长沙地铁轨道交通对交流电网的影响及治理措施的研究

刘味果，周卫华，叶会生，彭平，吴晓文

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

长沙地铁轨道交通对交流电网的影响及治理措施的研究

刘味果，周卫华，叶会生，彭平，吴晓文

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

在城市地铁轨道交通中，供电牵引网采用直流供电方式，部分牵引电流经钢轨泄漏到地下形成杂散电流，引起周边电力变压器产生直流偏磁现象。文中分析了地铁轨道交通对变压器的影响，通过采用电容隔直方式抑制变压器中性点直流电流，有效解决了变压器直流偏磁问题，保障了主变运行安全。

地铁轨道交通；杂散电流；直流偏磁；变压器

高压及特高压直流输电在系统调试、检修或发生单极故障的情况下，采用单极大地回线的运行方式。单极大地回线运行时，巨大的直流电流经接地极流入大地，造成较大范围的地电位变化，使得变电站主变中性点流过直流电流，引起变压器发生直流偏磁〔1－2〕。在城市地铁轨道交通中，供电牵引网采用直流电供电方式，通常采用铁轨作为供电的一极。然而，地铁钢轨很难做到对大地的完全绝缘，因此有一部分杂散电流经钢轨泄漏到地下，杂散电流也会对周边的电力变压器产生不利的影响〔3〕。

发生直流偏磁后，产生的直流磁势或直流磁通会引起变压器一系列电磁效应，将引起变压器励磁电流大幅增加，铁心饱和程度加深，造成局部过热。同时漏磁通的大幅增加，也会导致绕组电动力增大，使变压器振动、噪声加剧。在偏磁电流的长期作用下，会使变压器的机械性能、抗短路能力下降，从而在变压器遭受外部突发短路故障时，引发更大的电网事故。

长沙市地铁轨道交通已有1条线路在运营，5条线路在试运行或在建中，计划到2030年建成12条地铁线路，形成“米”字形构架，呈中心轴带放射形态，总里程为456 km。随着长沙2号地铁延长线运营，220 kV某电站主变出现振动及噪声异常情况。

1 地铁轨道交通杂散电流

地铁轨道交通供电电源一般取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和轨道交通供电系统实现电力的输送或变换，地铁供电一般间隔几个站设置一个牵引变电所，牵引所将三相交流电整流成直流电(750～1 500 V)，由馈电线将直流电输送给接触网或第三轨，通过弓网或第三轨受流为列车供电，如图1所示。

图1 地铁牵引供电系统示意图

牵引电流经由钢轨(也称走行轨)、回流线返回牵引变电所。由于钢轨不能做到对地的完全绝缘，有一小部分从轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到地铁道床及周围土壤介质中，形成杂散电流。杂散电流通过沿线的道床钢筋、隧道、高架桥或建筑物的结构钢筋或土壤回流到牵引变电所负极，城轨杂散电流分布及其等效电路如图2所示。钢轨对地的泄漏电阻一般在5～100 Ω/km，当地铁列车行驶时，泄漏电流就通过泄漏电阻流入大地，形成移动的泄漏电流源〔4－5〕。国内地铁轨道交通工程的接地系统设计均要求接地电阻小于0.5 Ω，而电力系统的220 kV变电站接地网要求接地电阻也小于0.5 Ω，当城市地铁线路与周边变电站距离较近时，地铁的杂散电流容易通过变电站接地网流入变压器绕组中，造成变压器直流偏磁问题。

图2 城轨杂散电流分布及其等效电路

2 现场情况

220 kV某变电站位于长沙市河西高新开发区，是大河西先导区的重要电源点，站内现有两台180 MVA容量主变，其中一台主变220 kV中性点侧接地运行。

2015年底，巡检时发现220 kV侧接地的1号主变噪声存在异常情况，且异常噪声呈周期性反复出现，最大噪声接近85 dB，另外红外检测发现变压器油箱大盖螺栓存在发热现象，最高热点温度达到183℃。铁心夹件电流、油色谱分析均无异常现象。

在对1，2号主变完成倒换中性点接地操作后，1号主变异常噪声消失，接地的2号主变即刻出现与之前1号变类似异常噪声现象。同样，2号主变噪声起伏较大，最高噪声为89.5 dB，最低噪声为67.6 dB，二者差值达21.9 dB。因此，初步怀疑存在直流偏磁问题。对2号变中性点直流电流进行检测，检测结果发现1 h内中性点直流电流最大可达15 A，而交流电流稳定在1.5 A左右，中性点直流电流与噪声变化规律相近。

2015年底长沙地铁2号线延长线正式开通运营，为了验证该变电站主变直流偏磁现象与长沙地铁的相关性，在凌晨时分，对变压器噪声及中性点电流进行跟踪检测，噪声测试结果如图3所示。

图3 2号主变声压级变化

图中，2号主变噪声05:15之前一直保持平稳状态，中性点无直流电流，05:15之后噪声急剧增大，同时变压器中性点也检出直流电流。据了解，长沙地铁2号线最早一班地铁从始发站出发时间为05:00，随后陆续开至各个站点。噪声增大时间与地铁运营时间规律吻合。

3 主变受损情况检查

因1号主变承受地铁带来的直流偏磁问题时间较长，为了确保主变安全，对1号主变状态进行吊罩检查。大修前，对1号主变进行修前诊断性试验，试验内容包括:油色谱分析、绕组连同套管介损和电容量、低电压短路阻抗、绕组频率响应曲线、绕组绝缘电阻、绕组直流电阻、长时感应耐压带局部放电试验。经试验，发现绕组频率响应曲线在100 kHz附近与交接曲线稍有差异，其他各项试验均正常，满足标准要求。

1号主变吊罩后发现存在一些问题:B相中压引线绝缘纸筒脱落、绕组撑条脱落、顶部压板移位、绕组间距有轻微变化、箱沿内表面有黑色污物(疑似过热痕迹)。

从主变吊罩检查结果来看，受直流偏磁导致的振动的影响，变压器绕组压板出现了轻微移位；变压器绕组之间间距不均衡，可能出现了绕组的整体横向轻微移位；绕组内部撑条多处移位，部分绕组撑条脱落或突出；部分夹件螺栓有松动。长沙地铁轨道交通引起的该变电站主变直流偏磁，确实对主变器身造成了一定的影响及损伤，尚未造成变压器绝缘故障，急待开展直流偏磁治理，避免造成主变产生更大程度损伤，危及电网运行安全。

4 变压器直流偏磁治理

国内针对变压器直流偏磁治理主要是采用:电容隔直和电阻限流。电阻限流结构简单，但无法彻底消除直流电流，电容隔直能够彻底隔离直流，但装置结构复杂且成本较高。考虑到地铁每天长时间持续运行，对变压器直流偏磁影响是长期的，确定在该变电站采用电容隔直方式。

4.1 基于双重化冗余技术的隔直装置

电容隔直装置采用了由自主研制的XDGZ变压器中性点隔离直流成套装置(以下简称XDGZ隔直装置)，装置基于双重化冗余技术研制，系统的测量、控制、保护的物理回路及控制策略实现了双回路输出，通过对传感器测量数据的偏差比较，实现了装置的实时监测与告警，避免因单一器件损坏造成成套装置故障，提高了装置的可靠性。

XDGZ隔直装置主要由隔直电容器、晶闸管旁路回路、机械开关旁路回路和测控系统几部分构成，XDGZ隔直装置结构如图4所示。图中TV1，TV2为霍尔电压传感器，TA1，TA2位霍尔电流传感器。XDGZ隔直装置具备直接接地和电容隔直两种运行方式，可通过改变控制器的参数设定进行选择。

测控装置分A，B两套系统，分别通过两组霍尔电压、电流传感器测量隔直电容电压及中性点直流电流，从交流TA的不同二次绕组来测量交流电流量。隔直装置的控制有3个定值，分别是中性点直流电流、电容直流电压和中性点交流电流，并可根据不同变电站情况对定值及其动作延时进行整定。目前国内针对直流输电单极运行造成的交流电网直流偏磁时，电容隔直装置默认采用直接接地运行状态，只有在检测到中性点直流电流超标时才切换到电容隔直运行，这种处理方式未改变电网变压器接地的习惯运行方式。

图4 XDGZ隔直装置结构示意图

由于长沙地铁运行时间是早上5点多至晚上12点后，也就是每天有大部分时间该变电站都会面临地铁引起的直流偏磁问题，因此XDGZ隔直装置在运行上采用常投电容方式，即装置始终处于电容隔直状态，只有在中性点流过故障电流时才闭合旁路开关直接接地。根据运行情况，测控装置的软件控制流程做了相应更改，程序设定了两个定值分别是:中性点过流定值和中性点低电流定值。过流定值的设备需确保在最小运行方式下发生接地故障时装置应能启动旁路回路，避免损伤电容器。该变电站安装的XDGZ隔直装置基本控制流程为:正常运行为电容隔直状态，在中性点电流大于过流定值立即出口闭合旁路，而在中性点电流低于低电流定值且满足延时时间要求后，分开机械旁路开关，恢复电容隔直运行。

4.2 治理效果

为验证隔直装置投入后实际效果，3月11－12日，电容隔直装置进行了一次电容隔直与直接接地运行方式的切换操作，通过安装的分布式变压器直流偏磁在线监测装置记录了变压器中性点直流、本体振动与噪声变化情况，切换前后变压器被检测的各参数变化如图5所示。

由图5可以看出，11日12:27隔直装置退出运行后，2号主变中性点电流、加速度以及噪声幅值立即增大，中性点电流最大值接近30 A，变压器噪声由63.0 dB(A)迅速增大到80 dB(A)以上。在12日00:30地铁停运之前，中性点电流、加速度以及噪声一直保持较高水平，00:30后逐渐恢复至正常状态。05:00以后，地铁开始进行运行前调试，2号主变中性点电流、加速度以及噪声随即出现异常增大现象，并且在06:10地铁正常运行后一直保持较高水平。12日14:19，隔直装置投入，2号主变中性点电流、振动加速度以及噪声即刻进入正常状态。

Research on influence and control measures of metro rail transit on AC network in Changsha

LIU Weiguo，ZHOU Weihua，YE Huisheng，PENG Ping，WU Xiaowen
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In the urban metro rail transit，rail traction generally adopts DC power supply.When part of traction direct current leaking into the earth by steel rail，stray current are formed，which brings on transformer DC bias in the nearby substation.In this paper，the influence of metro rail transit on the transformer is analyzed.And by connecting DC-isolation capacitor in series with the neutral of the transformer，DC current has been eliminated and safe operation of the transformer has been ensured.

metro rail transit；stray current；DC bias；transformer

TM721

B

1008-0198(2017)01-0007-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.002

国网湖南省电力公司科技项目(5216A5160033)

2016-10-28