城市轨道交通杂散电流对电网变压器的影响及分析

2024-05-13丁永盛阮嘉诚唐泽洋

通信电源技术 2024年4期

阮庄，丁永盛，杨帆，阮嘉诚，唐泽洋

（1.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北武汉 430077；2.湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北武汉 430077）

0 引言

杂散电流指在设计电路之外流动的电流，通常是由外界条件影响产生的。在城市轨道交通中，由于各种用电设备接地，容易形成杂散电流循环。目前，我国对城市轨道交通中杂散电流的研究主要集中在金属建筑物受到的腐蚀及其防护措施上，而针对杂散电流对变压器运行影响的研究尚有不足。文章以某城市电网为例，探讨杂散电流的形成原因和应对措施。

1 城市轨道交通杂散电流研究

1.1 产生原因

以城市轨道交通中的地铁为例，主要采用直流供电形式，经馈电线持续向列车输送电流，利用钢轨与导线形成的返回线进行回流。返回线路本身具有一定的电阻特性，能够承载电流。然而在电流返回过程中，如果出现压降现象，钢轨上便会形成电压。由于钢轨与大地之间并非完全绝缘，而是存在一定的过渡电阻，当钢轨上存在电压时，便会与过渡电阻相互作用，从而产生杂散电流。对于地铁供电系统而言，经常会出现同一线路存在多辆机车通行的情况，此时机车运行区域与杂散电流入地区域重叠。由于多台机车杂散电流的叠加，变压器中性电流变化较快。同时，机车的负载程度、与变压器之间的间隔，都会直接影响杂散电流的大小。一般当机车运行间隔较短且在轨数量偏多时，就会引发变压器中性点电流剧烈波动。

1.2 对电网变压器的影响

在220 kV 主变中性点注入地铁杂散电流时，将大地注入记作正，将流出变压器记作负，进一步测量电流幅值。通过对直流电流进行24 h 测试分析，最终发现直流电流的正负变化速度较快，大约每30 s便会出现一次从正到负再到正的变化。在测量中，直流电流在正、负方向的最大数值分别为16.3 A、19.5 A。此外，测试过程中还发现主变存在直流偏磁问题，持续时间超过18 h。直流偏磁不仅会导致励磁电流增加，还会加深铁芯饱和水平，进而加剧油箱和夹件的涡流损耗，造成绕组温度异常。随着漏磁通的大幅提升，绕组电动力增大，噪声也会相应增加。长此以往，必然会导致变压器的机械性能无法达到安全标准。一旦出现短路故障，极有可能引发电网事故。

变压器中性点的最大偏磁电流通常会受到变压器结构和铁芯材料的影响，这些具体数据可以直接向制造商咨询。若制造商无法提供准确信息，则应参考直流接地极技术导则，确保偏磁电流的设计不超过单相变压器额定电流的0.3%。一旦发现绕组直流电流超过允许范围，应立即采取限流措施或安装隔直装置，以阻断中性点直流电流。

2 电网变压器的保护措施

2.1 串流电阻法

串流电阻法是在中性点串联电阻，通过适当提高直流回路阻抗，起到限制直流电流的作用。该方法的主要优势在于设备运行可靠性较高、旁路系统动作特性分散，但也存在无现场监测、变压器中性点无法有效接地、每个站点都要重新设计电阻值的问题。在实际使用时，串联电阻值应尽可能偏低。因为该方法只能实现部分直流的抑制，所以应充分考虑实际情况进行科学计算。如果电阻值选择过大，可能会影响交流系统的参数，甚至影响保护设备的正常动作。

2.2 反向电流注入法

反向电流注入法是借助直流电源持续向中性点注入直流电流，保证直流电流方向与偏磁电流方向完全相反。通过适当调整注入电流的幅值，使其略低于偏磁电流，从而产生抵消电流的效果，有效消除偏磁现象对变压器的不良影响。该方法的优势在于装置运行可靠性高，并且不会对继电保护产生影响。然而由于该方法无法直接改变中性点的接线方式，实际使用时需要另建辅助接地极，为持续注入电流提供回路。此外，该方法也存在一些不足之处，如无旁路系统、难以完全实现电流隔离、整体工程造价较高以及注入地网的电流可能引发二次污染等。在实际应用中，需要充分考虑实际情况，以控制设备功率消耗为目标，在满足经济性原则的基础上合理使用该方法，防止注入地网电流的过度提升，从而减轻地网的负担。

2.3 串联电容法

串联电容法是将电容器串联在电源与电机之间，使电源产生相位差，进而利用设备隔直流通交流的特性来抑制直流电流。该方法具有较多优势，如设备运行可靠性高、双旁路系统可靠性高、便于现场监测和远程操控、中性点可实现可靠接地、无过电压问题以及能够在站内实现安装等。但这种方法也存在会改变中性点接地特性的不足，在出现接地故障时，容易对继电保护产生影响。在实际应用该方法时，需要谨慎评估电容器接入后对继电保护的影响，保障系统的安全稳定运行[1]。其工作原理如图1 所示。

2.4 差动保护

差动保护是一种基于电流互感器检测电流矢量差来触发保护动作的过程。当差动电流达到设定的动作值时，保护设备会启动相应的动作元件。将流入节点的电流总量作为基准值，一旦电流超过预设的阈值，保护设备便会自动进行保护动作。具体来说，当差动电流超过保护设备的整定值时，上位机会发出指令，触发保护出口动作，从而跳开断路器，使故障装置与电源断开[2]。简而言之，差动保护是变压器的主要保护手段，其安装和布设基于循环电流的原理。

2.5 负压过流保护

负压过流保护以负序电压继电器为主，以低压继电器为辅。当任一继电器动作时，过电流继电器会相应动作，最终启动整个保护系统。其主要功能是解决系统在运行时，线路端两相短路或低电压闭锁情况下，故障电流未能达到速断整定值的问题。从本质上来看，负压过流保护是相间故障的后备保护措施。研究发现，在中性点接入0.1 Ω 电容前后，并未对相间电压产生影响，也未对相间短路产生明显影响，更不会干扰负压过流保护的灵敏度。

2.6 零序电压保护

零序电压保护是在电流接地系统出现故障时，借助接地过程中形成的零序电流来触发保护动作。当零序电压保护设备安装在电缆线路中时，通常会配备专门的互感设备，达到接地保护的目的。一般情况下，零序过流保护不会因两相短路而触发保护动作，并且在系统振荡过程中也不会产生零序分量，具有极高的灵敏度。

3 基于串联电容法的隔直设备

基于串联电容法的隔直设备（以下简称电容法隔直设备）主要由电容器、旁路单元、电压采集单元、电流采集单元以及数字控制器组成。电容器通常选择适用于50 Hz 交流系统的配置，其阻值为0.1 Ω。该设备的工作状态可以分为2 种：一是在直接接地状态下，机械开关保持闭合，中性点经机械开关接地；二是在隔直状态下，机械开关保持闭合，中性点经电容器接地。当设备处于隔直状态且系统存在不对称故障时，如果电容器端电压超过旁路单元的电压限值，旁路单元就会瞬时导通，从而有效保护旁路。同时，这一动作会进一步驱动机械开关闭合，实现中性点接，真正意义上达到电容器保护的目的[3]。

4 电容法隔直设备对变压器保护的影响

变压器的设计通常遵循特定的操作参数范围，超过这些范围会导致过负荷情况。在没有适当保护措施的情况下，持续的过负荷运行会导致变压器温升过高，进而损坏绝缘系统，缩短使用寿命，甚至引发故障。电容法隔直设备通过控制传递给变压器的电流来防止过负荷[4]。电容法隔直技术能够有效平滑输入变压器的电流波形，减少瞬时峰值电流造成的冲击，保护变压器免受瞬时过负荷影响，延长其使用寿命。

此外，电容法隔直装置的过负荷保护还有助于防止由于系统异常或操作错误导致的长期过负荷情况，利用电容调节通过的电流，自动控制负载水平，减少单个变压器所需承担的负载。在应用电容法隔直设备时，技术人员需要考虑其与现有系统的兼容性，确保正确安装并与其他保护元件协同工作，以提供全面且持续有效的保护，从而提高整体供电网络的可靠性和效率。

干扰通常会降低电力系统的稳定性，可能导致敏感设备误操作或失效。电容法隔直设备的应用可以显著减少由交流侧波动引起的非期望直流分量，并从交流电网中隔离出纯净的直流信号，对于确保线路稳定供电至关重要。在电力传输过程中，非线性负载如整流器、变频器等产生的谐波干扰经常对系统造成困扰，导致热损耗增加、设备老化甚至失效。电容法隔直设备有助于滤除这些高频谐波分量，为其他设备提供更加安全可靠的运行环境。

电容法隔直设备不仅能够有效阻断高压侧和低压侧之间的直接联系，还能提升整个系统的绝缘等级。即使高压侧发生故障，其影响也不会通过隔离设备传递到低压侧，从而为用户侧的安全提供有力的保障。此外，电容法隔直设备还具备抑制浪涌电压的能力。浪涌是一种在极短时间内发生的高幅度、瞬态过电压事件，可能由雷击或开关操作等引发。而电容法隔直设备可以吸收并缓解瞬态浪涌，从而起到预防浪涌电压的作用[5]。