隔直裝置安裝位置對(duì)電網(wǎng)主變壓器直流偏磁電流分布影響研究

李小鵬,張華杰,吳嘉煜,周文越

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610041;2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)

0 引 言

地鐵雜散電流入侵城市電網(wǎng)后,城市電網(wǎng)主變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象,造成變壓器振動(dòng)加劇、噪聲增大,危害電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。為保障電網(wǎng)及主變壓器運(yùn)行安全,電網(wǎng)普遍采用安裝隔直裝置的方式阻斷直流入侵,抑制主變壓器直流偏磁發(fā)生[4-6]。然而,隔直裝置雖然能有效阻斷流入主變壓器的直流偏磁電流,但由于城市電網(wǎng)中存在復(fù)雜的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),為直流偏磁電流流通提供多條路徑,頻繁導(dǎo)致城市電網(wǎng)中其他正常運(yùn)行的主變壓器中性點(diǎn)直流增加,并出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象[7]?？梢?jiàn),隔直安裝位置的選取對(duì)城市電網(wǎng)中直流偏磁電流分布存在一定的影響。因此,為有效抑制電網(wǎng)主變壓器直流偏磁現(xiàn)象發(fā)生,有必要分析隔直裝置安裝位置對(duì)城市電網(wǎng)中主變壓器直流偏磁電流的影響。

近年來(lái),直流偏磁電流在城市電網(wǎng)中的分布已得到廣泛研究。針對(duì)高壓直流輸電引起的直流偏磁電流,文獻(xiàn)[8]考慮土壤結(jié)構(gòu),基于復(fù)鏡像法計(jì)算多層水平土壤結(jié)構(gòu)中的電流分布,仿真結(jié)果表明直流偏磁電流主要分布于接地極方圓70 km范圍內(nèi)的城市電網(wǎng);文獻(xiàn)[9-10]考慮高壓直流輸電接地極與變電站距離、變壓器并聯(lián)運(yùn)行數(shù)量和變電站間距等因素對(duì)城市電網(wǎng)中主變壓器直流偏磁電流分布的影響。針對(duì)地磁暴引起的直流偏磁電流,文獻(xiàn)[11]基于Matlab軟件建立電網(wǎng)等效模型,計(jì)算某電網(wǎng)中多座500 kV變電站的直流偏磁電流,仿真結(jié)果表明在電網(wǎng)的終點(diǎn)和拐角處容易誘發(fā)較大的直流偏磁電流;文獻(xiàn)[12]探究多種高壓直流輸電運(yùn)行方式對(duì)直流偏磁電流分布的影響,結(jié)果表明在單極大地回線(xiàn)和雙極運(yùn)行方式下可能存在直流偏磁電流,而且直流偏磁電流取決于直流極線(xiàn)電阻和接地極電阻等因素。針對(duì)地鐵雜散電流引起的直流偏磁電流,文獻(xiàn)[13]基于PSCAD仿真軟件建立交流電網(wǎng)的雜散電流分布仿真模型,仿真分析電網(wǎng)中直流偏磁電流的分布,仿真結(jié)果表明直流偏磁電流主要通過(guò)電網(wǎng)中的輸電線(xiàn)路傳播;文獻(xiàn)[14]總結(jié)土壤電阻率、變電站位置和變電站接地電阻和出線(xiàn)方式等因素對(duì)電網(wǎng)中直流偏磁電流分布的影響,提出對(duì)變壓器中性點(diǎn)加裝3 Ω限流電阻時(shí)可獲得較好直流抑制效果。雖然上述文獻(xiàn)分別探究不同因素對(duì)電網(wǎng)中直流偏磁電流分布影響,但是目前未有分析隔直裝置安裝位置對(duì)城市電網(wǎng)中直流偏磁電流分布影響的研究。

綜上,下面考慮地鐵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、換乘站綜合接地系統(tǒng)連接特征以及地鐵網(wǎng)絡(luò)和城市電網(wǎng)空間、電氣關(guān)系,以西南某城市電網(wǎng)、地鐵網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象,基于CDEGS仿真軟件建立耦合模型,探究隔直裝置安裝位置對(duì)電網(wǎng)中地鐵雜散電流分布的影響,為選擇隔直裝置安裝位置提供依據(jù)。

1 直流偏磁電流仿真計(jì)算方法

依據(jù)電網(wǎng)與地鐵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備連接關(guān)系,并考慮城市電網(wǎng)與地鐵網(wǎng)絡(luò)之間電纜鎧裝層、大地之間的電氣、空間耦合關(guān)系,基于CDEGS仿真軟件建立城市電網(wǎng)與地鐵網(wǎng)絡(luò)耦合模型。

1.1 地鐵模型

考慮地鐵線(xiàn)路牽引供電系統(tǒng)及回流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備連接關(guān)系,建立地鐵線(xiàn)路模型[15]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮地鐵線(xiàn)路間換乘站綜合接地系統(tǒng)電氣連接特征,建立地鐵網(wǎng)絡(luò)模型。

1.1.1 地鐵線(xiàn)路模型

地鐵牽引供電系統(tǒng)主要包括接觸網(wǎng)、機(jī)車(chē)和牽引變電站[16],依據(jù)接觸網(wǎng)和牽引變電站連接關(guān)系,建立牽引供電系統(tǒng)模型,如圖1所示。

圖1 地鐵線(xiàn)路模型

地鐵回流系統(tǒng)中全線(xiàn)貫通的金屬結(jié)構(gòu)包括軌道、排流網(wǎng)、貫通地線(xiàn),在實(shí)際工程中它們均由多根縱向金屬并聯(lián)而成。依據(jù)實(shí)際工程導(dǎo)體連接結(jié)構(gòu)特征,將軌道、排流網(wǎng)、貫通地線(xiàn)視為多電阻并聯(lián)電路,并將其等效為單根縱向?qū)w,如圖1所示。

1)鋼軌:在單行地鐵線(xiàn)路中,兩根鋼軌通過(guò)均流線(xiàn)連接組成并聯(lián)結(jié)構(gòu),根據(jù)鋼軌的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣連接關(guān)系,可將兩根鋼軌等效為一根具有單根鋼軌一半電阻值的鋼軌導(dǎo)體。

2)排流網(wǎng):排流網(wǎng)位于鋼軌正下方,由多根縱向排流條通過(guò)橫向鋼筋連接組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。同理,根據(jù)排流網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣連接關(guān)系,可將排流網(wǎng)等效為一根排流網(wǎng)導(dǎo)體。假設(shè)縱向排流條總數(shù)為n,則排流網(wǎng)導(dǎo)體電阻為單根排流條電阻的1/n。

3)車(chē)站接地網(wǎng):地鐵線(xiàn)路沿線(xiàn)車(chē)站的排流網(wǎng)下方設(shè)有接地網(wǎng)。根據(jù)接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣連接關(guān)系,可將車(chē)站接地網(wǎng)等效為與車(chē)站接地網(wǎng)具有相同接地電阻阻值的網(wǎng)狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其中網(wǎng)狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的面積Scz為

(1)

式中:ρd為土壤電阻率;Rdw為接地網(wǎng)的接地電阻。

4)貫通地線(xiàn):將地鐵全線(xiàn)貫通的35 kV電力電纜的鎧裝層視為貫通地線(xiàn)。由于貫通地線(xiàn)在地鐵全線(xiàn)貫通并在車(chē)站位置接地,所以將其等效為一根平行于接觸網(wǎng)且連接地鐵沿線(xiàn)車(chē)站接地網(wǎng)的導(dǎo)體。同時(shí),35 kV電力電纜為三相雙回線(xiàn)路,即貫通地線(xiàn)導(dǎo)體電阻為單根35 kV電力電纜鎧裝層電阻的1/6。

1.1.2 地鐵網(wǎng)絡(luò)模型

地鐵換乘站連接多條地鐵線(xiàn)路,不同地鐵線(xiàn)路在地鐵換乘站位置都設(shè)有單獨(dú)的接地網(wǎng)。由于車(chē)站接地網(wǎng)與結(jié)構(gòu)鋼筋等自然接地體相連,使得不同地鐵線(xiàn)路在地鐵換乘站通過(guò)結(jié)構(gòu)鋼筋實(shí)現(xiàn)接地系統(tǒng)電氣連通[17]。

由于CDEGS軟件導(dǎo)體數(shù)量有限,可通過(guò)將換乘站位置不同的地鐵線(xiàn)路的多個(gè)接地網(wǎng)等效為單個(gè)接地網(wǎng),如圖2所示。由于換乘站處多個(gè)接地網(wǎng)屬于并聯(lián)關(guān)系,則換乘站接地網(wǎng)等效導(dǎo)體面積Shc為

圖2 換乘站等效模型

Shc=Scz×m2

(2)

式中,m為途經(jīng)同一座換乘站的地鐵線(xiàn)路數(shù)量。

1.2 電網(wǎng)模型

1.2.1 變壓器模型

變壓器根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)可分為自耦變壓器、非自耦變壓器。實(shí)際工程中,500 kV變電站通常采用自耦變壓器,220 kV變電站通常采用非自耦變壓器[18]。此外,變壓器電阻主要集中在繞組位置,因此不同電壓等級(jí)的變壓器分別等效為與繞組相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的導(dǎo)體。

1.2.2 輸電線(xiàn)模型

電網(wǎng)中地鐵雜散電流可通過(guò)輸電線(xiàn)、避雷線(xiàn)和電纜鎧裝層在不同變電站間流動(dòng)。根據(jù)輸電線(xiàn)、避雷線(xiàn)和電纜鎧裝層的電氣連接關(guān)系,輸電線(xiàn)等效為連接相鄰變電站變壓器的導(dǎo)體;避雷線(xiàn)等效為平行于輸電線(xiàn)并且連接相鄰變電站接地網(wǎng)的導(dǎo)體;電纜鎧裝層也等效為連接相鄰變電站接地網(wǎng)的導(dǎo)體。

1.2.3 隔直裝置模型

由于隔直裝置阻斷直流偏磁電流從變壓器中性點(diǎn)位置入侵城市電網(wǎng),所以隔直裝置等效為變壓器中性點(diǎn)斷開(kāi)與變電站接地網(wǎng)的電氣連接。當(dāng)變壓器模型加裝隔直裝置后,變壓器中性點(diǎn)不連接變電站接地網(wǎng),即變壓器中性點(diǎn)懸空,如圖3所示。同時(shí),變電站安裝隔直裝置即默認(rèn)隔直裝置的工作狀態(tài)為投入。

圖3 隔直裝置等效模型

圖4 基于CDEGS仿真軟件的耦合模型

1.3 地鐵網(wǎng)絡(luò)模型和城市電網(wǎng)模型耦合

地鐵網(wǎng)絡(luò)模型和城市電網(wǎng)模型間通過(guò)土壤、電纜鎧裝層實(shí)現(xiàn)電氣、大地耦合[19]。為實(shí)現(xiàn)地鐵網(wǎng)絡(luò)模型和城市電網(wǎng)模型的大地耦合,可通過(guò)將兩者設(shè)置于相同的土壤模型中。

地鐵網(wǎng)絡(luò)模型和城市電網(wǎng)模型間主要通過(guò)電纜鎧裝層實(shí)現(xiàn)電氣耦合。220 kV變電站為110 kV地鐵主所供電電纜和110 kV地鐵主所為地鐵牽引變電站供電電纜在電纜首尾兩端接地,使得地鐵雜散電流可通過(guò)電纜鎧裝層從牽引變電站的接地網(wǎng)流入220 kV變電站。電纜鎧裝層等效為連接220 kV變電站接地網(wǎng)和地鐵牽引變電站接地網(wǎng)的導(dǎo)體,該導(dǎo)體電阻Rk為

Rk=Rzs+Rzsdw

(3)

式中,Rzs、Rzsdw分別為110 kV電纜鎧裝層電阻和110 kV地鐵主所接地網(wǎng)接地電阻。

1.4 耦合建模方法應(yīng)用

西南某城市共有9條地鐵線(xiàn)路采用直流牽引供電,地鐵全網(wǎng)沿線(xiàn)共有300個(gè)車(chē)站,其中包含153個(gè)牽引變電站和40個(gè)換乘站,線(xiàn)路累加長(zhǎng)度達(dá)到364 km。依據(jù)該城市地鐵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及拓?fù)溥B接關(guān)系,利用地鐵網(wǎng)絡(luò)建模方法搭建如圖5所示的地鐵網(wǎng)絡(luò)模型。同時(shí),該城市電網(wǎng)包含7座500 kV變電站和61座220 kV變電站,依據(jù)該城市電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及拓?fù)溥B接關(guān)系,利用電網(wǎng)建模方法搭建如圖5所示的城市電網(wǎng)模型。根據(jù)地鐵網(wǎng)絡(luò)和城市電網(wǎng)空間、電氣關(guān)系,將22座為地鐵主所供電的220 kV變電站通過(guò)電纜鎧裝層導(dǎo)體與對(duì)應(yīng)地鐵牽引變電站接地網(wǎng)相連實(shí)現(xiàn)電氣耦合,建立城市電網(wǎng)與地鐵網(wǎng)絡(luò)耦合模型。同時(shí)規(guī)定耦合模型中500 kV變電站編號(hào)為a1、a2、a3……;不為地鐵主所供電的220 kV變電站編號(hào)為b1、b2、b3……;為地鐵主所供電的220 kV變電站編號(hào)為c1、c2、c3……。

圖5 西南某城市的電網(wǎng)與地鐵耦合模型部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

輸電線(xiàn)、鋼軌等設(shè)備等效過(guò)程中導(dǎo)體電阻率均可以在電力系統(tǒng)和地鐵設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行中直接或間接測(cè)量得到[17,20-22]。耦合模型基本參數(shù)的數(shù)值如表1所示。

表1 耦合模型基本參數(shù)

2 500 kV變電站安裝隔直裝置對(duì)直流偏磁電流分布影響

分析在500 kV電壓等級(jí)的變電站位置安裝隔直裝置對(duì)城市電網(wǎng)主變壓器直流偏磁電流幅值的影響。設(shè)置耦合模型中單座500 kV變電站依次安裝隔直裝置,以典型500 kV變電站a1為例分析。變電站c1、c2、c3、b1是變電站a1安裝隔直裝置后主變壓器直流偏磁電流幅值變化相對(duì)較大的變電站,仿真的結(jié)果如圖6所示。部分輸電線(xiàn)路電流變化情況如表2所示。

表2 變電站a1隔直前后部分輸電線(xiàn)路電流幅值 單位:A

圖6 500 kV變電站a1及其直連部分變電站主變壓器偏磁電流幅值

由仿真結(jié)果可知,當(dāng)變電站a1安裝隔直裝置后主變壓器直流偏磁電流幅值減小1.29 A,同時(shí)該區(qū)域變電站c1、c2主變壓器直流偏磁電流幅值小幅抬升。在該區(qū)域電網(wǎng)中,變電站c1、c2受到地鐵雜散電流嚴(yán)重影響,因此這兩座變電站主變壓器偏磁電流較大,但是當(dāng)變電站a1安裝隔直裝置后變電站c2、c1主變壓器直流偏磁電流幅值僅分別增加1.50%、0.21%。表2中Ikc2、Ikc1分別為變電站c2、c1的電纜鎧裝層電流,Ila1-c2、Ila1-c1分別為變電站a1和c2、a1和c1輸電線(xiàn)電流。由表2可知,當(dāng)變電站a1安裝隔直裝置后變電站c2、c1的鎧裝層電流幾乎不變,輸電線(xiàn)電流分別增大0.30 A、0.13 A。

變電站a1與變電站c2、c1的輸電距離分別為23 164 m、7679 m,輸電線(xiàn)路越長(zhǎng)意味著線(xiàn)路電阻越大,所以變電站a1安裝隔直裝置只是切斷變電站c2、c1間一條相對(duì)高阻的流通路徑。然而,變電站c2、c1通過(guò)電纜連接相同的地鐵牽引變電站,變電站a1隔直后地鐵雜散電流仍通過(guò)電纜鎧裝層入侵變電站c2、c1,使得該區(qū)域中主變壓器直流偏磁電流最大的變電站c1電流幅值僅增長(zhǎng)0.21%。

變電站b1、c1與變電站a1之間輸電線(xiàn)長(zhǎng)度分別為22 916 m、23 164 m,但是變電站b1、c1分別流入變電站a1抑制主變壓器直流偏磁電流的6%、9%,說(shuō)明500 kV變電站安裝隔直裝置抑制的主變壓器直流偏磁電流在電網(wǎng)重新分配比例與變電站間輸電線(xiàn)長(zhǎng)度沒(méi)有直接關(guān)系。

綜上,500 kV樞紐變電站a1安裝隔直裝置會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域中多座變電站主變壓器直流偏磁電流幅值抬升,但是變電站a1安裝隔直裝置只是阻斷其連接的變電站站間一條相對(duì)高阻的流通路徑。

3 220 kV變電站安裝隔直裝置對(duì)直流偏磁電流分布影響

基于建立的城市電網(wǎng)與地鐵網(wǎng)絡(luò)耦合模型,分別在是否為地鐵主所供電的兩種變電站安裝隔直裝置,分析對(duì)城市電網(wǎng)主變壓器直流偏磁電流幅值的影響。

3.1 不為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置

設(shè)置在耦合模型中單座不為地鐵主所供電的220 kV變電站依次安裝隔直裝置,以典型變電站b2為例進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖7所示。變電站b2通過(guò)輸電線(xiàn)、避雷線(xiàn)與變電站c4、c5直接相連,拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。圖7中Ib2、Ic4、Ic5分別為變電站b2、c4、c5主變壓器偏磁電流,Ibb2-c4、Ibb2-c5分別為變電站b2和c4、變電站b2和c5間避雷線(xiàn)電流。

圖7 不與地鐵通過(guò)電纜相連的220 kV變電站b2隔直前后的導(dǎo)體電流幅值

由仿真結(jié)果可知,當(dāng)變電站b2安裝隔直裝置時(shí)主變壓器偏磁電流幅值減小4.54 A,與其直連的變電站偏磁電流總和減少7.13%。在變電站b2隔直前后,變電站b2與變電站c4、c5間的避雷線(xiàn)電流幅值分別相差4.62 A、0.15 A,說(shuō)明變電站b2安裝隔直裝置后變壓器不再是直流偏磁電流低阻流通路徑,使得變電站b2兩側(cè)的避雷線(xiàn)電流的幅值相近。

綜上,不為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置,將導(dǎo)致該變電站避雷線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)、出線(xiàn)電流幅值相近。直流偏磁電流通過(guò)避雷線(xiàn)流入電網(wǎng)中其他變電站,增加其他變電站直流偏磁風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置

分別在耦合模型中為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置,以典型變電站c6、c7為例進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖8和表3所示。變電站c6與變電站c7為相同的地鐵牽引變電站供電,變電站c6通過(guò)輸電線(xiàn)、避雷線(xiàn)與變電站b3、c7直接相連,同時(shí)變電站c7又通過(guò)輸電線(xiàn)、避雷線(xiàn)與變電站c8直接相連,拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

表3 變電站c6、c7隔直前后電纜鎧裝層電流

圖8 為地鐵主所供電的220 kV變電站c6、c7及其附近變電站主變壓器偏磁電流幅值

由圖8可知,當(dāng)變電站c6、c7安裝隔直裝置時(shí)主變壓器偏磁電流幅值分別減小25.02 A、20.89 A,變電站c6、c7直連變電站的主變壓器偏磁電流總和分別減少19.08%、15.69%。與地鐵直連的220 kV變電站安裝隔直裝置,導(dǎo)致此類(lèi)變電站及周?chē)冸娬局髯儔浩髌烹娏鞣悼偤兔黠@減少,抑制效果顯著。由表3可知,在變電站c6、c7均未安裝隔直裝置、變電站c6、c7分別安裝隔直裝置3種工況下,電纜鎧裝層電流幅值總和分別為105.55 A、103.94 A、104.15 A。當(dāng)變電站c7安裝隔直裝置時(shí)變電站c6、c7電纜鎧裝層電流分別增加3.31 A、減少4.71 A,而當(dāng)變電站c6安裝隔直裝置時(shí)變電站c6、c7電纜鎧裝層電流分別減少6.05 A、增加4.44 A。在變電站c6、c7分別安裝隔直裝置時(shí),電纜鎧裝層電流變化趨勢(shì)相反,說(shuō)明對(duì)于電纜鎧裝層連接的兩側(cè)變電站,當(dāng)一側(cè)變電站安裝隔直裝置會(huì)導(dǎo)致另一側(cè)變電站流入更多的雜散電流。雖然與地鐵通過(guò)電纜鎧裝層相連的220 kV變電站安裝隔直裝置時(shí)能減少一定量的電纜鎧裝層電流,但是與地鐵直連的220 kV變電站位于雜散電流入侵電網(wǎng)的重要路徑上,因此仍有大量雜散電流從該位置入侵電網(wǎng)。

4 結(jié) 論

通過(guò)搭建城市電網(wǎng)與地鐵網(wǎng)絡(luò)耦合模型,仿真分析隔直裝置安裝位置對(duì)城市電網(wǎng)中地鐵雜散電流分布的影響。分析結(jié)果表明:500 kV變電站安裝隔直裝置只是阻斷其連接變電站站間一條相對(duì)高阻的流通路徑,對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)主變壓器直流偏磁電流分布影響較小;不為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置后,在一定程度上增加該區(qū)域主變壓器的直流偏磁風(fēng)險(xiǎn);為地鐵主所供電的220 kV變電站安裝隔直裝置后,與其直連變電站的直流偏磁電流總量減少超過(guò)15%,抑制效果顯著。綜上,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注為地鐵主所供電且直流偏磁現(xiàn)象嚴(yán)重的220 kV變電站,在此類(lèi)變電站安裝隔直裝置能有效抑制城市電網(wǎng)中直流偏磁電流。