地铁杂散电流造成的电网变压器直流偏磁特征量分析

肖黎，张晶焯，陈龙，伍国兴，张繁，赖振宇，徐红星

(深圳供电局有限公司，广东 深圳518000)

0 引言

随着城市轨道交通的蓬勃发展，其直流牵引供电系统排放的杂散电流引起的问题日益严重。杂散电流会使周边的埋地金属构件产生极化电位，造成严重的电化学腐蚀，影响地铁系统的钢筋主体结构及地下管网系统的金属管道强度和寿命。该问题已经引起轨道交通及供水供气等行业重视，并开展了监测与防治工作[1 - 5]。近年来，部分地区供电企业也发现杂散电流会通过电力系统的接地网入侵地铁沿线的变压器中性点，导致变压器严重直流偏磁，异响频发，甚至造成设备结构性异常，严重威胁设备及电网安全稳定运行[6 - 8]。

变压器直流偏磁问题方面的研究目前集中于直流偏磁的产生机理、对变压器及电网的危害、仿真计算模型以及相关抑制措施[9 - 14]，然而这些成果主要关注的是由特高压直流输电工程单极运行或地磁感应电流引起的直流偏磁问题。而对于地铁杂散电流引起的直流偏磁问题则主要集中于对变压器的影响、杂散电流分布的仿真计算及抑制措施的研究和应用[15 - 20]，没有针对入侵变电站的杂散电流本身特性及相关影响因素的分析研究，因而在研究制定抑制措施时缺乏针对性的措施，导致相关措施的经济性、科学性存疑。

本文基于入侵杂散电流及直流偏磁监控平台，采集入侵变电站的杂散电流及其引起的变压器噪声、振动情况，分析入侵杂散电流的幅值、分布特性等特征，研究杂散电流、噪声与地铁运行工况、变电站位置等因素的关系，指出地铁杂散电流造成的直流偏磁危害及可能的传播途径，为更科学经济地优化配置抑制措施提供可靠依据。

1 入侵杂散电流及直流偏磁监控平台开发

为方便采集入侵电网的杂散电流及造成的直流偏磁特征量，在500 kV深圳变电站及部分220 kV变电站构成的区域电网中的中性点接地主变压器(简称主变)安装了相关传感器，并研发了变电站杂散电流入侵及主变偏磁监控平台，实现了多站点主变中性点电流、主变振动、噪声等直流偏磁特征量的同步实时监测、在线分析。

平台前端硬件部分由传感器、数据采集模块、通信模块、GPS同步模块、隔直装置及控制模块组成，系统示意图如图1所示。其中，中性点交、直流传感器均集成于隔直装置内部，分别为LZZBJ9-10C型电流互感器、CHB- 80SG/SP1型霍尔传感器。噪声传感器安装于距离地面1.5 m高，距离主变压器(简称主变)2 m处，型号为JXBS- 3001-ZS。振动传感器安装于主变外壳重心处，型号为CJBPZ-I。核心主板插件由高性能低功耗的双核(ARM+DSP)一体处理器和大规模可编程门阵列实现，采用16位A/D变换器，具有极高的测量精度，暂态采样速率可达12.8×103次/秒。

图1 平台前端系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the front-end system of the platform

在软件部分，基于Java开发了后台处理程序，服务器采用Linux操作系统(CentOS7)，数据库采用Mysql 5.7.25版本，保证足够的数据处理能力和安全性。利用Freemarker、EasyUI及Echarts部件开发了基于Web的前端显示界面，实现基于浏览器访问功能，方便快捷。软件平台界面如图2所示。

图2 软件平台界面Fig.2 Software platform interface

2 入侵变压器中性点的杂散电流特性分析

基于入侵杂散电流及直流偏磁监控平台，采集了多个220 kV及以上电压等级变电站变压器中性点杂散电流，并对其周期、幅值等特性开展分析。参考直流偏磁监测相关标准，设定杂散电流正方向为由主变中性点流向大地。

2.1 杂散电流幅值

首先，从一个自然周的维度，分析杂散电流的特性。2020年4月11日至4月17日，220 kV水贝站5号主变中性点的杂散电流如图3所示。

图3 220 kV水贝站5号主变中性点杂散电流Fig.3 Stray current through the neutral point of the No. 5 transformer in 220 kV Shuibei substation

由图3可以看出，杂散电流在每天凌晨约00:40至05:30时间段内时间幅值很低，基本保持在0 A，而在05:30至次日00:40时间段内幅值明显较高，正负交替变化，最高幅值可达114 A，远远超过技术规范中直流耐受值。根据监测结果，各变电站主变中性点杂散电流出现时间基本相同，幅值均表现为正负交替变化，但最大幅值存在较大差异。此外，结合监测和现场测试结果，投入隔直装置时，水贝站5号主变的A加权噪声为62 dB，退出隔直装置后，该主变A加权噪声为84 dB，上升了22 dB，且振动水平也明显提高，说明杂散电流造成了非常严重的直流偏磁问题。

相较于直流单极运行等特殊工况下入侵主变中性点的直流电流，地铁杂散电流存在的时间更长，且幅值也很高，幅值变化存在随机性。经测试，隔直装置沿用按电流幅值投退的策略时，一天内会动作超过200次，严重影响使用寿命。因此，针对杂散电流入侵严重的变电站，优化隔直装置投退策略为按时间投退：在地铁运营时间内保持隔直装置投入，其余时间退出，以充分保障设备安全稳定运行。

2.2 杂散电流分布特性

各变电站周边地铁线路分布、土壤电阻率等参数不尽相同，且各地铁杂散电流随机车加速、制动、行进位置等工况随机变化。根据地铁杂散电流沿地铁线路钢轨分布式排放，并通过大地入侵变压器中性点的假设推论，各变电站主变中性点杂散电流幅值及波动情况不尽相同。在实际监测结果中，这类差异确实大量存在，如图4(a)所示，220 kV经贸站主变中性点杂散电流幅值明显高于220 kV李朗站，且幅值的增大、减小等变化不存在同步关系，两者完全不相关。

图4 不同变电站中性点杂散电流波形Fig.4 Stray current through the neutral points of different substations

但根据监测结果，如图4(b)所示，220 kV东湖站与220 kV经贸站杂散电流幅值大小、变化趋势都基本一致，波形相似度达95%以上。另外，220 kV东湖站与220 kV水贝站杂散电流变化趋势也基本一致，但水贝站杂散电流负向电流幅值更大，波形相似度达70%。上述3座变电站所在区域附近有5条建设时期、发车周期等参数均不同的地铁线路，且该3座变电站附近地铁线路分布情况不尽相同，如图2所示，而入侵该3座变电站的杂散电流显然是来自同一杂散电流源。由此，可以推测地铁系统中存在阻抗远低于其他路径的集中排放、回流的薄弱点，即可能存在一条金属性的杂散电流入侵回路，通过该薄弱点排放或回流的杂散电流幅值明显高于钢轨等地铁直流供电系统负极的其他组成部分。

该金属性回路的可能构成方式如图5所示。根据地铁设计规范，地铁车站的接地网可通过换乘站地网连接贯通，而车站地网与主供电所地网之间通过电缆铠装形成金属性连接。主供电所地网与变电站地网之间可能通过架空地线或者电缆铠装形成金属性连接，或者其地网可能直接与输电杆塔、电缆竖井地网直接相连。此外，地铁钢轨可能由于绝缘降低等原因，与地网直接相连，从而形成了地铁钢轨与电网系统接地网之间的杂散电流入侵的金属性路径。由于架空地线或电缆铠装层的直流电阻，高于输电线路及变压器绕组构成的回路，因此杂散电流会通过主变中性点进入主变绕组，通过母线、输电线路到达另一变电站的母线，再经过主变绕组、中性点完成回流。因此，在考虑针对性治理措施时，应该以切断该金属性路径为目标，从源头进行隔离，以节省在各台主变中性点加装隔直装置的成本，并避免变压器中性点不直接接地造成的零序回路阻抗改变、过电压等设备和电网运行风险。

图5 杂散电流金属性入侵路径Fig.5 Metallic path of the invading stray current

2.3 杂散电流流动方向

根据监测结果，各变电站根据中性点杂散电流方向特点可以分为4类：1)如前文图3所示，220 kV水贝站中性点杂散电流的负向幅值明显更高，说明杂散电流的主要方向为由大地流向主变中性点，共有14座变电站具有类似的特性；2)220 kV宏图站等8座变电站杂散电流的正负幅值基本相等，杂散电流的流入流出较为均衡；3)220 kV骏康站等6座变电站的杂散电流则表现为正向幅值较高，杂散电流主要方向为由主变中性点流向大地；4)部分距离地铁线路较远且母线分列运行的变电站，如220 kV远丰站，2台主变中性点杂散电流的方向相反，大小基本相等，即杂散电流经由一台主变中性点流入大地后，又流入另一台主变中性点。因此，对于部分距离地铁线路较远且母线分列运行的变电站，在考虑针对性治理措施时，可以尝试仅在其中一台主变中性点加装隔直装置，即可阻断杂散电流传播路径。

3 直流偏磁特征量的影响因素分析

3.1 时间段

2020年4月1日至4月7日220 kV水贝站5号主变中性点杂散电流如图6所示。

图6 220 kV水贝站5号主变中性点杂散电流Fig.6 Stray current through the neutral point of the No. 5 transformer in 220 kV Xinshuibei substation

由图6可以看出，4月1日至4月3日工作日早、晚出行高峰杂散电流幅值均明显增大；清明节期间无早晚高峰，全天幅值变化较为平稳。此外，结合图3及图6，可以看出周末及法定假日期间杂散电流全天幅值较小，工作日杂散电流幅值明显高于节假日。这是由于入侵变压器中性点的杂散电流实质上是在地铁车辆运行过程中，作为直流供电系统负极的钢轨对大地及埋地金属泄露的地铁牵引电流，在早晚出行高峰及工作日，乘客较多，地铁运行功率较高，牵引电流较大，且地铁运行班次较多，因此杂散电流更大。

3.2 附近地铁线路数量

选取附近仅有地铁3号线高架区段的220 kV简龙站进行分析。在非早晚高峰时间内，地铁列车发车间隔较为固定，且列车加速、制动运行具有一定的周期性规律，因此简龙站变压器中性点杂散电流及直流偏磁噪声具有一定的周期性，峰值-峰值(峰谷-峰谷)时间间隔约等于列车发车间隔，约为145～150 s，如图7所示。

图7 220 kV简龙站3号主变中性点杂散电流及噪声Fig.7 Stray current and noise through the neutral point of the No. 3 transformer in 220 kV Jianlong substation

而在地铁线路较为密集的区域，如图4中所示的220 kV经贸站和东湖站，其主变中性点杂散电流及噪声、振动则没有表现出明显的周期性特点。

3.3 地铁特殊运行方式及结构

2018年9月16日，受台风“山竹”影响，12:00前深圳地铁高架区段停运，行车间隔延长，12:00后所有地铁线路全部停运，9月17日所有地铁线路恢复运行。将9月16日简龙站3号主变中性点杂散电流与地铁正常运行状态进行对比，如图8所示。

图8 台风期间与正常工况下杂散电流对比Fig.8 Comparison of the stray current between typhoon period and normal condition

由图8可以看出，台风登陆当天，随着地铁高架区段停运，简龙站3号主变中性点杂散电流幅值已经明显降低，而东湖站等位于地铁地下段附近的变电站杂散电流幅值则仅因行车间隔延长，减小了5 A左右。说明地铁高架区段也会大量排放杂散电流，通过结构中的钢筋等金属流入大地，并入侵附近变电站。因此，在制订相关防治措施时，也需要针对性地考虑地铁高架区段附近的变电站问题。而在地铁完全停运后，主变中性点杂散电流并没有像凌晨时段一样完全消失，其原因可能是虽然地铁停止运营载客，但仍有车辆回场等空载行车情况，导致杂散电流的排放。

3.4 变电站位置

将各变电站变压器中性点杂散电流平均幅值与变电站和地铁线路之间距离的关系，绘制成曲线，如图9所示。

图9 杂散电流幅值与变电站和地铁线路之间距离的关系Fig.9 Relationship between the stray current amplitude and distance between substation and subway line

由图9可知，两者并不是简单的线性关系。其中，距离地铁线路最远的220 kV骏康站的杂散电流的平均幅值与几乎位于地铁线路上方的220 kV玳田站非常接近，达到了30 A。而杂散电流平均幅值最高则发生在220 kV水贝站、交椅站，幅值达到约70 A，远大于距离地铁线路更近的220 kV滨河站、经贸站及中航站。

分析原因，一方面，部分距离地铁线路较近的变电站，如220 kV水贝站，可能与地铁系统接地网存在金属性连接，导致入侵的杂散电流幅值较高；另一方面，当不存在金属性传播路径时，土壤电阻率对杂散电流传播路径阻抗也有关键性影响。根据图9，沿海、河流或湖泊附近地区变压器中性点杂散电流幅值水平高于内陆地区。这是由于海水的电阻率为4 Ω·m，淤泥电阻率为20 Ω·m，均远低于深圳地区土壤电阻率，导致海、湖边地电位较低，杂散电流更易入侵海边及湖边的变电站，而220 kV骏康站位于海岸线边，因此虽然距离地铁线路直线距离较远，但仍受到杂散电流的严重影响。在今后规划选址新变电站时，应考虑上述因素，以尽量避免杂散电流的影响。

此外，由图9可知，监测范围内所有变压器中性点均出现了杂散电流，且70%以上的变压器中性点杂散电流幅值超过20 A，说明地铁系统杂散电流对电网影响范围广，并且影响程度非常严重。

4 结论

本文研发了变电站杂散电流入侵及主变偏磁监控平台，采集了多个220 kV及以上电压等级变电站变压器中性点的杂散电流及变压器噪声、振动情况，分析了入侵杂散电流的幅值、分布特性等特征，研究了杂散电流、噪声与地铁运行工况、变电站位置等因素的关系，结论如下。

1)入侵变压器中性点的地铁杂散电流幅值高，存在时间长，覆盖范围广，造成的直流偏磁严重，且电流波动存在随机性，为防治增加了困难，建议隔直装置采用按时间投退的策略。

2)大部分变电站主变中性点杂散电流波形不同，但也存在部分波形相似性极高的情况，说明地铁系统杂散电流除沿地铁线路钢轨排放外，还存在集中排放、回流的薄弱环节，且与电网间存在金属性传播路径。采用阻断该入侵路径的方式治理，将会比安装隔直装置更经济高效。

3)主变中性点杂散电流及其引起的直流偏磁特征量受时间段、地铁运行方式、变电站位置及附近地铁线路数量、结构等因素影响明显，部分变电站杂散电流及噪声存在周期性特点，高架段地铁线路也会产生杂散电流排放。在新变电站规划选址及研究制定防治措施时应考虑相关因素的影响。