城市軌道交通供電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響及控制

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

地鐵已逐步成為城市交通的重要方式，而地鐵的直流牽引系統(tǒng)、高壓直流輸電線路和電廠主變壓器將出現(xiàn)交叉、并行和距離過近的現(xiàn)象，在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中，主變壓器可能會(huì)產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。抑制變壓器中性點(diǎn)直流偏磁的措施是在該點(diǎn)安裝直流偏磁抑制裝置，一般有三種：一是利用極性相反的直流電流抵消或削減地中直流電流；二是利用串入電容的隔直特性；三是串入阻值較小的電阻，限制直流的流入。由于電容隔直性能優(yōu)良，常被應(yīng)用于變壓器中性點(diǎn)抑制直流偏磁。國(guó)內(nèi)外對(duì)直流偏磁的研究主要集中于交流變壓器的理論仿真和計(jì)算上，缺乏真實(shí)數(shù)據(jù)的采集，尤其是在換流變壓器中直流偏磁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析較少。本文以電網(wǎng)運(yùn)行48 h的主變壓器直流偏磁數(shù)據(jù)，建立主變中性點(diǎn)增加電容隔直裝置的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用仿真計(jì)算深入分析電容隔直裝置的接入對(duì)交流電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響因素和影響程度。

1 原因分析

某電廠主變壓器附近有地鐵通過，對(duì)其進(jìn)行48 h的直流偏磁測(cè)試。在測(cè)試期間，主變壓器中性點(diǎn)直流電流最大值為18.61 A，最小值為-19.09 A。在0∶10～5∶20時(shí)間段，主變壓器中性點(diǎn)直流電流基本為0；5∶20直流電流開始出現(xiàn)，至次日0∶10直流電流消失，直流電流方向呈不規(guī)則的周期變化，這與城市地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間相吻合。主變壓器中性點(diǎn)直流時(shí)間/幅值分布如圖1所示。

圖1 24 h主變壓器中性點(diǎn)直流時(shí)間/幅值分布圖

主變壓器附近無(wú)高壓直流輸電工程接地極，產(chǎn)生的直流偏磁電流與接地極位置、入(出)地電流大小、交流電網(wǎng)架構(gòu)及土壤電阻率有關(guān)。測(cè)試結(jié)果中，主變壓器偏磁電流非定值，而且電流正負(fù)、幅值變化均極快，可排除是由直流單極大地或雙極不平衡方式運(yùn)行引起的。地鐵供電系統(tǒng)采用直流供電，一般為DC750 V或1 500 V。分為單邊供電系統(tǒng)和雙邊供電系統(tǒng)，由于機(jī)車下的行軌與地是不完全絕緣，部分直流分量將流入大地，形成雜散電流，從而在牽引站附近產(chǎn)生地電位分布，與直流輸電接地極類似。若此時(shí)，將具有交流連接的兩臺(tái)接地主變壓器置于不同地電位上，將產(chǎn)生一定的偏磁電流。產(chǎn)生過程如圖2所示。

偏磁電流在地鐵供電系統(tǒng)中變化極快。在地鐵運(yùn)行時(shí)，有多臺(tái)機(jī)車同時(shí)在同一線路上雙向通行。雜散電流由機(jī)車的運(yùn)行位置入地，其產(chǎn)生位置隨機(jī)車位置而改變，因此，多種雜散電流共同影響主變壓器中性點(diǎn)的直流分量。由于地鐵機(jī)車本身數(shù)量多、速度快，造成了圖1中主變壓器直流電流正負(fù)在十幾秒內(nèi)變化的現(xiàn)象。

圖2 偏磁電流產(chǎn)生示意圖

2 直流偏磁抑制方法

電容隔直裝置主要是以電容器隔直，在工頻系統(tǒng)中電容器容抗為0.1 Ω。變壓器中性點(diǎn)經(jīng)電容器接地，等效于變壓器中性點(diǎn)阻抗加入了0.1 Ω的容抗。主變壓器隔直電容原理如圖3所示。

圖3 隔直裝置原理

主變壓器中性點(diǎn)接入電容，系統(tǒng)的零序參數(shù)將發(fā)生變化，在出現(xiàn)三相不對(duì)稱接地故障時(shí)，主變壓器和相鄰線路的保護(hù)可能被誤動(dòng)，則需通過定性與定量分析，對(duì)主變壓器和相鄰線路的保護(hù)做出校核。

在系統(tǒng)大小不同、運(yùn)行方式不同及各種接地故障條件下，保護(hù)的測(cè)量如零序啟動(dòng)元件、零序電流大小、零序電壓大小、零序功率方向、阻抗的大小與方向等均受到電容隔直裝置的影響。電廠內(nèi)各主變壓器接地保護(hù)、引出線路及其相鄰線路接地保護(hù)可能出現(xiàn)靈敏性與選擇性的問題。只有1臺(tái)主變壓器要求接地運(yùn)行，高壓備用變壓器不需接地運(yùn)行，3臺(tái)主變壓器可以共用1套電容隔直裝置，主變壓器電容隔直原理如圖4所示。

圖4 主變壓器電容隔直原理

3 電容隔直裝置對(duì)線路保護(hù)的影響分析

3.1 主變壓器故障計(jì)算條件

由于電廠3臺(tái)主變壓器電氣參數(shù)相差不大，可近似認(rèn)為相同，則3臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)接入電容性偏磁抑制裝置對(duì)系統(tǒng)的影響相同，且當(dāng)前的運(yùn)行方式為1臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)接地，在該主變壓器中性點(diǎn)接入-j0.1 Ω的容性偏磁抑制裝置后，對(duì)變壓器和相鄰線路保護(hù)的影響進(jìn)行分析計(jì)算。故障類型為：?jiǎn)蜗嘟拥毓收?A相)與兩相短路接地故障(B、C相)。1條線路的相對(duì)首端、中間、末端作為故障的選擇位置。

計(jì)算選取當(dāng)?shù)?20 kV及以上電網(wǎng)正常、最小運(yùn)行方式。其中，主變壓器為正序、零序的電氣參數(shù)見表1。

表1 電氣參數(shù)(Sj=1 000 MVA，Uj=230 kV)

3.2 對(duì)線路保護(hù)的影響分析

3.2.1 對(duì)零序電壓元件的影響

根據(jù)模擬故障線路短路計(jì)算結(jié)果，在正常、最小運(yùn)行方式下，主變壓器中性點(diǎn)接入電容后母線零序電壓U0影響最嚴(yán)重的情況見表2。

表2 故障位置在220 kV出線主變壓器首端

3.2.2 對(duì)線路零序電流元件的影響

根據(jù)模擬故障線路短路計(jì)算結(jié)果，在正常、最小運(yùn)行方式下，電廠主變壓器中性點(diǎn)接入電容后線路零序電流I0影響最嚴(yán)重的情況，故障位置在220 kV出線主變壓器首端，其故障線路數(shù)據(jù)見表3。

表3 故障位置在220 kV出線主變壓器首端

3.2.3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

接入偏磁抑制電容后，減小了由電廠到接地故障線路通路流過的零序電流，其零序過流元件靈敏系數(shù)基本不變；而線路對(duì)側(cè)零序電流也變化甚微，其零序過流元件靈敏系數(shù)受到影響很小。結(jié)果表明：在當(dāng)?shù)卣?、最小方式運(yùn)行過程中，發(fā)生接地故障時(shí)，零序電壓最大變化為0.22%，零序電流最大變化為0.87%，角度最大變化為0.05°，接入主變壓器中性點(diǎn)電容對(duì)其沒有產(chǎn)生影響。線路零序方向過流保護(hù)的動(dòng)作性能正常。

線路距離保護(hù)的測(cè)量阻抗Zm=ZMK1+ΔZM中，將出現(xiàn)故障點(diǎn)過渡電阻產(chǎn)生的附加測(cè)量阻抗ΔZM，因此，對(duì)接地距離保護(hù)的動(dòng)作范圍受到影響。主變壓器中性點(diǎn)接入電容將使引出線的附加測(cè)量阻抗ΔZM幅值減小。通過計(jì)算，在正常、最小方式運(yùn)行過程中，故障出現(xiàn)在電廠出線首端、中端、末端時(shí)，接地阻抗值的變化幅度計(jì)算結(jié)果最大為0.64%，角度幾乎沒有變化，對(duì)線路接地距離保護(hù)基本沒有影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于電廠主變壓器中性點(diǎn)增加電容隔直裝置后的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的正常、最小運(yùn)行方式和偏磁抑制裝置的應(yīng)用情況，針對(duì)電廠3臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)增加電容隔直裝置后，應(yīng)用解析方法分析繼電保護(hù)受直流偏磁抑制裝置影響的機(jī)理、因素和邊界，得出影響因素對(duì)交流電網(wǎng)故障特征及其繼電保護(hù)影響的規(guī)律，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。