地铁杂散电流对浙江电网变压器运行影响及治理措施

蔺家骏，郑一鸣，杨 智，詹江杨，金凌峰，李 晨

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

随着城市发展，城市交通拥堵问题日益严重，而地铁在解决城市交通问题中发挥着重要作用。据统计，截至2020 年底，我国国内共有44个城市开通运营城市轨道交通线路共计233 条，车站4 660 座，总里程达7 545.5 km。杭州市首条线路“杭州地铁1 号线”于2012 年11 月24 日正式开通，是华东地区第四个、浙江省首个开通地铁的城市。截至2021 年1 月，杭州地铁运营线路共7 条，共设车站166 座，运营总里程约306 km。此外，浙江省内宁波、温州、绍兴、嘉兴等城市也已有或规划轨道交通建设项目。

地铁在为人们交通出行带来巨大便利的同时，也产生了一些不容忽视的问题[1-3]。例如，地铁在运行过程中产生的噪声、振动以及杂散电流等。地铁杂散电流不仅会对地铁结构钢筋、城市管道产生化学腐蚀，还可能通过大地流入中性点接地的变压器，造成变压器出现直流偏磁现象，影响变压器正常运行[4-5]。对于变压器直流偏磁的产生机理及防治措施，已有许多的研究成果[6-8]。潘卓洪等借助潮流计算数据计算交流电网直流分布，分析了变压器绕组电阻变化对直流分布的影响；杨娜等建立了变压器直流偏磁风险评估模型，对不同电压等级变压器根据直流分布计算结果采用不同的抑制措施进行治理；陈青恒等对直流偏磁条件下变压器的噪声和振动波形进行分析，提出了一种电力变压器噪声状态受直流偏磁影响程度的判断方法。这些研究成果往往聚焦于特高压直流输电系统接地极产生的大电流对变压器的影响。地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁与大直流接地极引起的直流偏磁存在明显差异，需要进行针对性分析[9-10]。

近年来，随着城市轨道交通建设的飞速发展，地铁杂散电流导致的变压器直流偏磁事件时有发生。据调查，深圳、成都、长沙、福州等城市均出现过此类事件[11-13]。2020 年底，国网杭州供电公司某220 kV 变电站主变在运行过程中噪声异常升高，且成周期性波动。经排查，主变异常时段与周边试运行的地铁机车运行调试时间高度吻合，认为地铁杂散电流是造成主变直流偏磁异常，噪声增大的主要原因。此次为浙江省内首次出现因地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁事件。随着城市轨道交通的持续建设，相信此类事件仍会不断发生。因此，需要及时分析地铁杂散电流对变压器运行的影响，总结地铁杂散电流治理及变压器运维经验，为以后出现相似事件时，及时发现问题并处理，保障电网可靠运行提供参考依据。

本文结合浙江电网发生的一起地铁杂散电流导致220 kV 变压器直流偏磁事件，从杂散电流产生原因及对变压器运行的影响、变压器异常事件处理情况、变压器偏磁电流抑制方法以及防治思路几个方面进行分析和阐述。

1 杂散电流产生原因及对变压器运行影响分析

1.1 杂散电流产生原因

目前城市轨道交通多采用直流牵引供电方式，其馈电回路与杂散电流的产生如图1 所示[14]。牵引变电站提供的电流经由接触网输送给列车，并通过钢轨和回流线返回牵引变电站。由于钢轨本身存在一定电阻值，且与大地之间并非完全绝缘，存在一定对地电阻（过渡电阻），所以牵引电流流经钢轨时会产生对地电位差，导致一部分电流从钢轨泄漏到周围土壤中，这部分电流被称为地铁杂散电流。现代城市地下环境复杂，存在庞大地下金属管道系统，虽然大部分杂散电流会重新流回牵引变电站，但仍有少部分会通过接地的变压器中性点注入变压器，造成变压器出现直流偏磁现象。

图1 地铁杂散电流产生示意

1.2 杂散电流对变压器运行的影响

杂散电流对变压器运行的危害主要体现在损耗增大、谐波增大、局部过热、机械振动及噪声加剧等方面，影响变压器健康寿命。此外，杂散电流会导致主变合闸涌流增大，容易引起变压器合闸不成功问题。

变压器正常工作时，铁心磁通在近似线性区域。当地铁杂散电流通过变压器接地中性点流入时，直流磁通和交流磁通叠加，导致变压器铁心磁通进入非线性饱和区。此时，变压器就会出现直流偏磁现象，铁心过饱和，损耗增加，经济性降低[15]。变压器铁磁伸缩加剧，振动增大，可能导致变压器内外相关部件松动，影响绝缘和抗短路冲击能力。

变压器流过杂散电流时，低频噪音较正常运行增大10～15 dB，对周边居民带来极大的噪声困扰[16]。此次变压器直流偏磁问题也是因附近居民投诉而发现，噪声增大20 dB 左右，远超出环境噪声排放标准（≤65 dB）。变压器本体的振动主要来源于铁心和绕组。硅钢片的磁致伸缩是引起铁心振动的主要原因。直流偏磁会使变压器铁心励磁磁通产生明显畸变，铁心磁致伸缩加剧，导致硅钢片振动异常，同时会产生大量噪声。

此外，杂散电流将导致主变合闸涌流偏大，影响主变合闸涌流保护的整定。

1.3 轨道交通与大电流接地极引起的直流偏磁特性差异分析

地铁杂散电流导致的变压器直流偏磁问题与直流输电系统导致的变压器直流偏磁问题存在以下几方面的差异：

（1）中性点直流持续时间差异。直流输电系统导致的直流偏磁只在直流线路单极-大地回路运行工况下出现，一般是在直流系统故障或线路单极检修时出现，持续时间不长且一般可预见。而地铁杂散电流导致的直流偏磁只要在地铁处于运行状态就会存在。地铁运行一般从早上5:00 至第二天凌晨1:00，且全年不休。因此地铁导致变压器偏磁的持续时间远长于直流输电导致的变压器直流偏磁持续时间[11]。

（2）注入电流特性及可预测性差异。由于接地极位置确定、注入点电流明确，直流输电系统产生的偏磁电流通常是可预测的。而由于地铁轨道较长，且全部存在于地下，因此无法确定是由何处的薄弱环节产生的杂散电流，难以进行针对性的处理。加之随着运行年限的增加，绝缘薄弱处的劣化，杂散电流增大。实际上地铁泄漏的杂散电流无明显规律，很难预测和评估。

（3）偏磁电流的稳定性差异。直流输电系统单极运行时，电流方向和大小固定，因此流过变压器中性点的直流电流方向和大小也固定。地铁杂散电流受地铁负荷、地铁位置、轨道环境及土壤电阻率等多因素影响，电流大小、方向始终在变化，导致变压器中性点直流电流的大小和方向也在动态变化。同时，列车的位置分布与运行工况等因素也会影响入地电流的大小与方向[12]。

（4）治理措施的针对性差异。国网浙江电力尽管在直流输电系统导致的直流偏磁治理方面已有较多经验，但因地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁异常为首次出现，缺乏相应的改造和设备运维经验。铁路方面，国标和行标中对地铁杂散电流的防护措施有相应的规定[17-18]，而在电网方面，尚无相对应的标准参照执行。因此，需进一步结合地铁杂散电流产生的特性，评估其对变压器运行的危害，提出动态的、迭代的治理措施。

通过对比分析可以看到，地铁杂散电流导致的变压器直流偏磁在注入电流的持续时间、可预测性和稳定性等方面与特高压直流接地极引起的变压器直流偏磁存在明显差异。且电网方面缺乏成熟的治理经验。因此，开展地铁杂散电流对变压器运行影响分析及治理措施研究具有重要意义。

2 地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁异常事件及处理过程

2.1 事件概况

2020 年11 月底，杭州某220 kV 变电站主变运行过程中噪声异常升高，现场检测最大值超80 dB，且成周期性波动，变化周期约为1～2 min。将主变中性点接地调整后，新接地主变出现同样异响，原接地主变异响消失。进一步对主变中性点接地电流进行测试，典型时域波形和频谱如图2所示。分析认为本次主变噪声异常由中性点直流偏磁电流超标引起。

图2 变压器中性点电流时域波形及频谱

经排查，主变异常时段特高压直流无单极大地回路运行工况，但主变附近有新建地铁投入试运行。进一步检测表明主变噪声及偏磁异常时段与地铁机车运行调试时间高度吻合（图3）。主变中性点直流电流在每天5:00～24:00 波动明显，最大可超过50 A；而在0:00～5:00，主变中性点直流电流很小。

图3 主变24 h 中性点直流电流曲线

2.2 整治处理过程

利用在全线区间开行单列列车的方式，分交路单列地铁电客车巡查，并在变电站内实时监测变压器中性点电流，通过比对发现列车运行在某区段时，流过中性点电流过大，怀疑该区段轨道对地绝缘存在泄漏点。主要治理措施如下：

（1）轨道过渡绝缘电阻测试。经过现场检测，发现某段轨道存在绝缘薄弱点，造成轨道电流对地泄露。其它区域的轨道过渡电阻经测试符合标准限值（不小于15 Ω·km）要求，轨道绝缘性符合要求。

（2）轨道绝缘问题原因分析。经分析，该段轨道对地绝缘问题原因主要为此车站在试运行期间存在积水，道床淤泥污染，信号转辙机绝缘性能降低等。采取的措施为全线清扫道床、清除转辙机积水；全线对信号转辙机进行表面清理，确认架空安装，撤除地线等。

（3）减少特殊区段的轨道过渡电阻。对存在过河、过水渠等薄弱点处，增加钢轨并接电缆，降低特殊区段的轨道过渡电阻。

（4）将地铁车站接地网同车站结构体进行分离，减少杂散电流从结构体向管廓、输电线路及变电站传播的途径。

（5）将110 kV 变电站馈出的35 kV 电缆金属保防层实行单端接地，同上级220 kV 变电站地网进行分割。

（6）优化轨道电位限制保护装置的整定值，减少动作，即钢轨接地状态，减少杂散电流地网注入。

经综合治理，主变地铁直流分量干扰得到有效的改善，直流电流分量平均值均在10 A 以下。治理前后变压器直流电流分布统计情况如表1 和图4 所示。

表1 治理前后变压器直流电流占比统计

图4 主变直流电流累积分布统计

从图表中可以看到，治理后主变直流电流明显减小，小于10 A 的直流电流值占比从治理前的82.36%升至治理后的99.03%。治理前，主变有1.25%的直流电流值大于20 A，治理后，这一占比降至0.28%。很明显，治理后主变的直流电流值基本都小于10 A，主变直流分量干扰得到有效的改善。电力行业标准DL/T 437—2012《高压直流接地极技术导则》中规定，三相五柱变压器每相绕组的允许直流电流为额定电流的0.5%，针对地铁杂散电流引起的变压器直流电流注入允许值，尚无明确的规定。

3 杂散电流引起的变压器直流偏磁抑制方法

地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁的抑制方法可以从电网和地铁两方面进行考虑。电网方面，主要措施为变压器加装偏磁电流抑制装置；地铁方面，主要措施为地铁加装排流柜。

3.1 偏磁电流抑制装置

抑制变压器中性点直流电流的方式主要有中性点反向注入电流、中性点串联小电阻和中性点串联电容器3 种[19-20]。

中性点反向注入电流如果控制较好，确实能够抑制偏磁。但是变压器直流偏磁的发生是不定时的，而且直流总量和方向总是在变化，这会给注入电流带来很大的困难。再者，反向注入法还要提供大电流的直流源。考虑到很小的直流电流就已经能够产生很大的振动，反向注入直流电流削弱变压器振动的实用性不强。

中性点串联小电阻能有效减少变压器异常振动和声响的发生，但是，小电阻本身会影响系统零序阻抗，且存在残余直流。因此，此种方法实际应用较少。

中性点串联电容器方式又称为电容隔直，主要原理是在变压器中性点和接地网之间串联一组电容器，利用电容器通交隔直的特性切断直流电流注入，从而抑制变压器直流偏磁。从原理看电容隔直是最理想的中性点直流电流抑制方法，可以明显抑制异常的振动，因而被广泛应用。此种方法的缺点是对快速旁路的保护要求较高，可能因电容器故障导致变压器中性点失去接地。

3.2 排流柜

排流柜设在牵引变电所内，主要用于给泄漏的杂散电流提供至牵引直流电源负极电流回路，能有效防止杂散电流对隧道内金属设备、隧道结构钢筋的电腐蚀破坏，同时也防止了杂散电流向铁路外部泄漏[21]。排流柜一般采用极性排流原理，将管道（或金属结构物）上的杂散电流引向排流器，并经由排流器流入大地或流回干扰源，从而避免杂散电流直接从管道流入土壤。排流柜主要由硅二极管、可调节电阻、限流电阻等元件组成，核心元件是硅二极管，利用硅二极管的电流导通方向性实现杂散电流的极性排流[22]。需要注意的是，排流柜的使用会导致总杂散电流增大和钢轨对地电压抬升，因此应根据实际需求投入排流柜。

4 杂散电流引起的变压器直流偏磁防治思路

综合考虑电网和地铁各个方面，杂散电流引起的变压器直流偏磁问题可以从以下几方面开展整治工作：

（1）规划阶段提前介入，明确相关要求。在轨道交通规划阶段提前介入，明确对偏磁电流入地的要求。

（2）建设阶段进行地铁轨道排查及排流柜安装。在地铁建设期间进行轨行区绝缘过渡电阻测试，检查轨道绝缘件合格证及绝缘性能测试；人工现场步巡巡查轨行区轨道绝缘安装质量，排查巡隐患点；投入排流柜，尽量将杂散电流控制在地铁轨行区范围；对存在过河、过水渠等薄弱点处，加强电缆连接。

（3）建立多方联动机制，加强沟通预警。建立应急直流偏磁处置方案，电网与铁路方面加强沟通协作，共同探讨地铁供电设计、安装中降低杂散电流泄露的技术方案及措施。

（4）变压器中性点加装电容隔直装置。对地铁附近确实存在直流偏磁问题的变压器，在中性点接地处加装电容隔直装置，切断杂散电流流入变压器中性点的路径。

（5）加强地铁沿线变压器在线监测。对地铁沿线变压器，部署中性点直流电流和变压器振动监测网络，及时发现变压器可能存在的运行风险。

5 结语

地铁杂散电流通过接地的变压器中性点注入变压器，会导致变压器出现直流偏磁问题。地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁在注入电流的持续时间、可预测性和稳定性等方面与直流接地极引起的变压器直流偏磁存在明显差异，需要进行针对性的治理。建议从地铁侧和电网侧两方面开展地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁问题治理工作。在地铁规划、建设阶段加强相互之间的沟通，及时发现问题并处理。