城市轨道交通供电系统对电网的影响及控制

(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

地铁已逐步成为城市交通的重要方式，而地铁的直流牵引系统、高压直流输电线路和电厂主变压器将出现交叉、并行和距离过近的现象，在中性点接地系统中，主变压器可能会产生直流偏磁现象。抑制变压器中性点直流偏磁的措施是在该点安装直流偏磁抑制装置，一般有三种：一是利用极性相反的直流电流抵消或削减地中直流电流；二是利用串入电容的隔直特性；三是串入阻值较小的电阻，限制直流的流入。由于电容隔直性能优良，常被应用于变压器中性点抑制直流偏磁。国内外对直流偏磁的研究主要集中于交流变压器的理论仿真和计算上，缺乏真实数据的采集，尤其是在换流变压器中直流偏磁实测数据分析较少。本文以电网运行48 h的主变压器直流偏磁数据，建立主变中性点增加电容隔直装置的数学模型，运用仿真计算深入分析电容隔直装置的接入对交流电网继电保护的影响因素和影响程度。

1 原因分析

某电厂主变压器附近有地铁通过，对其进行48 h的直流偏磁测试。在测试期间，主变压器中性点直流电流最大值为18.61 A，最小值为-19.09 A。在0∶10～5∶20时间段，主变压器中性点直流电流基本为0；5∶20直流电流开始出现，至次日0∶10直流电流消失，直流电流方向呈不规则的周期变化，这与城市地铁运营时间相吻合。主变压器中性点直流时间/幅值分布如图1所示。

图1 24 h主变压器中性点直流时间/幅值分布图

主变压器附近无高压直流输电工程接地极，产生的直流偏磁电流与接地极位置、入(出)地电流大小、交流电网架构及土壤电阻率有关。测试结果中，主变压器偏磁电流非定值，而且电流正负、幅值变化均极快，可排除是由直流单极大地或双极不平衡方式运行引起的。地铁供电系统采用直流供电，一般为DC750 V或1 500 V。分为单边供电系统和双边供电系统，由于机车下的行轨与地是不完全绝缘，部分直流分量将流入大地，形成杂散电流，从而在牵引站附近产生地电位分布，与直流输电接地极类似。若此时，将具有交流连接的两台接地主变压器置于不同地电位上，将产生一定的偏磁电流。产生过程如图2所示。

偏磁电流在地铁供电系统中变化极快。在地铁运行时，有多台机车同时在同一线路上双向通行。杂散电流由机车的运行位置入地，其产生位置随机车位置而改变，因此，多种杂散电流共同影响主变压器中性点的直流分量。由于地铁机车本身数量多、速度快，造成了图1中主变压器直流电流正负在十几秒内变化的现象。

图2 偏磁电流产生示意图

2 直流偏磁抑制方法

电容隔直装置主要是以电容器隔直，在工频系统中电容器容抗为0.1 Ω。变压器中性点经电容器接地，等效于变压器中性点阻抗加入了0.1 Ω的容抗。主变压器隔直电容原理如图3所示。

图3 隔直装置原理

主变压器中性点接入电容，系统的零序参数将发生变化，在出现三相不对称接地故障时，主变压器和相邻线路的保护可能被误动，则需通过定性与定量分析，对主变压器和相邻线路的保护做出校核。

在系统大小不同、运行方式不同及各种接地故障条件下，保护的测量如零序启动元件、零序电流大小、零序电压大小、零序功率方向、阻抗的大小与方向等均受到电容隔直装置的影响。电厂内各主变压器接地保护、引出线路及其相邻线路接地保护可能出现灵敏性与选择性的问题。只有1台主变压器要求接地运行，高压备用变压器不需接地运行，3台主变压器可以共用1套电容隔直装置，主变压器电容隔直原理如图4所示。

图4 主变压器电容隔直原理

3 电容隔直装置对线路保护的影响分析

3.1 主变压器故障计算条件

由于电厂3台主变压器电气参数相差不大，可近似认为相同，则3台主变压器中性点接入电容性偏磁抑制装置对系统的影响相同，且当前的运行方式为1台主变压器中性点接地，在该主变压器中性点接入-j0.1 Ω的容性偏磁抑制装置后，对变压器和相邻线路保护的影响进行分析计算。故障类型为：单相接地故障(A相)与两相短路接地故障(B、C相)。1条线路的相对首端、中间、末端作为故障的选择位置。

计算选取当地220 kV及以上电网正常、最小运行方式。其中，主变压器为正序、零序的电气参数见表1。

表1 电气参数(Sj=1 000 MVA，Uj=230 kV)

3.2 对线路保护的影响分析

3.2.1 对零序电压元件的影响

根据模拟故障线路短路计算结果，在正常、最小运行方式下，主变压器中性点接入电容后母线零序电压U0影响最严重的情况见表2。

表2 故障位置在220 kV出线主变压器首端

3.2.2 对线路零序电流元件的影响

根据模拟故障线路短路计算结果，在正常、最小运行方式下，电厂主变压器中性点接入电容后线路零序电流I0影响最严重的情况，故障位置在220 kV出线主变压器首端，其故障线路数据见表3。

表3 故障位置在220 kV出线主变压器首端

3.2.3 数据结果分析

接入偏磁抑制电容后，减小了由电厂到接地故障线路通路流过的零序电流，其零序过流元件灵敏系数基本不变；而线路对侧零序电流也变化甚微，其零序过流元件灵敏系数受到影响很小。结果表明：在当地正常、最小方式运行过程中，发生接地故障时，零序电压最大变化为0.22%，零序电流最大变化为0.87%，角度最大变化为0.05°，接入主变压器中性点电容对其没有产生影响。线路零序方向过流保护的动作性能正常。

线路距离保护的测量阻抗Zm=ZMK1+ΔZM中，将出现故障点过渡电阻产生的附加测量阻抗ΔZM，因此，对接地距离保护的动作范围受到影响。主变压器中性点接入电容将使引出线的附加测量阻抗ΔZM幅值减小。通过计算，在正常、最小方式运行过程中，故障出现在电厂出线首端、中端、末端时，接地阻抗值的变化幅度计算结果最大为0.64%，角度几乎没有变化，对线路接地距离保护基本没有影响。

4 结语

本文基于电厂主变压器中性点增加电容隔直装置后的电网运行环境，结合当地电网的正常、最小运行方式和偏磁抑制装置的应用情况，针对电厂3台主变压器中性点增加电容隔直装置后，应用解析方法分析继电保护受直流偏磁抑制装置影响的机理、因素和边界，得出影响因素对交流电网故障特征及其继电保护影响的规律，为电网的稳定运行提供了保障。