用于抑制城市电网受城市轨道交通杂散电流影响的方法与流程

1.本发明属于城市电网技术领域，具体涉及一种用于抑制城市电网受城市轨道交通杂散电流影响的方法。


背景技术：

2.近一两年来，国内对超大城市及大城市的城市电网(以下简称城网)电站中的变压器受临近(电站距离城轨线路200～1000米)或附近(电站距离城轨线路1000～3000米)城市轨道交通(以下简称城轨)直流牵引供电系统杂散电流(以下简称杂散电流)的影响进行了一定规模的监测以及研究，特别是对一个超大城市的3座500kv电站以及8座220kv电站进行的大规模城轨杂散电流对城网电站中的变压器产生的直流偏磁影响的大规模系统化监测，发现了如下问题：
3.(1)城网电站中的变压器以及电缆线路等电能传输系统受到临近或附近城轨杂散电流的非常普遍且严重的侵入影响。例如，监测到一个500kv城市中心电站中的变压器中性点的杂散电流峰值高达50a，以及城轨运行高峰期时段(早晚各持续约3小时)动态波动性质的杂散电流的平均值接近20a；
4.(2)电站中的变压器在受到杂散电流入侵后出现了显著或非常显著的杂散电流偏磁影响，产生了变压器振动及噪声异常并严重超标的情况，极大影响电力系统的安全运行。
5.因此，一种用于抑制城网电站中的变压器受城轨杂散电流影响的方法是十分必要的。


技术实现要素：

6.发明目的：针对背景技术中存在的问题，本发明公开了一种用于抑制城市电网受城市轨道交通杂散电流影响的方法，阻塞及转移进入城市电网电站变压器中性点的城市轨道交通直流牵引供电系统杂散电流，降低或消除对城网电站变压器造成的偏磁影响。
7.技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种用于抑制城市电网受城市轨道交通杂散电流影响的方法，城市轨道交通杂散电流被杂散电流吸引源站吸引，通过包括变压器中性点通道和电缆线路金属屏蔽层两个并行独立电阻通道到达与所述杂散电流吸引源站互联的杂散电流入地消散站，最后流入大地消散；
9.所述方法包括：在所述杂散电流吸引源站的每台变压器中性点加装1～3ω阻塞及转移电阻。
10.优选的，在与所述杂散电流吸引源站互联的杂散电流入地消散站的每台变压器中性点加装1～3ω阻塞及转移电阻。
11.优选的，所述阻塞及转移电阻采用电感线圈结构绕线获得，即既有电阻、又有电感的线圈式有感电阻装置，在具有1ω电阻的同时，具有0～6ω工频电抗。
12.优选的，所述阻塞及转移电阻可采用模块化、标准化的1:2电阻比电抗值的线圈式
有感电阻装置，即在具有1ω电阻的同时，具有2ω工频电抗。
13.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的有益效果：
14.1、本发明在杂散电流吸引源站的每台变压器中性点加装1～3ω阻塞及转移电阻，可以非常有效地阻塞及转移绝大部分流入变压器中性点通道的杂散电流，并将其转移到电缆线路金属屏蔽层电阻通道，显著降低或消除对城网电站变压器造成的偏磁影响；
15.2、本发明在杂散电流吸引源站加装阻塞及转移电阻后，同时在互联的杂散电流入地消散站加装1～3ω阻塞及转移电阻进行阻塞或封堵杂散电流，避免出现经过电缆线路金属屏蔽层电阻通道传播到杂散电流入地消散站的杂散电流又返回到该站变压器中性点(通过地电位抬升，以及通过其他互联支路的接地变压器再次迂回入地消散)的现象及问题；
16.3、本发明的阻塞及转移电阻采用电感线圈结构，即线圈式有感电阻装置，通常1ω电阻，可以同时具有0～6ω电抗，可以既彻底阻塞、转移及抑制变压器中性点通道的杂散电流，又能显著限制城市电网常用的500kv自耦变压器中压侧220kv供电系统或220kv自耦变压器高压侧220kv供电系统发生单相接地故障的暂态零序电流，既降低有感电阻装置的耐受电流，进而降低成本及尺寸，还降低通过电缆线路等电器设备的接地短路电流，获得更大的安全裕度；
17.4、本发明的阻塞及转移电阻采用模块化标准化1:2电阻比电抗值的线圈式有感电阻装置，便于采用标准化产品，减少线圈式有感电阻装置体积以及成本，方便工程化应用。
附图说明
18.图1为ja电站与临近以及附近城轨线路的地理位置关系示意图；
19.图2为城轨杂散电流被500kv城网电站及其互联系统吸引、传播及散布的电气电路及其路径原理示意图；
20.图3为ja电站1号变压器在城轨运行高峰期、非高峰期及停运期300秒内杂散电流的动态变化曲线对比图，其中，17:55属于高峰期，23:00属于非高峰期，1:45属于停运期；
21.图4为线圈式有感电阻装置的示意图；
22.图5为500kv城网电站及其互联系统等值电阻拓扑结构网路电路模型；
23.图6为在变压器中性点加装阻塞及转移电阻后的500kv城网电站及其互联系统等值电阻拓扑结构网路电路简化模型；
24.图7为变压器高-中压侧负载损耗计算原理图；
25.图8为在变压器中性点加装阻塞及转移电阻后的500kv城网电站及其互联系统等值电阻电路模型仿真计算图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
27.近年来，通过对国内超大城市或大城市的城网电站变压器受临近或附近城轨杂散电流影响的监测，包括变压器中性点杂散电流(导致变压器偏磁的直流性质电流)、变压器中性点及高压侧电流波形以及变压器噪声、振动等的综合监测，以及通过对双端接地的城网电站电缆线路接地引线的杂散电流的监测，取得了大量杂散电流数据并进行了基于城网电站及其互联系统对于城轨杂散电流的引吸、吸收、传播及散布的机理、原理方面的分析研
究，研究发现城轨杂散电流侵入城网电站及其互联系统具有相当的普遍性：由于城网电站及其互联系统中位于城市中心的城轨临近电站通过接地变压器及电缆线路传输电能(包括双端接地的电缆线路金属屏蔽层)的电路电阻非常小(＜＜0.1ω)，且远离城市中心的远端近郊电站的接地变压器的电路电阻也较小(约0.08ω)，因此通过双端(城轨临近电站和远端近郊电站)接地变压器及电缆线路极低的电阻电路将远端近郊电站接地网的电位(低电位)引入到了城市中心电站的接地网，会形成一个局部的低电位小区，该低电位小区与周边的城轨杂散电流的走行轨电位(根据距离直流牵引供电系统的远近，走行轨电位约20～300v)形成了显著电位差(平均约150v)。同时城市中心以及城区的地表大部分为城市建筑的地下钢筋水泥结构所占据，其电阻率远比自然的土壤电阻率要小，故而构成了良好的导电通路。因此，显著电位差的存在以及地下钢筋水泥结构及其地表土壤的极低电阻率和良好导电性，共同导致了城轨杂散电流被城网电站接地网及其电能传输电路的强烈吸引、吸收：被吸引、吸收到城轨临近电站接地网的杂散电流，通过其接地变压器及电缆线路的极低电阻电路向外、向更远处传播，最终通过远端近郊电站的接地变压器到达其接地网，散布流入理想大地(即地电位为零，地电阻值接近于零值的总体大地)。
28.以监测到变压器中性点电流最大且受城轨杂散电流影响最大的500kv城网电站及其互联系统为例进行电路电阻拓扑结构建模及杂散电流监测数据统计分析，具体分析及研究对象包括位于城市中心的城轨临近电站ja、远离城市中心的远端近郊电站sl以及2回500kv电缆线路。其中ja电站与临近以及附近城轨线路的地理位置关系如图1所示。
29.从图1中可以看出，ja电站位于城市中心，周边有4条城轨线路围绕，距离最近的13号线约为220米，距离其他3条城轨线路(1号线、2号线和12号线)分别为1000米以内。sl电站(图1中未示出)位于距离城市中心15千米以外的城市近郊。
30.城轨杂散电流被吸引、传播及散布的电气电路及其路径原理如图2所示。
31.从图2中可以看出，ja电站与sl电站通过两条500kv电缆线路互联，且双端的变压器均为500/220/66kv自耦变压器。
32.城轨杂散电流被ja电站的接地网吸引，通过城市中心的地下钢筋水泥结构及其地表土壤电阻通路汇流到ja电站，然后通过两个并联、并行的基本通道以及其他分支通道共同传播到sl电站及其他分支系统中的电站的接地网，然后散布及消散到接近于0v电位、0ω电阻的理想大地，最终又通过此理想大地返回到直流牵引供电系统负极的杂散电流回收装置，因此，ja电站也称为杂散电流吸引源站，sl电站也称为杂散电流入地消散站。其中，基本通道包括：两回双端接地的电缆线路金属屏蔽层电阻通道、两回双端接地的变压器线圈及电缆线路导体电阻通道即变压器中性点通道，分支通道包括：ja电站中压侧220kv供电系统的等值接地电阻通道、sl电站高压侧500kv供电系统的等值接地电阻通道、sl电站中压侧220kv供电系统的等值接地电阻通道。
33.根据实际监测或根据图2所示电气电路计算，证实了有比例很大的从ja电站接地网吸收的城轨杂散电流选择了电缆线路金属屏蔽层电阻通道。表1为在ja电站监测到的电缆线路金属屏蔽层电阻通道上杂散电流的监测数值表。
34.表1
[0035][0036]
由于电缆线路金属屏蔽层电阻通道中杂散电流采用了常规的便携式钳表装置进行测量，而电缆线路金属屏蔽层电阻通道中含有杂散直流、工频以及谐波电流，因此监测到的杂散电流的精确程度达不到变压器中性点通道中杂散电流的专门监测装置的测量精度，但也确证了数量可观的杂散电流通过图2中的电缆线路金属屏蔽层电阻通道向对侧sl电站传播。
[0037]
实际的城轨杂散电流具有极强的动态波性及间歇性特点，此特性与列车在城轨站点之间的周期性不断重复过程相关，即与启动加速-匀速行进-减速进站-停站上人的运行规律相关。监测发现城轨杂散电流的平均时间周期约在2～3分钟，与乘客乘车从一个站点到另一个站点观察到的时间周期一致。
[0038]
图3为监测到的图2中ja电站1号变压器(该电站2台变压器并联)在城轨列车运行高峰期、非高峰期及停运期300秒内杂散电流的动态变化曲线对比图。
[0039]
高峰期(17:55)杂散电流的动态变化曲线表示ja电站的临近城轨产生的杂散电流势力强大，1号变压器中性点通道的动态波动杂散电流，其负值电流的占比超过90％，且波动幅值大，电流方向为从城轨流向ja电站接地网、再从ja电站接地网通过变压器中性点入侵到变压器线圈及电缆线路并向远端sl电站传播及散布。
[0040]
非高峰期(23：00)杂散电流的动态变化曲线表示ja电站的杂散电流的极性方向完全反向，因为ja电站的临近城轨列车基本停运，而互联的其他电站的临近或附近城轨列车继续运行，基于城轨杂散电流在城网的吸收、传播及散布具有多源多端性质，其他电站由相同原理吸引到的城轨杂散电流将ja电站作为一个理想地的散布点，因此监测到的杂散电流的方向发生了逆转。
[0041]
停运期(00:43)杂散电流的动态变化曲线表示监测时刻及其以后的时间里，整个城市的城轨系统处于停运，城轨杂散电流处于零状态。
[0042]
观察杂散电流的正负极性(值)分布数据，可以看出：高峰期动态杂散电流中负值概率为95％以上，负极性(值)定义为杂散电流方向从接地网流入变压器中性点，正极性(值)定义为杂散电流方向从变压器中性点流入接地网。表2为ja电站1号变压器中性点在城轨列车运行高峰期、非高峰及停运期杂散电流的统计数据表，表3为sl电站1号变压器(该电站3台变压器并联)中性点在城轨列车运行高峰期、非高峰及停运期杂散电流的统计数据
表。
[0043]
表2
[0044][0045][0046]
表3
[0047][0048]
从表2和表3可以看出，在14:33到16:35时段内，流过sl电站变压器中性点的杂散电流其正极性值概率超过69％，而同时期流过ja电站变压器中性点的杂散电流其正极性值概率最大只有12％，说明城轨杂散电流从ja电站被吸引，从sl电站的接地网向理想大地消散。
[0049]
通过对上述城网中一个受临近4条城轨严重影响的500kv ja电站及其电缆线路互联的对侧sl电站的双端系统监测数据的统计分析，以及基于此典型城网电站及其互联系统的电气电路的拓扑结构建模、仿真计算，以及基于杂散电流被吸引及吸收、传播及散布特性及其电路机理的分析，可以得出如下结论：
[0050]
(1)以220kv高压、500kv超高压为主的城网电站及其互联系统，其位于城市中心或城区的ja电站，对临近(200～1000米)或附近(1000～3000米)的城轨杂散电流具有极强的吸引以及传播、散布能力，由此造成了城网电站变压器的严重杂散电流直流偏磁影响。
[0051]
(2)不同城网电站吸收城轨杂散电流能力差异：gb/t 28026.2-2018《直流牵引供电系统杂散电流的防护》国家标准规定了城轨杂散电流散布的限制值：单线走行轨不大于2.5ma/m，双线走行轨不大于5ma/m。根据上述统计的64a城轨杂散电流吸收水平及图1中500kv ja电站与临近4条城轨线路关系，可以计算出此ja电站吸引、吸收了约12.8km长度城
轨的杂散电流。根据其他220kv城网电站的监测结果看，220kv城网电站具有吸收、吸引约4～8km长度的临近及附近城轨的杂散电流的能力。
[0052]
(3)图2中以超高压电缆线路互联的ja电站及sl电站之间的杂散电流传播通道中，有2个基本通道和3个分支通道，2个基本通道分别为：两端电站各自接地的自耦变压器线圈以及电缆线路导体电阻通道即变压器中性点通道、交叉互联两端接地的且对地绝缘的电缆线路金属屏蔽层电阻通道；3个分支通道分别为：ja电站自耦变压器中压侧220kv供电系统的等值接地电阻通道、sl电站自耦变压器高压侧500kv供电系统的等值接地电阻通道及sl电站中压侧220kv电源系统的等值接地电阻通道。实际系统中两个基本通道的电阻都很小，并且电缆线路金属屏蔽层电阻通道的电阻更小一些。直流性质的杂散电流进入变压器中性点通道后，必然流过变压器线圈，由此产生了非常大的附加直流安匝磁通，造成了所谓的变压器直流偏磁现象，引起变压器铁心磁通严重饱和、励磁电流畸变，并由此导致变压器振动及噪声严重异常，对变压器的安全运行构成了严重的影响及威胁，需要进行有效的抑制、治理。
[0053]
(4)2个并行的基本通道对城轨杂散电流的吸收比例均匀：监测统计显示，ja电站接地网在城轨列车运行高峰期吸收电流多达64a(绝对值平均值)，其中分配到变压器中性点通道的约为(16 16)a，分配到电缆线路金属屏蔽层电阻通道的约为(15.37 15.37)a，两个基本通道均衡地分配了被吸引到ja电站接地网的城轨杂散电流，形成了城网电站及其互联系统对于杂散电流的吸收、传播及散布的特殊机理及特殊特性。
[0054]
(5)吸收城轨杂散电流的通道的电阻极低：城网电站及其互联系统中城市中心及城区的500kv ja电站到sl电站的电缆线路直流电阻非常小，两端电站的变压器容量非常大，通常2～3台变压器并联运行，并由2条大于10km长度铜导体大截面电缆线路(包括铝导体电缆线路金属屏蔽层)并联供电。电阻值归算显示，两个基本通道的直接并联(不考虑分支通道的等值接地电阻)电阻约为0.024ω，加上sl电站接地电阻0.08ω，总电阻总计约0.104ω，为ja电站接地网吸引、吸收的大量杂散电流提供了极低的导电通道。计算表明，ja电站接地网电位约为3.95v，而sl电站接地网电位约为2.46v。据gb/t 28026.2-2018《直流牵引供电系统杂散电流的防护》标准的规定，城轨轨道的电位在20～300v之间(距离直流牵引供电系统越远，其电位越大，平均电位为160v)。由极低电阻电路以及接地非常良好的电站接地网，共同形成了一个位于城市中心或城区的特殊杂散电流极低电位区域，相对于周边其他自然散布杂散电流的区域，该ja电站的接地网成了一个局部具有巨大电位落差的塌陷区或凹陷区，在电场及电路原理上具备了强大的吸收(吸入)临近或附近城轨杂散电流的能力。
[0055]
(6)电缆线路金属屏蔽层电阻通道的导电金属为了耐受短时接地短路电流，通常具有巨大的截面积，并且由于电缆线路金属屏蔽层电阻通道对地绝缘，通过阻塞或转移变压器中性点通道电流到电缆线路金属屏蔽层电阻通道，即使转移全部杂散电流通过电缆线路金属屏蔽层电阻通道，对于电缆线路自身的载流及其他方面几乎没有影响。
[0056]
因此，利用城网电站及其互联系统的上述特性及特点，本发明采用如下用于抑制城市电网受城市轨道交通杂散电流影响的方法：在杂散电流吸引源站的每台变压器中性点加装1～3ω阻塞及转移电阻，可以非常有效地阻塞及转移绝大部分流入变压器中性点通道的杂散电流，并将其转移到电缆线路金属屏蔽层电阻通道。杂散电流吸引源站是指具有吸
引临近或附近城轨杂散电流能力的城网电站，即杂散电流通过变压器中性点流向电网的城网电站。
[0057]
在杂散电流吸引源站加装阻塞及转移电阻后，互联的杂散电流入地消散站会出现经过电缆线路金属屏蔽层电阻通道传播到杂散电流入地消散站的杂散电流又返回到该杂散电流吸引源站变压器中性点的现象及问题，因此需要同时在互联的杂散电流入地消散站加装1～3ω阻塞及转移电阻进行阻塞或封堵杂散电流。杂散电流入地消散站是指与杂散电流吸引源站互联的且杂散电流通过其接地网流入理想大地的城网电站，即杂散电流通过电网流向变压器中性点的城网电站。本发明在杂散电流吸引源站以及在杂散电流入地消散站的变压器中性点分别加装1～3ω阻塞及转移电阻，以阻塞及转移流入变压器中性点的大部分杂散电流，相对于只在杂散电流吸引源站变压器中性点进行加装电容器装置隔离或试探性加装限流电阻适用于直流输电单极大地运行时直流杂散直流电流的方法而言，本发明所述方法具有客观性、具体性及准确针对性的优势及优点。
[0058]
由于城轨杂散电流的吸收、传播及散布具有多源多端性质，杂散电流吸引源站和杂散电流入地消散站还具有如下特点，即：
[0059]
每个城网电站作为杂散电流吸引源站可以与多个杂散电流入地消散站互联，每个城网电站作为杂散电流入地消散站也可以与多个杂散电流吸引源站互联；
[0060]
某些城网电站在某个时间段内作为杂散电流吸引源站，在另外某个时间段内还可以作为杂散电流入地消散站。
[0061]
因此加装的阻塞及转移电阻应当满足该电站所有的互联电缆线路的要求。
[0062]
城网电站及其互联系统中，特别是超高压电站中的变压器容量都很大，工程上常采用三相一组容量为1500mva或1000mva的自耦变压器，当自耦变压器220kv供电系统母线或电缆线路发生单相接地故障(大电网单相接地故障为主要故障)后，流过变压器中性点通道的暂态零序电流非常巨大。当在变压器中性点加入1～3ω阻塞及转移电阻进行阻塞及转移杂散电流时，该阻塞及转移电阻也要承受如此巨大的暂态零序电流。阻塞及转移电阻的成本与暂态零序电流值的平方成正比，一般情况下，电阻很难承受1000mva或1500mva的自耦变压器中压侧母线或电缆线路发生单相接地短路时产生的约为10～15karms/s水平的热稳定暂态零序电流。针对采用不锈钢电阻片制造的电阻耐受短时热稳定暂态零序电流程度低的问题，以及不锈钢电阻片组合成的电阻片成套装置，由于自身无法克服的结构松散性问题而产生的在耐受热稳定暂态零序电流时出现的炸裂及结构破坏的问题，本发明的阻塞及转移电阻采用电感线圈绕线结构，即由铝导线绕制环氧树脂真空浇注的既有电阻、又有电感的线圈式有感电阻装置，通常1ω的电阻，可以同时具有0～6ω工频电抗值。
[0063]
线圈式有感电阻装置在获得1ω电阻时，可以通过设计得到0～6ω的工频电抗值而不改变体积及重量(见图4)。根据图2所示典型城网电站及其互联系统进行加装上述线圈式有感电阻装置(可以采用8ka/s模块化标准化1:2电阻比电抗值)抑制杂散电流及限制暂态零序电流的仿真计算表明，在杂散电流吸引源站和杂散电流入地消散站变压器中性点分别加装1～3ω电阻及2～6ω电抗，例如在杂散电流吸引源站变压器中性点加装3ω电阻及6ω电抗，在杂散电流入地消散站变压器中性点加装2ω电阻及4ω电抗，可以既彻底阻塞、转移及抑制变压器中性点通道的杂散电流，又能显著限制220kv供电系统单相接地故障的暂态零序电流，特别是可以限制变压器中性点通道电流在8(1
±
5％)ka水平，便于采用标准化
产品，减少线圈式有感电阻装置体积以及成本，方便工程化应用。
[0064]
本发明利用线圈式有感电阻装置，用1～3ω电阻进行杂散电流的阻塞及转移的同时，用2～6ω电抗限制城网系统超高压及高压系统的接地短路电流水平，可以显著降低(降低约30～40％)中性点零序电流水平，进而显著降低(根据电力系统短路计算理论，单相接地电流主要受变压器零序电抗大小影响，在变压器中性点加装4～6电抗可以非常显著地增大变压器零序电抗)短路点的电相接地电流，显著降低通过电缆及变压器线圈的短路电流，获得显著的安全效益，同时显著降低中性点零序电流后，有感电阻自身的成本会因为需要耐受的短时电流的显著下降而大大降低，体积也会大大减小，从而获得显著的降低工程应用费用的效益。
[0065]
针对本发明所述方法，采用如下过程进行验证：
[0066]
1、收集城网电站及其互联系统电气接线及主要设备的数据，包括变压器电气参数、电缆线路电气参数、接地网面积及土壤电阻率等进行等值电阻计算，计算包括变压器线圈(包括变压器高压绕组和变压器公共绕组)等值电阻、电缆线路导体等值电阻、电缆金属屏蔽层等值电阻、接地网等值接地电阻、500kv供电系统等值接地电阻及220kv供电系统等值接地电阻，建立城轨杂散电流被吸收、传播及散布的城网电站及其互联系统等值电阻拓扑结构网路电路模型。
[0067]
以图2所示的500kv城网电站及其互联系统为例，监测显示，高峰期300秒内在城轨临近电站的每个变压器中性点通道监测到了峰值约为-50a、平均值接近了-20a的动态波动杂散电流(负值表示从接地网流入变压器中性点向外传播)，该电站变压器受到了非常显著的杂散电流入侵，变压器振动及噪声严重异常并超标；非高峰期在远端近郊电站的变压器中性点通道监测到了峰值约为 14a及-14a、绝对值平均值接近了 4a的动态波动杂散电流；电缆线路金属屏蔽层电阻通道接地引线中监测到有最大负值-47a、最大正值 43a的杂散电流，证实城轨杂散电流被城轨临近电站的接地网吸引、吸收后，确实存在通过电缆线路金属屏蔽层电阻通道传输到远端近郊电站。
[0068]
图5为图2案例中由变压器线圈(包括变压器高压绕组和变压器公共绕组)等值电阻、电缆线路导体等值电阻、电缆金属屏蔽层等值电阻、接地网等值接地电阻、500kv供电系统等值接地电阻及220kv供电系统等值接地电阻、杂散电流源及其等值电阻共同构成的500kv城网电站及其互联系统等值电阻拓扑结构网路电路模型。
[0069]
城轨临近电站有2台自耦变压器，远端近郊电站有3台自耦变压器，其中r
t1
、r
t2
分别为城轨临近电站自耦变压器高压绕组等值电阻和公共绕组等值电阻，r
′
t1
、r
′
t2
分别为远端近郊电站自耦变压器高压绕组等值电阻和公共绕组等值电阻；r
l
、r
′
l
分别为电缆线路导体等值电阻及电缆线路金属屏蔽层等值电阻；r
220
、r
′
220
分别为城轨临近电站220kv供电系统等值接地电阻和远端近郊电站220kv供电系统等值接地电阻，r
500
为远方近郊电站500kv供电系统等值接地电阻；r
′
jd
为远端近郊电站接地网等值接地电阻。
[0070]
本发明用电流源或电压源以及电源电阻模拟多条城轨线路杂散电流源及其等值电阻。采用电流源进行杂散电流源模拟仿真计算时，可以根据监测统计分析、总结以及监测经验，对临近或附近城轨的杂散电流源电压及其等值电阻进行如下估算：
[0071]
城市中心的城轨临近电站，临近200～1000米有密集的3～4条城轨线路且地有密集的地下商业建筑时，杂散电流源电压平均值取e
stray
＝160v，等值电阻取r
stray
＝2～3ω；
[0072]
城区的城轨临近电站，临近200～1000米及附近1000～3000米具有密集的2～3条城轨线路且地有一般性的地下商业建筑时，杂散电流源电压平均值取e
stray
＝160v，等值电阻取r
stray
＝4～6ω；
[0073]
城区的城轨临近电站，附近1000～3000米具有1～2条城轨线路且地有一般的地下居民及商业建筑时，杂散电流源电压可取20～300v，电压平均值即e
stray
＝160v，等值电阻取r
stray
＝12～18ω；
[0074]
临近轨道交通末端的远端近郊电站，附近1000～3000米具有1条城轨线路且地有一般的城郊居民小区及农田时，杂散电流源电压平均值取e
stray
＝160v，等值电阻取r
stray
＝30～45ω。
[0075]
图6为模拟自耦变压器高、中压侧并联运行，以及在变压器中性点加装阻塞及转移电阻后的500kv城网电站及其互联系统等值电阻拓扑结构网路电路简化模型。
[0076]
下面对简化模型中各等值电阻进行计算：
[0077]
(1)电缆线路导体等值电阻r
l
及电缆线路金属屏蔽层等值电阻r
′
l
计算
[0078]
表4为500kv电缆线路基本参数表。
[0079]
表4
[0080][0081]
据表4可以算出金属屏蔽层截面积，其中：
[0082]
一回(平滑铝)：3.14159*167*3.2≈1678mm2；
[0083]
二回(纹波铝)：3.14159*152*(1.85 2.15)/2≈955mm2。
[0084]
电缆线路导体等值电阻及电缆线路金属屏蔽层等值电阻(相)如表5所示。
[0085]
表5
[0086][0087][0088]
因此可以得到电缆线路导体等值电阻为0.11232ω；一回电缆线路金属屏蔽层等值电阻为0.22464ω，二回电缆线路金属屏蔽层等值电阻为0.41028ω。
[0089]
还可以得到电缆线路导体等值阻抗参数如表6所示。
[0090]
表6
[0091][0092]
(2)城轨临近电站自耦变压器高压绕组等值电阻r
t1
和公共绕组等值电阻r
t2
、远端近郊电站自耦变压器高压绕组等值电阻r
′
t1
和公共绕组等值电阻r
′
t2
计算
[0093]
变压器型号(城轨临近站2台)：单相自耦变压器，auto-500，000/500，500/500/120mva；3侧电压为500/230/66kv；接线组别，yn，a0，an；阻抗电压及损耗。
[0094]
表7
[0095][0096]
表8
[0097][0098]
根据表7中城轨临近电站变压器阻抗电压及负载损耗、表8中城轨临近电站变压器额定电压和而定电流以及根据自耦变压器线圈结构、电压变比及电流关系，则有图7所示自耦变压器高-中压侧负载损耗计算原理图及计算公式(1)：
[0099]
u1*i1＝u2*i2＝u2*(i1 i)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0100]
其中，高压侧额定电压u1＝500/√3kv，中压侧额定电压u2＝230/√3kv，高压侧额定电流i1＝1730a，中压侧额定电流i2＝3770a，i＝i2-i1＝2040a。
[0101]
根据变压器实测的hv-mv之间额定负载运行下的损耗数值，可以列出如下的等式关系(2)：
[0102]
i1*i1*r
t1
i*i*r
t2
＝p
loss(hv-mv)
＝691(kw)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0103]
其中，电流单位为a，阻抗单位为ω，变压器负载损耗单位为kw，r
t1
、r
t2
分别为城轨临近电站自耦变压器高压城网电源系统阻抗及变压器线圈阻抗。
[0104]
实际由于自耦变压器特殊线圈结构，不可以直接测出公共绕组及高压绕组的损耗，为简化计算可以按照绕组导体直流电阻与电流反比例关系设置电阻值(基于线圈电压接近，绕组匝数接近，按照损耗最优原则)，公式(2)可以变成：
[0105]
i1*i1*r
t1
i*i1*r
t1
＝691
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0106]
代入有关数值，可以求得：
[0107]rt1
≈0.106ω
[0108]rt2
≈0.090ω
[0109]
远端近郊电站3台：变压器型号参数auto-334,000/500，334/334/120mva，3侧电压为515/230/66kv；为单相自耦变压器；接线组别，yn，a0，an，阻抗电压及损耗。
[0110]
表9
[0111][0112]
表10
[0113][0114][0115]
同理，根据表9中远端近郊电站变压器阻抗电压及负载损耗、表10中远端近郊电站变压器额定电压和额定电流以及根据自耦变压器线圈结构、电压变比及电流关系，计算结果如下：
[0116]r′
t1
≈0.154ω
[0117]r′
t2
≈0.131ω
[0118]
(3)远端近郊电站接地网等值接地电阻r
′
jd
计算
[0119]
以华东地区土壤电阻率ρ为30～100ω/m，询问当地电力设计院一般按照30～50ω/m计算取值，本计算取40ω/m。
[0120]
根据土壤电阻率ρ及接地面积a，并根据电站接地网等值接地电阻r计算公式(4)：
[0121][0122]
城轨临近电站占地面积：15450平方米，则：城轨临近电站接地网等值接地电阻r
jd
≈0.143ω
[0123]
远端近郊电站占地面积：48781平方米，则：远端近郊电站接地网等值接地电阻r’jd
≈0.08ω
[0124]
下表11为根据以上计算的城网电站及其互联系统元件等值阻抗统计表(单位为mω)。
[0125]
表11
[0126][0127]
(4)城轨临近电站220kv供电系统等值接地电阻r
220
、远端近郊电站220kv供电系统等值接地电阻r
′
220
、远方近郊电站500kv供电系统等值接地电阻r
500
估算
[0128]r500
：按照500kv供电系统变压器的正序阻抗水平及零序阻抗水平估算，正序阻抗按照525kv最大、短路电流50ka进行阻抗估算，即：
[0129][0130]
其中，z1为正序阻抗，r1为正序电阻，x1为正序电抗。
[0131]
按照零序阻抗z0满足z0/3＝m
×
z1，其中m∈[1.5，2]，则z0/3∈[9.09，12.12]，同时零序电阻r0按照z0/r0＝20比例估算，则远方近郊电站500kv供电系统等值接地电阻r
500
为：
[0132]r500
＝r0/3＝a
×
z1/20∈[0.4545,0.606]ω
[0133]
例如，按照z0/3＝1.5*z1＝9.09，同时按照z0/r0＝20比例估算，则
[0134]r500
＝9.09/20＝0.4545ω
[0135]r220
、r
′
220
：按照220kv供电系统变压器的零序阻抗水平估算，零序阻抗按照220kv当地接地电网接地变压器贡献零序短路电流15ka进行阻抗估算，即：
[0136][0137]
其中，z0为零序阻抗，r0为零序电阻。
[0138]
按照z0/r0＝20比例估算，则：
[0139]r220
＝r
′
220
＝r0/3＝8.87/20＝0.444ω
[0140]
由此可以计算图6中r
220
支路、r
′
220
支路及r
500
支路分流作用后，杂散电流通过变压器中性点通道和电缆线路金属屏蔽层电阻通道分流。
[0141]
2、根据图5复杂模型或图6简化模型，以及根据实际监测杂散电流数据或根据监测统计数据，模拟设置杂散电流源及其等值电阻，然后利用图6简化模型进行杂散电流吸收、传播及散布的计算及分析。
[0142]
根据图6所示简化模型计算杂散电流分配比例，追踪杂散电流散布及杂散电流路径节点的电位分布，进行变压器中性点加装阻塞及转移电阻数值的优化分析。
[0143]
图8为模拟计算在城轨临近电站及远端近郊电站每台变压器中性点分别加装3ω阻塞及转移电阻和2ω阻塞及转移电阻后的500kv城网电站及其互联系统等值电阻电路模
型仿真计算图，进行阻塞、转移效果计算，此时城轨临近电站2台变压器总的加装电阻r
block
＝3/2＝1.5ω，远端近郊电站3台变压器总的加装电阻为r’block
＝2/3＝0.667ω。
[0144]
下表12为模拟从城轨临近电站地网吸收100单位(以电流源形式)的杂散电流后，模拟在双端变压器中性点加装不同数值的阻塞及转移电阻(0～3ω)后杂散电流阻塞及转移效果统计表，效果按照百分比％表示。
[0145]
表12
[0146][0147]
上表12显示，在城轨临近电站以及远端近郊电站均未加装阻塞及转移电阻时，杂散电流基本在两个基本通道均匀分配。由表12及图8计算出r
220
支路、r
500
支路及r
′
220
支路分配电流百分比分别为：12.4％，27.9％及9.2％，合计为49.5％，说明杂散电流中有很大一部分散布到500kv及220kv供电系统中。
[0148]
仅在城轨临近电站每台变压器中性点加1～3ω阻塞及转移电阻后效果非常显著：流入城轨临近电站变压器中性点的杂散电流被阻塞，分配电流比例小于10％，甚至加3ω阻塞及转移电阻后比例小于5％。
[0149]
针对在城轨临近电站加装阻塞及转移电阻后，在远端近郊电站出现了经过电缆线路金属屏蔽层电阻通道传播到远端近郊电站的杂散电流又返回到该城轨临近电站变压器中性点的现象及问题，因此需要同时在远端近郊电站加装阻塞及转移电阻进行阻塞或封堵杂散电流。
[0150]
计算显示，同时在远端近郊电站每台变压器中性点加装2ω阻塞及转移电阻，就可以将杂散电流限制在8％分配比例水平。因此，在城轨临近电站及远端近郊电站每台变压器中性点都加装合适的阻塞及转移电阻后，就可以显著转移流入到变压器中性点的杂散电流，将其限制到10％以下水平就不会对变压器造成影响。以监测统计到的城轨高峰期杂散电流最大平均值64a为基数计算，则城轨临近电站每台变压器中性点分配电流为64*0.1/2＝3.2a，远端近郊电站每台变压器中性点分配电流为64*0.1/3＝2.1a，如此小的杂散电流不会对变压器造成影响。
[0151]
根据杂散电流监测数据及案例电路模型，可以计算电站接地网的电位分布。
[0152]
监测案例中根据表12及图8，未加入阻塞及转移电阻时，吸引到城轨临近电站总的杂散电流为32 31＝63a，其中32a流过变压器中性点通道，且通过三个分支通道散布到城网中的其他电站，而电缆线路金属屏蔽层电阻通道的平均杂散电流为31a。据此可以计算出：
[0153]
远端近郊电站接地网电位为31*0.08＝2.48v：
[0154]
城轨临近电站接地网电位为31*(0.08 0.0484)＝3.98v。
[0155]
根据国家标准规定，城轨走行轨泄漏散布杂散电流时会形成沿途地表的20～300v电位分布，与城轨临近电站接地网中由杂散电流电压降所形成约3.98v低电位之间，形成了16.02～296.02v的巨大电位差异，相对于自然状态下在地表散布杂散电流形成电位梯度而言，形成了一个电位陷落或塌陷区，电站场地处的电场电位陡然跌落降低，电位梯度剧烈变大。同时，城市中心及城区中的地表下密布着由钢筋水泥建成的导电性比自然地表的土壤要好的人工地下建筑，城轨线路与城轨临近电站之间的流通路径的平均地电阻约为2.5ω，即以平均电位差156.02v并吸引约63a杂散电流计算所得。
[0156]
电站场区的地电位水平剧烈降低，电位差陡然变大，并且杂散电流源与城轨临近电站场区之间的电阻很小，是城网电站及其互联系统能够吸引、吸收数量巨大的杂散电流电场和电路的原因。
[0157]
表13为城网电站及其互联系统吸收、传播及散布杂散电流电位及电流分布计算统计表，包括了加装阻塞及转移电阻前后的分布变化。
[0158]
表13
[0159][0160]
表13统计分析表明，加装阻塞及转移电阻后的杂散电流阻塞转移以及电位隔离作用非常明显：进入城轨临近电站两台变压器中性点的电流总共4a，进入远端近郊电站3台变压器中性点的电流总共-4.5a，同时考虑到最大值与平均值约2.5倍的统计关系，则每台变压器中性点最大杂散电流值不会大于5a，平均值不大于2a水平，对大型变压器基本产生不了明显的直流偏磁影响了，整体的杂散电流影响水平降低到了原来的10％以下，治理效果确定而且显著。
[0161]
根据案例或实际的城网电气接线系统，加装的阻塞及转移电阻采用具有1～3ω电阻值及2～6ω电抗值的线圈式有感电阻装置，以控制变压器中性点暂态零序电流水平等于或低于8ka为目标，确定线圈式有感电阻装置的电阻值及电抗值，最终采用具有1ω电阻值及2ω电抗值并且能够耐受8ka/1s短时暂态零序电流的标准化模块单元线圈式有感电阻装置，进行1只、2只或3只串联应用。
[0162]
根据图2所示城网电站及其互联系统，建立基于最大运行方式下的变压器、电缆线路以及城网电源系统的真实电路模型，并利用pscad进行建模，并模拟计算有效接地系统的
500kv电站变压器中压侧发生出口单相接地故障，或者城网高压220kv电站变压器高压侧发生出口单相接地故障后，在加入阻塞及转移电阻的变压器中性点的暂态零序电流，其中的远端近郊电站500kv电源系统等值假定如下：
[0163]
1)按照最大三相对称短路电流50ka考虑，则系统短路阻抗有名值z为(0.3 j6.0)ω，其中系统等值电阻按照一般系统的约1/20电抗值比例考虑，零序阻抗按照正序/零序阻抗为约1/1.5考虑，则零序阻抗为：(0.45 j9.0)ω；
[0164]
2)按照城轨临近电站变压器中性点加装3*(1 j2)ω阻塞及转移电阻，远端近郊电站加装2*(1 j2)ω阻塞及转移电阻；
[0165]
3)分别计算两端电站220kv母线发生单相接地故障水平，按照加装及不加装阻塞及转移电阻进行对比计算。
[0166]
表14为城轨临近电站变压器中性点加装阻塞及转移电阻后进行的单相接地故障仿真计算结果表，表15为远端近郊电站变压器中性点加装阻塞及转移电阻后进行的单相接地故障仿真计算结果表。
[0167]
表14
[0168][0169][0170]
表15
[0171][0172]
计算结果显示，在城轨临近电站各变压器中性点加装3只1/2标准化模块单元线圈式有感电阻装置后，可以非常显著的降低220kv系统的单相接地电流水平，控制变压器中性点的零序电流在标准化模块单元线圈式有感电阻装置耐受短时电流水平之内，便于控制成本、控制体积，方便工程化应用。
[0173]
线圈式有感电阻装置可以同时具有电阻及电抗的性能及功能，并且具有耐受变压器中性点巨大零序电流动热稳定能力强的特性，选用合适标准化模块单元线圈式有感电阻装置进行串联，可以采用1只或2只等串联方式，既可以抑制杂散电流，同时可以有效限制电缆线路的单相接地短路电流，并且降低变压器中性点暂态零序电流到标准值水平，控制阻塞及转移电阻制造、设计及安装成本，进而减轻变压器线圈及电缆线路的短时接地电流水平，提高电力系统的运行安全性。
[0174]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。