一种地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁评估方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及到一种地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁评估方法。

背景技术

随着经济的高速增长以及城市规模的不断扩大，如何缓解居民出行带来的城市交通压力成为热点问题。在此背景下，地铁系统因其安全环保、出行便捷等优点得到了大力发展。

然而，地铁机车在实际的运行过程中会对沿线城市交流电网产生不利的影响，危害城市交流电网的安全稳定运行。地铁直流供电系统一般采用1500V或者750V，牵引电流流经接触网给地铁机车供电，钢轨用作回流的导体。由于钢轨不能做到完全对地绝缘，因此将有部分牵引电流泄露注入大地形成地铁杂散电流。目前地铁杂散电流的研究已经取得了一定的成果，例如动态建模、防治等方面，但是针对地铁杂散电流引起变压器直流偏磁影响程度评估还有待进一步研究。因此，研究地铁杂散电流对变压器直流偏磁的影响，选取相应的变压器直流偏磁评估指标，并建立相应的评估模型具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种本发明公开了一种地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁评估方法，结合地铁不同牵引工况下杂散电流引起的大地电位数值分布结果，对地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁程度进行有效评估。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁评估方法，包括：

步骤1，确定地铁沿线城区变电站主变为建模对象，构建地铁杂散电流场模型；

步骤2，根据地铁不同工况下杂散电流引起的大地电位数值分布，计算流经变压器中性点的偏磁直流大小；

步骤3，结合变压器中性点的偏磁直流大小，以及变压器励磁电流直流分量和谐波畸变率偏移度，对变压器受直流偏磁的影响程度进行评估。

进一步的，步骤1构建地铁杂散电流场模型的方法为：采用完全绝缘导体模拟牵引变电所和接触网；采用外敷绝缘材料的导体模拟钢轨和轨枕及道床结构；采用纯金属导体模拟杂散电流收集排流网；采用电流源激励模拟机车，通过调整激励数值和正负表示机车牵引、制动和惰性运行工况。

进一步的，流经变压器中性点的偏磁直流I

式中，I

进一步的，变压器励磁电流直流分量I

式中，i(t)为变压器励磁电流表达式；kω为频率，ω为角频率，k用于指代第k次谐波；a

进一步的，谐波畸变率偏移度ΔAR计算方法如下：

式中，I和I

进一步的，步骤3对变压器受直流偏磁的影响程度进行评估具体为：

判断变压器励磁电流中是否包括直流分量，即判断变压器励磁电流的直流分量是否为0；若是，则地铁杂散电流引起变压器发生直流偏磁，否则地铁杂散电流未引起变压器发生直流偏磁；

若地铁杂散电流引起变压器发生直流偏磁，再进一步将变压器中性点的偏磁直流计算值I

进一步的，若变压器中性点的偏磁直流计算值I

进一步的，若变压器励磁电流的谐波畸变率偏移度ΔAR<10％，则认为地铁杂散电流对变压器的影响程度弱；若10％≤ΔAR≤30％，则认为地铁杂散电流对变压器的影响程度较强；若ΔAR>30％，则认为地铁杂散电流对变压器的影响程度严重。

有益效果

本发明结合地铁机车不同运行工况下附近大地电位空间分布结果，选取偏磁评估指标并构建计算模型，使得变压器直流偏磁程度得到有效评估，为城区交流电网变压器直流偏磁治理提供参考，合理优化机车运行工况的牵引策略组合方式，有望削弱地铁杂散电流对周围接地变压器直流偏磁的干扰程度。

附图说明

图1是本申请实施例所述直流偏磁评估方法的原理设计流程；

图2为本发明中地铁杂散电流场模型；

图3为本发明中地铁机车不同牵引工况下地电位分布图，其中(a)、(b)代表两种不同牵引工况；

图4为本发明中地铁机车不同牵引工况下励磁电流波形图，其中(a)、(b)代表两种不同牵引工况。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

本发明提供一种地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，确定地铁沿线城区变电站主变为建模对象，构建地铁杂散电流场模型。

地铁实际运行时产生的杂散电流在大地中传播，使得地铁沿线不同位置变电站之间产生直流电位差，导致直流电注入变电站中性点接地主变，引发变压器直流偏磁。本实施例主要针对地铁沿线长期受杂散电流影响的变电站主变进行直流偏磁评估。

如图2所示，所述地铁杂散电流场模型采用完全绝缘导体模拟牵引变电所和接触网；采用外敷一定绝缘材料的导体模拟钢轨和轨枕及道床结构；采用纯金属导体模拟杂散电流收集排流网；采用电流源激励模拟机车，通过调整激励数值和正负表示机车牵引、制动和惰性运行工况。

步骤2，根据地铁不同工况下杂散电流引起的大地电位数值分布，计算流经变压器中性点的偏磁直流大小：

式中，I

本实施例中的杂散电流引起的大地电位数值分布，具体可采用现有技术计算获得，比如参考倪砚茹等人提出的《地铁杂散电流引起动态地电位分布建模及影响因素分析》，通过结合地铁机车不同牵引工况及每个供电区间内的机车数量，将地铁各运行区间钢轨泄露的杂散电流等效为非均匀散流线源导体，可实现某一时刻下地铁全线路杂散电流引起的地电位分布计算，从而得到大地电位数值分布结果。

考虑机车的实际运行工况，仿真模拟机车在线数量和运行策略如表1所示，假设距离该供电区间中点位置100m、500m和1000m存在观测点A、B、C，研究机车不同运行工况下地表电位动态变化特征和变压器直流偏磁情况。

表1地铁机车运行工况模拟

仿真结果如图3所示，(a)对应表1中序号1所示工况，即两辆机车均为牵引加速，(b)对应表1中序号2所示工况，即一辆机车牵引加速、另一辆机车制动减速。由图3可以看出，地铁运行工况对附近地电位影响明显，基本在机车位置处达到地电位极值最大，并向四周扩散。同时，等位线越远离线路越稀疏，表明地电位变化逐渐平缓，受杂散电流的干扰影响越小。以最大电位值和最小值作为变电站1和2的接地点电位，以观测点A的地电位值作为变电站3的接地点电位，变压器中性点偏磁直流计算结果如表2所示。

表2最大电位差下变压器偏磁直流计算结果

步骤3，结合变压器中性点的偏磁直流大小，以及变压器励磁电流直流分量和谐波畸变率偏移度，对变压器受直流偏磁的影响程度进行评估。

变压器中性点直流较大时，铁芯饱和，励磁电流产生直流分量，其高次谐波含量增加，因此波形畸变率偏移度增大。任一指标数据增大，相应其他评估指标也会随之变化，根据指标计算数据判断，即可实现变压器受地铁杂散电流影响的有效评估。

其中，变压器励磁电流直流分量I

式中，i(t)为变压器励磁电流表达式；kω为频率，ω为角频率，k用于指代第k次谐波；a

谐波畸变率偏移度ΔAR计算方法如下：

式中，I和I

进而结合变压器励磁电流直流分量和基波分量、谐波畸变率计算数值来评估变压器受直流偏磁的影响程度，具体可按表3所示进行比较判断：

表3变压器受直流偏磁的影响程度评估表

如图4所示，变压器正常运行时，励磁电流仅包含奇次谐波；当机车处于运行工况时，变压器发生直流偏磁，励磁电流奇偶次谐波共存；随着机车运行工况的改变，即由运行工况1变化为运行工况2，励磁电流谐波大小也发生改变。令k＝9，可分别求得励磁电流直流分量I

表4变压器直流偏磁评估指标计算结果

偏磁评估结果表明，机车运行工况对地铁沿线变压器直流偏磁影响明显，多机车处于不同运行工况且间距较远时，钢轨泄露的杂散电流引起的地电位波动较大，变压器直流偏磁较为严重，合理优化机车运行工况的牵引策略组合方式，有望削弱地铁杂散电流对周围接地变压器直流偏磁的干扰程度。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。