地鐵雜散電流對浙江電網(wǎng)變壓器運行影響及治理措施

藺家駿，鄭一鳴，楊 智，詹江楊，金凌峰，李 晨

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著城市發(fā)展，城市交通擁堵問題日益嚴重，而地鐵在解決城市交通問題中發(fā)揮著重要作用。據(jù)統(tǒng)計，截至2020 年底，我國國內(nèi)共有44個城市開通運營城市軌道交通線路共計233 條，車站4 660 座，總里程達7 545.5 km。杭州市首條線路“杭州地鐵1 號線”于2012 年11 月24 日正式開通，是華東地區(qū)第四個、浙江省首個開通地鐵的城市。截至2021 年1 月，杭州地鐵運營線路共7 條，共設車站166 座，運營總里程約306 km。此外，浙江省內(nèi)寧波、溫州、紹興、嘉興等城市也已有或規(guī)劃軌道交通建設項目。

地鐵在為人們交通出行帶來巨大便利的同時，也產(chǎn)生了一些不容忽視的問題[1-3]。例如，地鐵在運行過程中產(chǎn)生的噪聲、振動以及雜散電流等。地鐵雜散電流不僅會對地鐵結(jié)構(gòu)鋼筋、城市管道產(chǎn)生化學腐蝕，還可能通過大地流入中性點接地的變壓器，造成變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，影響變壓器正常運行[4-5]。對于變壓器直流偏磁的產(chǎn)生機理及防治措施，已有許多的研究成果[6-8]。潘卓洪等借助潮流計算數(shù)據(jù)計算交流電網(wǎng)直流分布，分析了變壓器繞組電阻變化對直流分布的影響；楊娜等建立了變壓器直流偏磁風險評估模型，對不同電壓等級變壓器根據(jù)直流分布計算結(jié)果采用不同的抑制措施進行治理；陳青恒等對直流偏磁條件下變壓器的噪聲和振動波形進行分析，提出了一種電力變壓器噪聲狀態(tài)受直流偏磁影響程度的判斷方法。這些研究成果往往聚焦于特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極產(chǎn)生的大電流對變壓器的影響。地鐵雜散電流引起的變壓器直流偏磁與大直流接地極引起的直流偏磁存在明顯差異，需要進行針對性分析[9-10]。

近年來，隨著城市軌道交通建設的飛速發(fā)展，地鐵雜散電流導致的變壓器直流偏磁事件時有發(fā)生。據(jù)調(diào)查，深圳、成都、長沙、福州等城市均出現(xiàn)過此類事件[11-13]。2020 年底，國網(wǎng)杭州供電公司某220 kV 變電站主變在運行過程中噪聲異常升高，且成周期性波動。經(jīng)排查，主變異常時段與周邊試運行的地鐵機車運行調(diào)試時間高度吻合，認為地鐵雜散電流是造成主變直流偏磁異常，噪聲增大的主要原因。此次為浙江省內(nèi)首次出現(xiàn)因地鐵雜散電流引起的變壓器直流偏磁事件。隨著城市軌道交通的持續(xù)建設，相信此類事件仍會不斷發(fā)生。因此，需要及時分析地鐵雜散電流對變壓器運行的影響，總結(jié)地鐵雜散電流治理及變壓器運維經(jīng)驗，為以后出現(xiàn)相似事件時，及時發(fā)現(xiàn)問題并處理，保障電網(wǎng)可靠運行提供參考依據(jù)。

本文結(jié)合浙江電網(wǎng)發(fā)生的一起地鐵雜散電流導致220 kV 變壓器直流偏磁事件，從雜散電流產(chǎn)生原因及對變壓器運行的影響、變壓器異常事件處理情況、變壓器偏磁電流抑制方法以及防治思路幾個方面進行分析和闡述。

1 雜散電流產(chǎn)生原因及對變壓器運行影響分析

1.1 雜散電流產(chǎn)生原因

目前城市軌道交通多采用直流牽引供電方式，其饋電回路與雜散電流的產(chǎn)生如圖1 所示[14]。牽引變電站提供的電流經(jīng)由接觸網(wǎng)輸送給列車，并通過鋼軌和回流線返回牽引變電站。由于鋼軌本身存在一定電阻值，且與大地之間并非完全絕緣，存在一定對地電阻（過渡電阻），所以牽引電流流經(jīng)鋼軌時會產(chǎn)生對地電位差，導致一部分電流從鋼軌泄漏到周圍土壤中，這部分電流被稱為地鐵雜散電流?，F(xiàn)代城市地下環(huán)境復雜，存在龐大地下金屬管道系統(tǒng)，雖然大部分雜散電流會重新流回牽引變電站，但仍有少部分會通過接地的變壓器中性點注入變壓器，造成變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象。

圖1 地鐵雜散電流產(chǎn)生示意

1.2 雜散電流對變壓器運行的影響

雜散電流對變壓器運行的危害主要體現(xiàn)在損耗增大、諧波增大、局部過熱、機械振動及噪聲加劇等方面，影響變壓器健康壽命。此外，雜散電流會導致主變合閘涌流增大，容易引起變壓器合閘不成功問題。

變壓器正常工作時，鐵心磁通在近似線性區(qū)域。當?shù)罔F雜散電流通過變壓器接地中性點流入時，直流磁通和交流磁通疊加，導致變壓器鐵心磁通進入非線性飽和區(qū)。此時，變壓器就會出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，鐵心過飽和，損耗增加，經(jīng)濟性降低[15]。變壓器鐵磁伸縮加劇，振動增大，可能導致變壓器內(nèi)外相關(guān)部件松動，影響絕緣和抗短路沖擊能力。

變壓器流過雜散電流時，低頻噪音較正常運行增大10～15 dB，對周邊居民帶來極大的噪聲困擾[16]。此次變壓器直流偏磁問題也是因附近居民投訴而發(fā)現(xiàn)，噪聲增大20 dB 左右，遠超出環(huán)境噪聲排放標準（≤65 dB）。變壓器本體的振動主要來源于鐵心和繞組。硅鋼片的磁致伸縮是引起鐵心振動的主要原因。直流偏磁會使變壓器鐵心勵磁磁通產(chǎn)生明顯畸變，鐵心磁致伸縮加劇，導致硅鋼片振動異常，同時會產(chǎn)生大量噪聲。

此外，雜散電流將導致主變合閘涌流偏大，影響主變合閘涌流保護的整定。

1.3 軌道交通與大電流接地極引起的直流偏磁特性差異分析

地鐵雜散電流導致的變壓器直流偏磁問題與直流輸電系統(tǒng)導致的變壓器直流偏磁問題存在以下幾方面的差異：

（1）中性點直流持續(xù)時間差異。直流輸電系統(tǒng)導致的直流偏磁只在直流線路單極-大地回路運行工況下出現(xiàn)，一般是在直流系統(tǒng)故障或線路單極檢修時出現(xiàn)，持續(xù)時間不長且一般可預見。而地鐵雜散電流導致的直流偏磁只要在地鐵處于運行狀態(tài)就會存在。地鐵運行一般從早上5:00 至第二天凌晨1:00，且全年不休。因此地鐵導致變壓器偏磁的持續(xù)時間遠長于直流輸電導致的變壓器直流偏磁持續(xù)時間[11]。

（2）注入電流特性及可預測性差異。由于接地極位置確定、注入點電流明確，直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生的偏磁電流通常是可預測的。而由于地鐵軌道較長，且全部存在于地下，因此無法確定是由何處的薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的雜散電流，難以進行針對性的處理。加之隨著運行年限的增加，絕緣薄弱處的劣化，雜散電流增大。實際上地鐵泄漏的雜散電流無明顯規(guī)律，很難預測和評估。

（3）偏磁電流的穩(wěn)定性差異。直流輸電系統(tǒng)單極運行時，電流方向和大小固定，因此流過變壓器中性點的直流電流方向和大小也固定。地鐵雜散電流受地鐵負荷、地鐵位置、軌道環(huán)境及土壤電阻率等多因素影響，電流大小、方向始終在變化，導致變壓器中性點直流電流的大小和方向也在動態(tài)變化。同時，列車的位置分布與運行工況等因素也會影響入地電流的大小與方向[12]。

（4）治理措施的針對性差異。國網(wǎng)浙江電力盡管在直流輸電系統(tǒng)導致的直流偏磁治理方面已有較多經(jīng)驗，但因地鐵雜散電流引起的變壓器直流偏磁異常為首次出現(xiàn)，缺乏相應的改造和設備運維經(jīng)驗。鐵路方面，國標和行標中對地鐵雜散電流的防護措施有相應的規(guī)定[17-18]，而在電網(wǎng)方面，尚無相對應的標準參照執(zhí)行。因此，需進一步結(jié)合地鐵雜散電流產(chǎn)生的特性，評估其對變壓器運行的危害，提出動態(tài)的、迭代的治理措施。

通過對比分析可以看到，地鐵雜散電流導致的變壓器直流偏磁在注入電流的持續(xù)時間、可預測性和穩(wěn)定性等方面與特高壓直流接地極引起的變壓器直流偏磁存在明顯差異。且電網(wǎng)方面缺乏成熟的治理經(jīng)驗。因此，開展地鐵雜散電流對變壓器運行影響分析及治理措施研究具有重要意義。

2 地鐵雜散電流引起的變壓器直流偏磁異常事件及處理過程

2.1 事件概況

2020 年11 月底，杭州某220 kV 變電站主變運行過程中噪聲異常升高，現(xiàn)場檢測最大值超80 dB，且成周期性波動，變化周期約為1～2 min。將主變中性點接地調(diào)整后，新接地主變出現(xiàn)同樣異響，原接地主變異響消失。進一步對主變中性點接地電流進行測試，典型時域波形和頻譜如圖2所示。分析認為本次主變噪聲異常由中性點直流偏磁電流超標引起。

圖2 變壓器中性點電流時域波形及頻譜

經(jīng)排查，主變異常時段特高壓直流無單極大地回路運行工況，但主變附近有新建地鐵投入試運行。進一步檢測表明主變噪聲及偏磁異常時段與地鐵機車運行調(diào)試時間高度吻合（圖3）。主變中性點直流電流在每天5:00～24:00 波動明顯，最大可超過50 A；而在0:00～5:00，主變中性點直流電流很小。

圖3 主變24 h 中性點直流電流曲線

2.2 整治處理過程

利用在全線區(qū)間開行單列列車的方式，分交路單列地鐵電客車巡查，并在變電站內(nèi)實時監(jiān)測變壓器中性點電流，通過比對發(fā)現(xiàn)列車運行在某區(qū)段時，流過中性點電流過大，懷疑該區(qū)段軌道對地絕緣存在泄漏點。主要治理措施如下：

（1）軌道過渡絕緣電阻測試。經(jīng)過現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)某段軌道存在絕緣薄弱點，造成軌道電流對地泄露。其它區(qū)域的軌道過渡電阻經(jīng)測試符合標準限值（不小于15 Ω·km）要求，軌道絕緣性符合要求。

（2）軌道絕緣問題原因分析。經(jīng)分析，該段軌道對地絕緣問題原因主要為此車站在試運行期間存在積水，道床淤泥污染，信號轉(zhuǎn)轍機絕緣性能降低等。采取的措施為全線清掃道床、清除轉(zhuǎn)轍機積水；全線對信號轉(zhuǎn)轍機進行表面清理，確認架空安裝，撤除地線等。

（3）減少特殊區(qū)段的軌道過渡電阻。對存在過河、過水渠等薄弱點處，增加鋼軌并接電纜，降低特殊區(qū)段的軌道過渡電阻。

（4）將地鐵車站接地網(wǎng)同車站結(jié)構(gòu)體進行分離，減少雜散電流從結(jié)構(gòu)體向管廓、輸電線路及變電站傳播的途徑。

（5）將110 kV 變電站饋出的35 kV 電纜金屬保防層實行單端接地，同上級220 kV 變電站地網(wǎng)進行分割。

（6）優(yōu)化軌道電位限制保護裝置的整定值，減少動作，即鋼軌接地狀態(tài)，減少雜散電流地網(wǎng)注入。

經(jīng)綜合治理，主變地鐵直流分量干擾得到有效的改善，直流電流分量平均值均在10 A 以下。治理前后變壓器直流電流分布統(tǒng)計情況如表1 和圖4 所示。

表1 治理前后變壓器直流電流占比統(tǒng)計

圖4 主變直流電流累積分布統(tǒng)計

從圖表中可以看到，治理后主變直流電流明顯減小，小于10 A 的直流電流值占比從治理前的82.36%升至治理后的99.03%。治理前，主變有1.25%的直流電流值大于20 A，治理后，這一占比降至0.28%。很明顯，治理后主變的直流電流值基本都小于10 A，主變直流分量干擾得到有效的改善。電力行業(yè)標準DL/T 437—2012《高壓直流接地極技術(shù)導則》中規(guī)定，三相五柱變壓器每相繞組的允許直流電流為額定電流的0.5%，針對地鐵雜散電流引起的變壓器直流電流注入允許值，尚無明確的規(guī)定。

3 雜散電流引起的變壓器直流偏磁抑制方法

地鐵雜散電流引起的變壓器直流偏磁的抑制方法可以從電網(wǎng)和地鐵兩方面進行考慮。電網(wǎng)方面，主要措施為變壓器加裝偏磁電流抑制裝置；地鐵方面，主要措施為地鐵加裝排流柜。

3.1 偏磁電流抑制裝置

抑制變壓器中性點直流電流的方式主要有中性點反向注入電流、中性點串聯(lián)小電阻和中性點串聯(lián)電容器3 種[19-20]。

中性點反向注入電流如果控制較好，確實能夠抑制偏磁。但是變壓器直流偏磁的發(fā)生是不定時的，而且直流總量和方向總是在變化，這會給注入電流帶來很大的困難。再者，反向注入法還要提供大電流的直流源?？紤]到很小的直流電流就已經(jīng)能夠產(chǎn)生很大的振動，反向注入直流電流削弱變壓器振動的實用性不強。

中性點串聯(lián)小電阻能有效減少變壓器異常振動和聲響的發(fā)生，但是，小電阻本身會影響系統(tǒng)零序阻抗，且存在殘余直流。因此，此種方法實際應用較少。

中性點串聯(lián)電容器方式又稱為電容隔直，主要原理是在變壓器中性點和接地網(wǎng)之間串聯(lián)一組電容器，利用電容器通交隔直的特性切斷直流電流注入，從而抑制變壓器直流偏磁。從原理看電容隔直是最理想的中性點直流電流抑制方法，可以明顯抑制異常的振動，因而被廣泛應用。此種方法的缺點是對快速旁路的保護要求較高，可能因電容器故障導致變壓器中性點失去接地。

3.2 排流柜

排流柜設在牽引變電所內(nèi)，主要用于給泄漏的雜散電流提供至牽引直流電源負極電流回路，能有效防止雜散電流對隧道內(nèi)金屬設備、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的電腐蝕破壞，同時也防止了雜散電流向鐵路外部泄漏[21]。排流柜一般采用極性排流原理，將管道（或金屬結(jié)構(gòu)物）上的雜散電流引向排流器，并經(jīng)由排流器流入大地或流回干擾源，從而避免雜散電流直接從管道流入土壤。排流柜主要由硅二極管、可調(diào)節(jié)電阻、限流電阻等元件組成，核心元件是硅二極管，利用硅二極管的電流導通方向性實現(xiàn)雜散電流的極性排流[22]。需要注意的是，排流柜的使用會導致總雜散電流增大和鋼軌對地電壓抬升，因此應根據(jù)實際需求投入排流柜。

4 雜散電流引起的變壓器直流偏磁防治思路

綜合考慮電網(wǎng)和地鐵各個方面，雜散電流引起的變壓器直流偏磁問題可以從以下幾方面開展整治工作：

（1）規(guī)劃階段提前介入，明確相關(guān)要求。在軌道交通規(guī)劃階段提前介入，明確對偏磁電流入地的要求。

（2）建設階段進行地鐵軌道排查及排流柜安裝。在地鐵建設期間進行軌行區(qū)絕緣過渡電阻測試，檢查軌道絕緣件合格證及絕緣性能測試；人工現(xiàn)場步巡巡查軌行區(qū)軌道絕緣安裝質(zhì)量，排查巡隱患點；投入排流柜，盡量將雜散電流控制在地鐵軌行區(qū)范圍；對存在過河、過水渠等薄弱點處，加強電纜連接。

（3）建立多方聯(lián)動機制，加強溝通預警。建立應急直流偏磁處置方案，電網(wǎng)與鐵路方面加強溝通協(xié)作，共同探討地鐵供電設計、安裝中降低雜散電流泄露的技術(shù)方案及措施。

（4）變壓器中性點加裝電容隔直裝置。對地鐵附近確實存在直流偏磁問題的變壓器，在中性點接地處加裝電容隔直裝置，切斷雜散電流流入變壓器中性點的路徑。

（5）加強地鐵沿線變壓器在線監(jiān)測。對地鐵沿線變壓器，部署中性點直流電流和變壓器振動監(jiān)測網(wǎng)絡，及時發(fā)現(xiàn)變壓器可能存在的運行風險。

5 結(jié)語

地鐵雜散電流通過接地的變壓器中性點注入變壓器，會導致變壓器出現(xiàn)直流偏磁問題。地鐵雜散電流引起的變壓器直流偏磁在注入電流的持續(xù)時間、可預測性和穩(wěn)定性等方面與直流接地極引起的變壓器直流偏磁存在明顯差異，需要進行針對性的治理。建議從地鐵側(cè)和電網(wǎng)側(cè)兩方面開展地鐵雜散電流引起的變壓器直流偏磁問題治理工作。在地鐵規(guī)劃、建設階段加強相互之間的溝通，及時發(fā)現(xiàn)問題并處理。