隔直装置安装位置对电网主变压器直流偏磁电流分布影响研究.pdf

隔直装置安装位置对电网主变压器直流偏磁电流分布影响研究李小鹏张华杰吴嘉煜周文越(.国网四川省电力公司电力科学研究院 四川 成都.西南交通大学电气工程学院四川 成都)摘 要:针对城市电网直流偏磁主变压器中性点安装隔直装置后导致周围其他主变压器中性点直流增加出现直流偏磁这一现象提出研究隔直装置安装位置对城市电网主变压器直流偏磁电流分布的影响 考虑地铁回流系统结构、换乘站综合接地系统连接特征以及地铁和城市电网空间、电气连接关系基于 仿真软件建立西南某城市电网及地铁网络耦合模型 在此基础上仿真分析了不同类型变电站安装隔直装置后电网变电站主变压器直流偏磁电流幅值变化特征 分析结果表明为地铁主变电所供电的 变电站安装隔直装置后与其直连的变电站主变压器直流偏磁电流总量减少超过 能够显著抑制直流偏磁电流为城市电网变电站隔直装置安装位置确定提供理论依据关键词:隔直装置安装位置 地铁杂散电流 城市电网 主变压器直流偏磁电流中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.(.):.:基金项目:四川省重点研发计划项目()国网四川省电力公司研究开发项目()四 川 电 力 技 术 年 月 第 卷 第 期 引 言地铁杂散电流入侵城市电网后城市电网主变压器出现直流偏磁现象造成变压器振动加剧、噪声增大危害电网安全稳定运行 为保障电网及主变压器运行安全电网普遍采用安装隔直装置的方式阻断直流入侵抑制主变压器直流偏磁发生 然而隔直装置虽然能有效阻断流入主变压器的直流偏磁电流但由于城市电网中存在复杂的电气拓扑结构为直流偏磁电流流通提供多条路径频繁导致城市电网中其他正常运行的主变压器中性点直流增加并出现直流偏磁现象 可见隔直安装位置的选取对城市电网中直流偏磁电流分布存在一定的影响 因此为有效抑制电网主变压器直流偏磁现象发生有必要分析隔直装置安装位置对城市电网中主变压器直流偏磁电流的影响近年来直流偏磁电流在城市电网中的分布已得到广泛研究 针对高压直流输电引起的直流偏磁电流文献考虑土壤结构基于复镜像法计算多层水平土壤结构中的电流分布仿真结果表明直流偏磁电流主要分布于接地极方圆 范围内的城市电网文献考虑高压直流输电接地极与变电站距离、变压器并联运行数量和变电站间距等因素对城市电网中主变压器直流偏磁电流分布的影响 针对地磁暴引起的直流偏磁电流文献基于 软件建立电网等效模型计算某电网中多座 变电站的直流偏磁电流仿真结果表明在电网的终点和拐角处容易诱发较大的直流偏磁电流文献探究多种高压直流输电运行方式对直流偏磁电流分布的影响结果表明在单极大地回线和双极运行方式下可能存在直流偏磁电流而且直流偏磁电流取决于直流极线电阻和接地极电阻等因素 针对地铁杂散电流引起的直流偏磁电流文献基于 仿真软件建立交流电网的杂散电流分布仿真模型仿真分析电网中直流偏磁电流的分布仿真结果表明直流偏磁电流主要通过电网中的输电线路传播文献总结土壤电阻率、变电站位置和变电站接地电阻和出线方式等因素对电网中直流偏磁电流分布的影响提出对变压器中性点加装 限流电阻时可获得较好直流抑制效果虽然上述文献分别探究不同因素对电网中直流偏磁电流分布影响但是目前未有分析隔直装置安装位置对城市电网中直流偏磁电流分布影响的研究综上下面考虑地铁网络结构、换乘站综合接地系统连接特征以及地铁网络和城市电网空间、电气关系以西南某城市电网、地铁网络为研究对象基于 仿真软件建立耦合模型探究隔直装置安装位置对电网中地铁杂散电流分布的影响为选择隔直装置安装位置提供依据 直流偏磁电流仿真计算方法依据电网与地铁拓扑结构、电气设备连接关系并考虑城市电网与地铁网络之间电缆铠装层、大地之间的电气、空间耦合关系基于 仿真软件建立城市电网与地铁网络耦合模型.地铁模型考虑地铁线路牵引供电系统及回流系统的拓扑结构、电气设备连接关系建立地铁线路模型在此基础上进一步考虑地铁线路间换乘站综合接地系统电气连接特征建立地铁网络模型.地铁线路模型地铁牵引供电系统主要包括接触网、机车和牵引变电站依据接触网和牵引变电站连接关系建立牵引供电系统模型如图 所示地铁回流系统中全线贯通的金属结构包括轨道、排流网、贯通地线在实际工程中它们均由多根纵向金属并联而成 依据实际工程导体连接结构特征将轨道、排流网、贯通地线视为多电阻并联电路并将其等效为单根纵向导体如图 所示图 地铁线路模型)钢轨:在单行地铁线路中两根钢轨通过均流线连接组成并联结构根据钢轨的拓扑结构和电气连接关系可将两根钢轨等效为一根具有单根钢轨一半电阻值的钢轨导体)排流网:排流网位于钢轨正下方由多根纵向排流条通过横向钢筋连接组成并联结构 同理根据排流网的拓扑结构和电气连接关系可将排流 四川电力技术 第 卷网等效为一根排流网导体 假设纵向排流条总数为则排流网导体电阻为单根排流条电阻的/)车站接地网:地铁线路沿线车站的排流网下方设有接地网 根据接地网的拓扑结构和电气连接关系可将车站接地网等效为与车站接地网具有相同接地电阻阻值的网状导体结构其中网状导体结构的面积 为./()式中:为土壤电阻率为接地网的接地电阻)贯通地线:将地铁全线贯通的 电力电缆的铠装层视为贯通地线 由于贯通地线在地铁全线贯通并在车站位置接地所以将其等效为一根平行于接触网且连接地铁沿线车站接地网的导体 同时 电力电缆为三相双回线路即贯通地线导体电阻为单根 电力电缆铠装层电阻的/.地铁网络模型地铁换乘站连接多条地铁线路不同地铁线路在地铁换乘站位置都设有单独的接地网 由于车站接地网与结构钢筋等自然接地体相连使得不同地铁线路在地铁换乘站通过结构钢筋实现接地系统电气连通由于 软件导体数量有限可通过将换乘站位置不同的地铁线路的多个接地网等效为单个接地网如图 所示 由于换乘站处多个接地网属于并联关系则换乘站接地网等效导体面积 为 ()式中 为途经同一座换乘站的地铁线路数量图 换乘站等效模型.电网模型.变压器模型变压器根据绕组结构可分为自耦变压器、非自耦变压器 实际工程中 变电站通常采用自耦变压器 变电站通常采用非自耦变压器 此外变压器电阻主要集中在绕组位置因此不同电压等级的变压器分别等效为与绕组相同拓扑结构的导体.输电线模型电网中地铁杂散电流可通过输电线、避雷线和电缆铠装层在不同变电站间流动 根据输电线、避雷线和电缆铠装层的电气连接关系输电线等效为连接相邻变电站变压器的导体避雷线等效为平行于输电线并且连接相邻变电站接地网的导体电缆铠装层也等效为连接相邻变电站接地网的导体.隔直装置模型由于隔直装置阻断直流偏磁电流从变压器中性点位置入侵城市电网所以隔直装置等效为变压器中性点断开与变电站接地网的电气连接 当变压器模型加装隔直装置后变压器中性点不连接变电站接地网即变压器中性点悬空如图 所示 同时变电站安装隔直装置即默认隔直装置的工作状态为投入图 隔直装置等效模型.地铁网络模型和城市电网模型耦合地铁网络模型和城市电网模型间通过土壤、电缆铠装层实现电气、大地耦合 为实现地铁网络模型和城市电网模型的大地耦合可通过将两者设置于相同的土壤模型中图 基于 仿真软件的耦合模型地铁网络模型和城市电网模型间主要通过电缆铠装层实现电气耦合 变电站为 地铁主所供电电缆和 地铁主所为地铁牵引变电站供电电缆在电缆首尾两端接地使得地铁杂散电流可通过电缆铠装层从牵引变电站的接地网流入 变电站 电缆铠装层等效为连接 变电站接地网和地铁牵引变电站接地网的导体该导第 期 李小鹏等:隔直装置安装位置对电网主变压器直流偏磁电流分布影响研究 体电阻 为 ()式中、分别为 电缆铠装层电阻和 地铁主所接地网接地电阻.耦合建模方法应用西南某城市共有 条地铁线路采用直流牵引供电地铁全网沿线共有 个车站其中包含 个牵引变电站和 个换乘站线路累加长度达到 依据该城市地铁网络结构及拓扑连接关系利用地铁网络建模方法搭建如图 所示的地铁网络模型 同时该城市电网包含 座 变电站和 座 变电站依据该城市电网结构及拓扑连接关系利用电网建模方法搭建如图 所示的城市电网模型 根据地铁网络和城市电网空间、电气关系将 座为地铁主所供电的 变电站通过电缆铠装层导体与对应地铁牵引变电站接地网相连实现电气耦合建立城市电网与地铁网络耦合模型 同时规定耦合模型中 变电站编号为、不为地铁主所供电的 变电站编号为、为地铁主所供电的 变电站编号为、图 西南某城市的电网与地铁耦合模型部分拓扑结构输电线、钢轨等设备等效过程中导体电阻率均可以在电力系统和地铁设计、施工及运行中直接或间接测量得到 耦合模型基本参数的数值如表 所示 变电站安装隔直装置对直流偏磁电流分布影响 分析在 电压等级的变电站位置安装隔表 耦合模型基本参数等效导体数值等效导体数值 变压器高压绕组/.变压器中压绕组/.变压器绕组/.牵引变电站等效电阻/.车站接地网面积/土壤电阻率/()输电线电阻/().避雷线电阻/().接触网电阻/().钢轨电阻/().排流网电阻/().贯通地线电阻/().直装置对城市电网主变压器直流偏磁电流幅值的影响 设置耦合模型中单座 变电站依次安装隔直装置以典型 变电站 为例分析 变电站、是变电站 安装隔直装置后主变压器直流偏磁电流幅值变化相对较大的变电站仿真的结果如图 所示 部分输电线路电流变化情况如表 所示图 变电站 及其直连部分变电站主变压器偏磁电流幅值由仿真结果可知当变电站 安装隔直装置后主变压器直流偏磁电流幅值减小.同时该区域变电站、主变压器直流偏磁电流幅值小幅抬升 在该区域电网中变电站、受到地铁杂散电流严重影响因此这两座变电站主变压器偏磁电流较大但是当变电站 安装隔直装置后变电站、主变压器直流偏磁电流幅值仅分别增加.、.表 中、分别为变电站、的电缆铠装层电流、分别为变电站 和、和 输电线电流 由表 可知当变电站 四川电力技术 第 卷 安装隔直装置后变电站、的铠装层电流几乎不变输电线电流分别增大.、.表 变电站 隔直前后部分输电线路电流幅值单位:工况变电站 未隔直.变电站 隔直.变电站 与变电站、的输电距离分别为 、输电线路越长意味着线路电阻越大所以变电站 安装隔直装置只是切断变电站、间一条相对高阻的流通路径 然而变电站、通过电缆连接相同的地铁牵引变电站变电站 隔直后地铁杂散电流仍通过电缆铠装层入侵变电站、使得该区域中主变压器直流偏磁电流最大的变电站 电流幅值仅增长.变电站、与变电站 之间输电线长度分别为 、但是变电站、分别流入变电站 抑制主变压器直流偏磁电流的、说明 变电站安装隔直装置抑制的主变压器直流偏磁电流在电网重新分配比例与变电站间输电线长度没有直接关系综上 枢纽变电站 安装隔直装置会导致该区域中多座变电站主变压器直流偏磁电流幅值抬升但是变电站 安装隔直装置只是阻断其连接的变电站站间一条相对高阻的流通路径 变电站安装隔直装置对直流偏磁电流分布影响 基于建立的城市电网与地铁网络耦合模型分别在是否为地铁主所供电的两种变电站安装隔直装置分析对城市电网主变压器直流偏磁电流幅值的影响.不为地铁主所供电的 变电站安装隔直装置设置在耦合模型中单座不为地铁主所供电的 变电站依次安装隔直装置以典型变电站 为例进行仿真结果如图 所示 变电站 通过输电线、避雷线与变电站、直接相连拓扑连接结构见图 图 中、分别为变电站、主变压器偏磁电流、分别为变电站 和、变电站 和 间避雷线电流图 不与地铁通过电缆相连的 变电站 隔直前后的导体电流幅值 由仿真结果可知当变电站 安装隔直装置时主变压器偏磁电流幅值减小.与其直连的变电站偏磁电流总和减少.在变电站 隔直前后变电站 与变电站、间的避雷线电流幅值分别相差.、.说明变电站 安装隔直装置后变压器不再是直流偏磁电流低阻流通路径使得变电站 两侧的避雷线电流的幅值相近综上不为地铁主所供电的 变电站安装隔直装置将导致该变电站避雷线进线、出线电流幅值相近 直流偏磁电流通过避雷线流入电网中其他变电站增加其他变电站直流偏磁风险.为地铁主所供电的 变电站安装隔直装置分别在耦合模型中为地铁主所供电的 变电站安装隔直装置以典型变电站、为例进行仿真结果如图 和表 所示 变电站 与变电站 为相同的地铁牵引变电站供电变电站 通过输电线、避雷线与变电站、直接相连同时变电站 又通过输电线、避雷线与变电站 直接相连拓扑连接结构见图 由图 可知当变电站、安装隔直装置时主变压器偏磁电流幅值分别减小.、.变电站、直连变电站的主变压器偏磁电流总和分别减少.、.与地铁直连的 变电站安装隔直装置导致此类变电站及周围变电站主变压器偏磁电流幅值总和明显减少抑制效果显著 由表 可知在变电站、均未安装隔直装置、变电站、分别安装隔直装置 种工况下电缆铠装层电流幅值总和分别为.、.、.当变电站 安装隔直装置时变电站、第 期 李小鹏等:隔直装置安装位置对电网主变压器直流偏磁电流分布影响研究 图 为地铁主所供电的 变电站、及其附近变电站主变压器偏磁电流幅值表 变电站、隔直前后电缆铠装层电流工况铠装层电流/变电站 变电站 变电站、均未隔直.变电站 隔直.变电站 隔直.电缆铠装层电流分别增加.、减少.而当变电站 安装隔直装置时变电站、电缆铠装层电流分别减少.、增加.在变电站、分别安装隔直装置时电缆铠装层电流变化趋势相反说明对于电缆铠装层连接的两侧变电站当一侧变电站安装隔直装置会导致另一侧变电站流入更多的杂散电流 虽然与地铁通过电缆铠装层相连的 变电站安装隔直装置时能减少一定量的电缆铠装层电流但是与地铁直连的 变电站位于杂散电流入侵电网的重要路径上因此仍有大量杂散电流从该位置入侵电网 结 论通过搭建城市电网与地铁网络耦合模型仿真分析隔直装置安装位置对城市电网中地铁杂散电流分布的影响 分析结果表明:变电站安装隔直装置只是阻断其连接变电站站间一条相对高阻的流通路径对该区域电网主变压器直流偏磁电流分布影响较小不为地铁主所供电的 变电站安装隔直装置后在一定程度上增加该区域主变压器的直流偏磁风险为地铁主所供电的 变电站安装隔直装置后与其直连变电站的直流偏磁电流总量减少超过 抑制效果显著 综上应重点关注为地铁主所供电且直流偏磁现象严重的 变电站在此类变电站安装隔直装置能有效抑制城市电网中直流偏磁电流参考文献 .():.全江涛童歆文习山等.复杂运行工况下变压器直流偏磁的抑制.高电压技术():.李晓华褚福源时胜寒.轨道交通对沿线 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