摘要：分析了地铁杂散电流的成因，及其对城市电网变压器的影响。通过比较三种不同的治理方法，提出了应用中性点串联电容法的治理措施，并以某城市电网内的发电厂主变安装该装置为例，对继电保护动作行为的影响进行了分析。
关键词：杂散电流、变压器、直流偏磁、继电保护
随着地铁的迅猛发展，其特有供电方式引起的杂散电流已经对城市电网产生了不同程度的影响。到目前为止，国内已监测到地铁杂散电流对变压器、接地网、无功补偿装置的运行带来影响，造成变压器直流偏磁、无功补偿装置故障、接地网加速腐蚀等危害。
目前国内对地铁杂散电流影响的研究集中于对埋地管道等金属构筑物造成腐蚀、杂散电流监测、自动检测方法、和防护措施等方面，鲜有地铁杂散电流对城市电网变压器影响研究的文章。因此，开展地铁杂散电流对城市电网变压器影响研究，探讨其治理方案具有现实意义。
1杂散电流的产生及影响
1.1杂散电流的产生
地铁供电系统采用直流供电方式，一般为DC750V或1500V，经由馈电线（接触网）向列车输送电流，并由钢轨及与之相连的导线构成的返回线返回。由于返回线具有电阻并承载电流，因此在返回线上产生压降，使钢轨具有对大地的电压（简称钢轨电压）。钢轨与地之间并非绝对绝缘，而是有一定的对地电阻（过渡电阻），钢轨电压与对地电阻的存在必然导致对大地的漏泄电流，即杂散电流（又称迷流）。由于杂散电流的作用，会在牵引变电所附近及地铁沿线产生地电位分布，该电位作用于城市电网，就会通过接地的变压器中性点注入或流出直流电流，造成变压器的偏磁现象。
地铁供电系统引起变压器中性点电流具有变化快的特点，地铁在实际运行时同一线路上有多辆机车双向通行。实际上机车的运行位置就是杂散电流的入地位置，因此，影响变压器中性点直流分量的是多台机车产生杂散电流的共同作用。在不同时刻，机车的位置不同，杂散电流的产生位置也就不同。机车与城市电网中变压器的相对位置不同，造成杂散电流注入和流出的变化。机车的运行负载情况和机车与变压器之间的距离对杂散电流的幅值密切相关。实际情况下，由于地铁机车运行间隔短，同时在轨运行数量多、速度快，因此造成了变压器中性点直流电流正负和幅值变化剧烈。
1.2杂散电流对变压器的影响
通过交流变压器中性点注入城市电网地铁杂散电流，其电流的幅值和方向可通过测量获得。通过分析变压器中性点直流电流24小时的实际测试结果，可以得出以下结论：
（1）直流电流有正有负，且正负变化很快，一般30s内就出现数据由正到负或由负到正的变化；
（2）变压器中性点直流电流正方向最大为16.29A，负方向最大为19.41A，且发生在早7点-8点之间；
（3）在0:00—5:00这一时间段，直流电流绝对值在1A以内，属于装置飘零，可以认为此段时间内主变中性点无直流电流；
（4）在24小时内，主变出现了严重直流偏磁现象，出现直流偏磁的时间在5:00—24:00；
（5）对变压器中性点直流电流连续监测了4天，每天的电流波形基本一致。
杂散电流通过主变中性点注入或流出城市电网会引起变压器的直流偏磁现象。直流偏磁会引起变压器励磁电流大幅增加，铁心饱和程度加深，漏磁通加大绕组、铁心、油箱和夹件的涡流损耗增加，进而引起变压器顶层油温和绕组温度增加，导致局部过热。漏磁通的大幅增加，也会导致绕组电动力增大，使变压器振动、噪声加剧。在偏磁电流的长期作用下，会使变压器的机械性能、抗路能力下降，从而在变压器遭受外部突发短路故障时，引发更大的电网事故。
变压器中性点允许流过的直流偏磁电流值与变压器铁芯材料、磁通密度设计取值、变压器结构等有关，宜向制造厂咨询。如制造厂无法提供，则根据《高压直流接地极技术导则》DL/T 437-2012条款6.3条，变压器每相绕组允许的直流偏磁电流可按单相变压器为额定电流的0.3%、三相五柱变压器为额定电流的0.5%、三相三柱变压器为额定电流的0.7%考虑。当流过变压器绕组的直流电流大于上述计算允许值的情况下，应采取合适的限流、隔直装置或其他措施。
2变压器直流偏磁的治理方法
2.1概述
目前应用于电网的变压器直流偏磁治理方法主要有三种，分别是串连电阻法、串连电容法、反向电流注入法]。
（1）串连电阻法是在变压器中性点串联一个小阻值的电阻，增加直流回路阻抗，从而达到限制直流电流的效果。中性点串连电阻法原理简单，易于实现，但只能部分抑制变压器直流电流，且该方法对于电阻阻值的选取需要结合实际情况进行计算，阻值较小，不能有效抑制直流电流；若阻值较大，则会影响交流系统整体参数，可能会影响继电保护装置的动作行为。
（2）反向电流注入法无须改变变压器中性点接线，借助有源直流电流注入方式直接抵消注入或流出的变压器中性点直流电流。反向电流注入法需要另建辅助接地极，为中性点注入电流提供回路，工程造价高，辅助接地极的入地电流可能造成二次污染，在有多台变压器中性点接地且连接不同出线时补偿效果不佳。此外装置功率消耗较大，注入地网的电流增加了变电站地网的负担。
（3）串连电容法是利用电容器隔直通交的特点，在变压器中性点串联一个电容器，从而完全抑制变压器中性点的直流电流。串连电容法的不足是改变了变压器中性点直接接地的特性，改变了系统的零序参数，在出现不对称接地故障时继电保护将受到影响，需评估接入电容器后对继电保护动作行为的影响。
表1 三种抑制方法的比较
综合以上分析，三种方法中串联电容法原理简单，可以有效地抑制杂散电流带来的城市电网变压器直流偏磁现象。
2.2串联电容法隔直装置
串联电容法隔直装置主要由隔直电容器、旁路机械开关、快速旁路单元、直流电流采集单元、直流电压采集单元、交流电流互感器、数字控制器、远程监控计算机（上位机）等组成，隔直电容器一般采用50Hz交流系统的容抗为0.1Ω的配置。装置包括两种工作状态：
（1）直接接地状态：旁路机械开关闭合，变压器中性点经旁路机械开关接地的状态；
（2）隔直状态：旁路机械开关断开，变压器中性点经隔直电容器接地的状态。
装置在隔直状态下，当系统发生不对称故障时，如果电容器两端电压大于快速旁路单元门限电压时，快速旁路单元瞬时导通（小于200 μs）实现快速旁路保护，同时驱动旁路机械开关闭合（小于20ms），实现中性点直接接地，从而实现对电容器的保护。
3电容法隔直装置对保护的影响分析
串联电容法隔直装置以电容器为主要隔直元件，电容器50Hz交流系统的容抗为0.1Ω。当装置处于隔直运行状态时，变压器中性点经电容器接地，等效变压器中性点接入了0.1Ω容抗。
考虑到发电厂保护相对较多，分析发电厂安装隔直装置对继电保护的影响具有代表性。对A厂TA主变中性点接入-j0.1Ω的电容性偏磁抑制装置后对变压器和相邻线路保护的影响进行分析计算。计算选取了某城市电网220kV及以电网正常、小运行方式。
其中，TA主变正序、零序电气参数如下表：
Sj=1000MVA Uj=230kV
正序参数：标么值0.4212；折算到高压侧的有名值22.2815
零序参数 ：0.4650；折算到高压侧的有名值24.5985
从电气稳态分析看，隔直装置的接入对继电保护的影响均是由其对网络零序参数的改变引起。TA主变高压侧零序参数为j24.5980Ω，中性点增加-j0.1Ω的电容等值于主变高压侧零序参数变为j24.5980-0.3即j24.298Ω，降低幅度为1.22%,转换标幺值为0.4593。
对以零序量构成的保护的影响最大不会超过1.22%，而且总体上表现为从A厂流出的零序电流增大，但是变化很小。
3.1对变压器保护的影响分析
3.1.1差动保护
比率制动式差动保护是变压器的主保护，变压器中性点接入电容后不会影响差动保护的差动电流和制动电流的数值关系，因此中性点零序电流大小的改变对差动保护无影响。
3.1.2复压过流保护
复压过流保护是相间故障后备保护。变压器中性点加0.1欧电容的前后，对相电压、相间短路没有影响，不影响变压器复压过流保护的选择性和灵敏性。
3.1.3中性点间隙零序电流及零序电压保护
中性点间隙零序电流及零序电压保护适用于变压器中性点不接地情况时的变压器保护，对于主变高中压侧中性点均接地的变压器保护，无需考虑对其影响。
3.1.4过负荷保护
变压器过负荷保护是根据变压器过负荷的表现：绕组温升发热来判断过负荷情况的。变压器中性点是否接入电容对过负荷保护没有影响。
变压器中性点零序过流保护
发生接地故障时，主变中性点接入偏磁抑制电容总体上使得流过该主变中性点零序电流变化很小，角度变化很小。因而对主变中性点零序过流元件的灵敏性基本没有影响。
数值计算表明：TA主变中性点接入电容时，在不同运行方式下，主变高压侧零序电流增长的幅度，金属性单相接地与两相短路接地时升幅最大为1.16%，角度变化最大幅度为0.05度，相角几乎没有影响。 故TA主变中性点接入小电容，对主变零序电流保护没有影响。
3.2对线路保护的影响分析
3.2.1零序方向过流保护
总体上，隔直电容的接入使得由A厂到接地故障线路的通路上流过的零序电流变化不大，其零序过流元件灵敏性基本没有变化；而线路对侧零序电流也基本没有变化，其零序过流元件灵敏系数影响很小。
数值计算表明：在年正常、最小方式下，发生接地故障时，零序电压变化最大0.25%，零序电流最大变化1.1%，角度最大变化0.09度，没有因TA主变中性点接入小电容而有较大的影响。因此，不论从零序保护电流元件、零序方向元件的方向判别在TA主变中性点接入电容前后基本不受影响，可认为线路零序方向过流保护的动作性能不受影响。
3.2.2线路接地距离保护
数值计算表明，在正常、最小方式下，A厂、B站、C站、D站出线首端、中端、末端故障时，接地阻抗值的变化幅度最大为0.32%，角度几乎没有变化；因而对线路接地距离保护基本没有影响。
3.2.3对发电机保护的影响
由于主变中性点接地点位于其高压侧，发电机侧（变压器低压侧）绕组为三角形接线，零序电流无法形成通路，发电机的零序等值网无变化，而主变中性点接入电容只影响零序等值网络，对发电机正序、负序等值网亦无影响，故主变中性点是否经电容接地对发电机保护无影响。
4结论
地铁特有的供电方式是造成杂散电流产生的原因。杂散电流通过变压器中性点注入或流出城市电网会引起变压器的直流偏磁现象。通过比较串连电阻法、串连电容法和反向电流注入法等三种不同的治理措施，提出了中性点串连电容法适用于解决杂散电流造成的变压器直流偏磁现象。通过对城市电网中的发电厂主变中性点接入电容后，继电保护动作行为进行分析，得出变压器中性点接入0.1Ω电容，对继电保护无影响。
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论文作者:彭加成
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/6
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