昆明地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 李斌冰 李 雄

1 概況

城市軌道交通地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)用直流牽引，采用接觸網(wǎng)（接觸軌）作為牽引供電的正極，鋼軌作為負(fù)極回流導(dǎo)體，與牽引變電站負(fù)極連接。在地鐵列車實(shí)際運(yùn)行中，由于鋼軌不可能做到對(duì)地完全絕緣，有少量的泄漏電流沒(méi)有沿鋼軌回流到牽引變電所的負(fù)極。而是從軌道泄漏到大地中，再沿著大地回到牽引變電所負(fù)極或流向大地低電位處，最后再回到牽引變電所負(fù)極。這部分電流流經(jīng)大地過(guò)程中在地鐵軌道周邊土壤中形成雜散電流，對(duì)周邊電力設(shè)備接地造成一定影響[1]。比如變壓器在對(duì)高壓開關(guān)進(jìn)行維護(hù)接地后，對(duì)變壓器高壓側(cè)掛接地線時(shí)仍發(fā)生放電現(xiàn)象就是一個(gè)很好例子。

城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)的這部分泄露的電流由軌道附近流向四周，雜散電流的強(qiáng)弱程度可以通過(guò)土壤電位梯度的測(cè)試進(jìn)行衡量，土壤電位梯度越大、雜散電流越大[2]。雜散電流在一定程度上會(huì)對(duì)地鐵軌道周邊供電系統(tǒng)設(shè)備接地造成一定的影響。例如，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一種奇怪現(xiàn)象：在對(duì)車輛段跟隨變電所電力變壓器設(shè)備檢修時(shí)，將變壓器停電后，并將變壓器高壓開關(guān)改到檢修狀態(tài)（通過(guò)一次設(shè)備形成維護(hù)接地狀態(tài)）后，檢修人員在對(duì)變壓器本體進(jìn)行驗(yàn)電、掛接地線時(shí)，地線搭接瞬間出現(xiàn)明顯放電現(xiàn)象。

2 問(wèn)題

在提出問(wèn)題之前，首先解釋一個(gè)關(guān)于跟隨變電所的概念：在地鐵工程中，一些車站、車輛段或停車場(chǎng)因其動(dòng)力負(fù)荷比較大、分散，一個(gè)變電所不能滿足負(fù)荷要求，或因負(fù)荷在地域方面較為分散造成電力電纜長(zhǎng)距離、大范圍敷設(shè)，導(dǎo)致成本的增加，因此會(huì)在變電所周邊合適的位置再建一個(gè)附加變電所，稱為“跟隨變電所”。跟隨變電所高壓側(cè)電源，通過(guò)高壓電纜進(jìn)線到該變電所高壓側(cè)母排，然后通過(guò)跟隨變電所的變壓器轉(zhuǎn)變成低壓電源，解決部分集中、大容量動(dòng)力照明負(fù)荷而，跟隨變電所位置往往與變電所相隔一定距離（大約都在1km 左右）。

運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)跟隨變電所變壓器進(jìn)行檢修及試驗(yàn)時(shí)，需要將變壓器改至檢修狀態(tài)，以保證工作人員的安全，達(dá)到滿足人員檢修的安全措施布置條件。但發(fā)現(xiàn)在跟隨所變壓器高壓側(cè)35kV 開關(guān)柜已改至維護(hù)接地狀態(tài)下，對(duì)變壓器高壓側(cè)掛接地線時(shí)，仍出現(xiàn)明顯的放電現(xiàn)象，對(duì)運(yùn)營(yíng)設(shè)備維護(hù)檢修人員的安全以及現(xiàn)場(chǎng)管理造成一定的影響。

3 原因分析

3.1 排除感應(yīng)電流的因素

因變電所與跟隨變電所相隔一定距離，兩個(gè)變電所的高壓電纜有一部分通過(guò)同一電纜溝支架進(jìn)行敷設(shè)，對(duì)跟隨變電所進(jìn)行停電檢修時(shí)，變電所本身不受其影響，正常供電運(yùn)行。因此我們考慮到是否因?yàn)楦邏弘娎|在敷設(shè)通道中受到其他高壓電纜的干擾，出現(xiàn)感應(yīng)電流，從而導(dǎo)致跟隨變電所變壓器高壓側(cè)掛接地線時(shí)仍出現(xiàn)明顯的放電現(xiàn)象。

假設(shè)是因感應(yīng)電流出現(xiàn)的放電，那么將變電所與跟隨變電所之間的高壓電纜在變電所側(cè)的維護(hù)接地解除，同樣會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。因此進(jìn)行了一個(gè)測(cè)試：將跟隨變電所的高壓電纜的維護(hù)接地解除，再對(duì)跟隨所變壓掛接地線進(jìn)行測(cè)試。發(fā)現(xiàn)并不會(huì)像維護(hù)接地時(shí)，對(duì)變壓器本體高壓側(cè)掛接地線出現(xiàn)放電現(xiàn)象。并測(cè)量掛接電線后變壓器高壓側(cè)電位及高壓側(cè)通過(guò)接地線流經(jīng)大地的電流大小，發(fā)現(xiàn)接地的電流及電位大小均為0，因此可以排除35kV 電纜受其它同向敷設(shè)的高壓電纜干擾或感應(yīng)產(chǎn)生電流等原因。

3.2 土壤電位梯度測(cè)量

雜散電流的強(qiáng)弱程度可以通過(guò)土壤電位梯度的測(cè)試進(jìn)行衡量[3]。在車輛段軌道旁空地地面上布設(shè)4只相同的硫酸銅電極參比電極。參比電極分為兩組，每組2只參比電極，其中一組沿平行于場(chǎng)段股道布設(shè)，另一組應(yīng)沿垂直于場(chǎng)段股道的方向布設(shè)。每組兩電極之間距離20m，兩組電極的電極間距應(yīng)相同，兩組電極應(yīng)對(duì)稱交叉分布，如圖1所示，其中1為a、b、c、d 參比電極；2為測(cè)試導(dǎo)線；3為A、B 直流電壓表或波形記錄儀。

圖1 地電位梯度與雜散電流方向測(cè)試接線圖

測(cè)試數(shù)據(jù)分析：按照電壓測(cè)試值得正負(fù)將測(cè)試值分成[VA(+) VB(+)]、[VA(+) VB(-)]、[VA(-)VB(+)]、[VA(-) VB(-)]四種讀數(shù)組合，各讀數(shù)組合中的VA(+)、VA(-) VB(+)、VB(-)的平均值應(yīng)分別按照下列公式計(jì)算[4]：

圖2 土壤電位梯度方向矢量

圖3 硫酸銅電極參比電極

建立直角坐標(biāo)系，使坐標(biāo)系的縱、橫兩軸分別與圖1中的ac、bd 相對(duì)應(yīng)。將計(jì)算出的四種讀數(shù)組合的平均值分別記入坐標(biāo)中，然后利用矢量合成法分別求出矢量和，則地電位梯度的方向?yàn)檠厥噶亢椭赶蜃鴺?biāo)原點(diǎn)的方向。

將計(jì)算得的矢量和的大小除以對(duì)應(yīng)的參比電極間距，得到電位梯度[5]。對(duì)土壤電位梯度實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖4 土壤電位梯度（平行于軌道方向）

圖5 土壤電位梯度（垂直于軌道方向）

3.3 接地網(wǎng)分析

混合變電所及跟隨變電所采用不同的接地網(wǎng)。兩個(gè)接地體之間相隔一定的距離。變電所接地網(wǎng)如圖6所示，跟隨變電所接地網(wǎng)如圖7所示。變電所接地網(wǎng)在變電所各設(shè)備房墻角四周設(shè)置接地扁鋼、引入電纜層，電纜層設(shè)接地排，接地排通過(guò)接地引下線與接地極相連接[6]。跟隨變電所接地網(wǎng)在變電所各設(shè)備房墻角四周設(shè)置接地扁鋼，未設(shè)置電纜層，接地排直接與建筑等電位連接箱（LEB）連接，通過(guò)建筑等電位連接箱（LEB）接地。

圖6 混合變電所接地網(wǎng)

圖7 跟隨變電所接地網(wǎng)

3.4 接地電流及對(duì)地電壓測(cè)試

測(cè)量電氣原理如圖8所示，將電力變壓器停電后，并將設(shè)備改到檢修狀態(tài)（通過(guò)一次設(shè)備形成維護(hù)接地狀態(tài)），檢修人員掛接地線中加入分流器，分流器兩端加裝變送器，變送器將采集信號(hào)處輸入波形記錄儀，便可采集到接地電流及電壓的參數(shù)。

圖8 測(cè)量電氣原理圖

通過(guò)測(cè)試可看出，跟隨變電所變壓器接地電流最大可以達(dá)到90A（變比為1：15，測(cè)量最大值為6A，換算成實(shí)際值為90A），如圖9所示；跟隨變電所變壓器高壓側(cè)對(duì)地電位最大可達(dá)11V，如圖10所示。

圖9 跟隨變維護(hù)接地維護(hù)接地電流

圖10 跟隨變維護(hù)接地維護(hù)接地后對(duì)地電位

跟隨變電所變壓器接地電流（實(shí)測(cè)最高可達(dá)90A）、變壓器高壓側(cè)對(duì)地電位（實(shí)測(cè)最高11V）的出現(xiàn)是因?yàn)榛旌献冸娝c跟隨變電所采用不同的接地網(wǎng)。同時(shí)，因雜散電流的存在，兩個(gè)接地網(wǎng)之間大地土壤存在電位梯度，當(dāng)跟隨變壓器維護(hù)接地時(shí)，變電所及跟隨變電所之間的高壓電纜、大地，將兩個(gè)接地網(wǎng)連接形成閉環(huán)電氣回路。因大地土壤電位梯度的存在，在這個(gè)閉環(huán)的回流形成電流定向移動(dòng)。跟隨所變壓器高壓側(cè)35kV 開關(guān)柜改至維護(hù)接地狀態(tài)下時(shí)，對(duì)跟隨變壓器高壓側(cè)掛接地線，接地線搭接瞬間形成閉環(huán)的電氣回路，接地線搭接瞬間搭接接觸面積較小，因此出現(xiàn)明顯的放電現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

放電的強(qiáng)弱程度與雜散電流大小相關(guān)，雜散電流越大、電位梯度越大，放電現(xiàn)象越強(qiáng)烈；放電的強(qiáng)弱程度還與混合變電所及跟隨變電所之間的距離相關(guān)，即變電所及跟隨變電所之間的距離越大、放電程度越強(qiáng)，變電所位置越是靠近地鐵軌道、放電強(qiáng)度越強(qiáng)，越是遠(yuǎn)離地鐵軌道、放電現(xiàn)象越弱。

針對(duì)上述問(wèn)題，可以采取兩個(gè)措施進(jìn)行避免或消除影響：若變電所及跟隨變電所共用一個(gè)接地網(wǎng)則可解決跟隨變壓器掛接地線時(shí)“放電”問(wèn)題，即跟隨變電所接地網(wǎng)通過(guò)接地扁鋼敷設(shè)到變電所，與變電所接地網(wǎng)相連接，達(dá)到共用同一個(gè)接地網(wǎng)的目的，則可以避免上述問(wèn)題出現(xiàn)，但這種方案僅僅適用于建設(shè)期，針對(duì)運(yùn)營(yíng)期設(shè)備已難以進(jìn)行改造。因此，針對(duì)運(yùn)營(yíng)期的設(shè)備，只能通過(guò)一定的安全措施對(duì)問(wèn)題進(jìn)行減弱、避免傷害。在維護(hù)檢修人員操作過(guò)程中，可以通過(guò)佩戴絕緣手套、護(hù)目鏡的防護(hù)措施，避免對(duì)運(yùn)營(yíng)設(shè)備維護(hù)檢修人員的安全以及現(xiàn)場(chǎng)管理造成的影響。