150 s，如圖7所示。

圖7 220 kV簡(jiǎn)龍站3號(hào)主變中性點(diǎn)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(qū)域，如圖4中所示的220 kV經(jīng)貿(mào)站和東湖站，其主變中性點(diǎn)雜散電流及噪聲、振動(dòng)則沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的周期性特點(diǎn)。

3.3 地鐵特殊運(yùn)行方式及結(jié)構(gòu)

2018年9月16日，受臺(tái)風(fēng)“山竹”影響，12:00前深圳地鐵高架區(qū)段停運(yùn)，行車間隔延長(zhǎng)，12:00后所有地鐵線路全部停運(yùn)，9月17日所有地鐵線路恢復(fù)運(yùn)行。將9月16日簡(jiǎn)龍站3號(hào)主變中性點(diǎn)雜散電流與地鐵正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8 臺(tái)風(fēng)期間與正常工況下雜散電流對(duì)比Fig.8 Comparison of the stray current between typhoon period and normal condition

由圖8可以看出，臺(tái)風(fēng)登陸當(dāng)天，隨著地鐵高架區(qū)段停運(yùn)，簡(jiǎn)龍站3號(hào)主變中性點(diǎn)雜散電流幅值已經(jīng)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(zhǎng)，減小了5 A左右。說(shuō)明地鐵高架區(qū)段也會(huì)大量排放雜散電流，通過(guò)結(jié)構(gòu)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(guān)防治措施時(shí)，也需要針對(duì)性地考慮地鐵高架區(qū)段附近的變電站問(wèn)題。而在地鐵完全停運(yùn)后，主變中性點(diǎn)雜散電流并沒(méi)有像凌晨時(shí)段一樣完全消失，其原因可能是雖然地鐵停止運(yùn)營(yíng)載客，但仍有車輛回場(chǎng)等空載行車情況，導(dǎo)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(diǎn)雜散電流平均幅值與變電站和地鐵線路之間距離的關(guān)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(guān)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(jiǎn)單的線性關(guān)系。其中，距離地鐵線路最遠(yuǎn)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(dá)到了30 A。而雜散電流平均幅值最高則發(fā)生在220 kV水貝站、交椅站，幅值達(dá)到約70 A，遠(yuǎn)大于距離地鐵線路更近的220 kV濱河站、經(jīng)貿(mào)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(tǒng)接地網(wǎng)存在金屬性連接，導(dǎo)致入侵的雜散電流幅值較高；另一方面，當(dāng)不存在金屬性傳播路徑時(shí)，土壤電阻率對(duì)雜散電流傳播路徑阻抗也有關(guān)鍵性影響。根據(jù)圖9，沿海、河流或湖泊附近地區(qū)變壓器中性點(diǎn)雜散電流幅值水平高于內(nèi)陸地區(qū)。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(yuǎn)低于深圳地區(qū)土壤電阻率，導(dǎo)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(yuǎn)，但仍受到雜散電流的嚴(yán)重影響。在今后規(guī)劃選址新變電站時(shí)，應(yīng)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(jiān)測(cè)范圍內(nèi)所有變壓器中性點(diǎn)均出現(xiàn)了雜散電流，且70%以上的變壓器中性點(diǎn)雜散電流幅值超過(guò)20 A，說(shuō)明地鐵系統(tǒng)雜散電流對(duì)電網(wǎng)影響范圍廣，并且影響程度非常嚴(yán)重。

4 結(jié)論

本文研發(fā)了變電站雜散電流入侵及主變偏磁監(jiān)控平臺(tái)，采集了多個(gè)220 kV及以上電壓等級(jí)變電站變壓器中性點(diǎn)的雜散電流及變壓器噪聲、振動(dòng)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(yùn)行工況、變電站位置等因素的關(guān)系，結(jié)論如下。

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

2)大部分變電站主變中性點(diǎn)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(shuō)明地鐵系統(tǒng)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(huán)節(jié)，且與電網(wǎng)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(huì)比安裝隔直裝置更經(jīng)濟(jì)高效。

3)主變中性點(diǎn)雜散電流及其引起的直流偏磁特征量受時(shí)間段、地鐵運(yùn)行方式、變電站位置及附近地鐵線路數(shù)量、結(jié)構(gòu)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(diǎn)，高架段地鐵線路也會(huì)產(chǎn)生雜散電流排放。在新變電站規(guī)劃選址及研究制定防治措施時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)因素的影響。