杂散电流对电力设备接地系统的影响分析

昆明地铁运营有限公司 李斌冰 李 雄

1 概况

城市轨道交通地铁供电系统运用直流牵引，采用接触网（接触轨）作为牵引供电的正极，钢轨作为负极回流导体，与牵引变电站负极连接。在地铁列车实际运行中，由于钢轨不可能做到对地完全绝缘，有少量的泄漏电流没有沿钢轨回流到牵引变电所的负极。而是从轨道泄漏到大地中，再沿着大地回到牵引变电所负极或流向大地低电位处，最后再回到牵引变电所负极。这部分电流流经大地过程中在地铁轨道周边土壤中形成杂散电流，对周边电力设备接地造成一定影响[1]。比如变压器在对高压开关进行维护接地后，对变压器高压侧挂接地线时仍发生放电现象就是一个很好例子。

城市轨道交通直流牵引系统的这部分泄露的电流由轨道附近流向四周，杂散电流的强弱程度可以通过土壤电位梯度的测试进行衡量，土壤电位梯度越大、杂散电流越大[2]。杂散电流在一定程度上会对地铁轨道周边供电系统设备接地造成一定的影响。例如，在运营维护中经常会出现一种奇怪现象：在对车辆段跟随变电所电力变压器设备检修时，将变压器停电后，并将变压器高压开关改到检修状态（通过一次设备形成维护接地状态）后，检修人员在对变压器本体进行验电、挂接地线时，地线搭接瞬间出现明显放电现象。

2 问题

在提出问题之前，首先解释一个关于跟随变电所的概念：在地铁工程中，一些车站、车辆段或停车场因其动力负荷比较大、分散，一个变电所不能满足负荷要求，或因负荷在地域方面较为分散造成电力电缆长距离、大范围敷设，导致成本的增加，因此会在变电所周边合适的位置再建一个附加变电所，称为“跟随变电所”。跟随变电所高压侧电源，通过高压电缆进线到该变电所高压侧母排，然后通过跟随变电所的变压器转变成低压电源，解决部分集中、大容量动力照明负荷而，跟随变电所位置往往与变电所相隔一定距离（大约都在1km 左右）。

运营过程中，对跟随变电所变压器进行检修及试验时，需要将变压器改至检修状态，以保证工作人员的安全，达到满足人员检修的安全措施布置条件。但发现在跟随所变压器高压侧35kV 开关柜已改至维护接地状态下，对变压器高压侧挂接地线时，仍出现明显的放电现象，对运营设备维护检修人员的安全以及现场管理造成一定的影响。

3 原因分析

3.1 排除感应电流的因素

因变电所与跟随变电所相隔一定距离，两个变电所的高压电缆有一部分通过同一电缆沟支架进行敷设，对跟随变电所进行停电检修时，变电所本身不受其影响，正常供电运行。因此我们考虑到是否因为高压电缆在敷设通道中受到其他高压电缆的干扰，出现感应电流，从而导致跟随变电所变压器高压侧挂接地线时仍出现明显的放电现象。

假设是因感应电流出现的放电，那么将变电所与跟随变电所之间的高压电缆在变电所侧的维护接地解除，同样会出现放电现象。因此进行了一个测试：将跟随变电所的高压电缆的维护接地解除，再对跟随所变压挂接地线进行测试。发现并不会像维护接地时，对变压器本体高压侧挂接地线出现放电现象。并测量挂接电线后变压器高压侧电位及高压侧通过接地线流经大地的电流大小，发现接地的电流及电位大小均为0，因此可以排除35kV 电缆受其它同向敷设的高压电缆干扰或感应产生电流等原因。

3.2 土壤电位梯度测量

杂散电流的强弱程度可以通过土壤电位梯度的测试进行衡量[3]。在车辆段轨道旁空地地面上布设4只相同的硫酸铜电极参比电极。参比电极分为两组，每组2只参比电极，其中一组沿平行于场段股道布设，另一组应沿垂直于场段股道的方向布设。每组两电极之间距离20m，两组电极的电极间距应相同，两组电极应对称交叉分布，如图1所示，其中1为a、b、c、d 参比电极；2为测试导线；3为A、B 直流电压表或波形记录仪。

图1 地电位梯度与杂散电流方向测试接线图

测试数据分析：按照电压测试值得正负将测试值分成[VA(+) VB(+)]、[VA(+) VB(-)]、[VA(-)VB(+)]、[VA(-) VB(-)]四种读数组合，各读数组合中的VA(+)、VA(-) VB(+)、VB(-)的平均值应分别按照下列公式计算[4]：

图2 土壤电位梯度方向矢量

图3 硫酸铜电极参比电极

建立直角坐标系，使坐标系的纵、横两轴分别与图1中的ac、bd 相对应。将计算出的四种读数组合的平均值分别记入坐标中，然后利用矢量合成法分别求出矢量和，则地电位梯度的方向为沿矢量和指向坐标原点的方向。

将计算得的矢量和的大小除以对应的参比电极间距，得到电位梯度[5]。对土壤电位梯度实际测试数据如图4、图5所示。

图4 土壤电位梯度（平行于轨道方向）

图5 土壤电位梯度（垂直于轨道方向）

3.3 接地网分析

混合变电所及跟随变电所采用不同的接地网。两个接地体之间相隔一定的距离。变电所接地网如图6所示，跟随变电所接地网如图7所示。变电所接地网在变电所各设备房墙角四周设置接地扁钢、引入电缆层，电缆层设接地排，接地排通过接地引下线与接地极相连接[6]。跟随变电所接地网在变电所各设备房墙角四周设置接地扁钢，未设置电缆层，接地排直接与建筑等电位连接箱（LEB）连接，通过建筑等电位连接箱（LEB）接地。

图6 混合变电所接地网

图7 跟随变电所接地网

3.4 接地电流及对地电压测试

测量电气原理如图8所示，将电力变压器停电后，并将设备改到检修状态（通过一次设备形成维护接地状态），检修人员挂接地线中加入分流器，分流器两端加装变送器，变送器将采集信号处输入波形记录仪，便可采集到接地电流及电压的参数。

图8 测量电气原理图

通过测试可看出，跟随变电所变压器接地电流最大可以达到90A（变比为1：15，测量最大值为6A，换算成实际值为90A），如图9所示；跟随变电所变压器高压侧对地电位最大可达11V，如图10所示。

图9 跟随变维护接地维护接地电流

图10 跟随变维护接地维护接地后对地电位

跟随变电所变压器接地电流（实测最高可达90A）、变压器高压侧对地电位（实测最高11V）的出现是因为混合变电所与跟随变电所采用不同的接地网。同时，因杂散电流的存在，两个接地网之间大地土壤存在电位梯度，当跟随变压器维护接地时，变电所及跟随变电所之间的高压电缆、大地，将两个接地网连接形成闭环电气回路。因大地土壤电位梯度的存在，在这个闭环的回流形成电流定向移动。跟随所变压器高压侧35kV 开关柜改至维护接地状态下时，对跟随变压器高压侧挂接地线，接地线搭接瞬间形成闭环的电气回路，接地线搭接瞬间搭接接触面积较小，因此出现明显的放电现象。

4 结语

放电的强弱程度与杂散电流大小相关，杂散电流越大、电位梯度越大，放电现象越强烈；放电的强弱程度还与混合变电所及跟随变电所之间的距离相关，即变电所及跟随变电所之间的距离越大、放电程度越强，变电所位置越是靠近地铁轨道、放电强度越强，越是远离地铁轨道、放电现象越弱。

针对上述问题，可以采取两个措施进行避免或消除影响：若变电所及跟随变电所共用一个接地网则可解决跟随变压器挂接地线时“放电”问题，即跟随变电所接地网通过接地扁钢敷设到变电所，与变电所接地网相连接，达到共用同一个接地网的目的，则可以避免上述问题出现，但这种方案仅仅适用于建设期，针对运营期设备已难以进行改造。因此，针对运营期的设备，只能通过一定的安全措施对问题进行减弱、避免伤害。在维护检修人员操作过程中，可以通过佩戴绝缘手套、护目镜的防护措施，避免对运营设备维护检修人员的安全以及现场管理造成的影响。