地铁引起的主变直流偏磁探讨

2015年12月，北京某热电公司主变出现明显的噪声异常。寻找安徽正广电公司通过专业工具“便携式变压器直流偏磁测试仪”进行测试。经测试，该主变中性点直流分量达到20A以上。为了解该站主变中性点直流电流大小、变化规律以及形成原因，技术人员对主变中性点直流分量进行了超过24小时实时监测。测试的直流电流散点图（见图1）。

技术人员在分析数据时得出了以下结论：

1、直流电流有正有负，“﹢”代表流入主变中性点，“﹣”代表流出主变中性点。且正负变化过快，一般30s内就出现数据由正到负或由负到正的变化；

2、直流电流正向最大值为22.7A，出现在25日8:32:53；负向最大值为-21.4A，出现于24日19:32:49；

3、直流电流集中出现在24日9:15—25日0:00以及25日5:00—25日10:19。在25日0:00—25日5:00这一时间段，直流电流绝对值在1A以内。属于装置零漂，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，2#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。

在根据测试结果推导产生原因的环节，技术人员首先否定了因HVDC与GIC引起直流偏磁的原因。

高压直流输电工程（HVDC）单极大地方式或双极不平衡运行导致地中电流流入交流线路引发主变直流偏磁的现象在我国具有高压直流工程的地域屡见不鲜。通过调研，北京地区并没有高压直流输电工程接地极，周边河北地区也没有直流工程。由此引起的直流偏磁电流和接地极位置、入（出）地电流大小、交流电网架构以及土壤电阻率有关。由于一条具体的高压直流输电线路，其接地极位置、入地电流是一定的，而且在相当一段时间内交流电网架构、土壤电阻率均不会发生变化。因此此类原因产生的主变偏磁电流应为一个定值。

此次测试结果表明，电流正负变化、幅值变化极快。由此可以排除因直流单极大地或双极不平衡方式运行引起的可能。

太阳活动引起地磁暴产生地磁电流（GIC）为频率1Hz的交流量，可以近似为直流，流入交流线路也可引发主变直流偏磁。太阳活动引起的地磁暴在高纬度地区容易出现。且此类地磁暴引起的直流偏磁在时间上应是几十年一遇的事，时间为几分钟~3天，在地域上应是极大地域范围。该站主变直流偏磁持续时间已经超过7天，也可以排除此类原因。

技术人员研究测试波形时，发现在0:00—5:00时间内，2#主变中性点无直流分量。由此大胆的猜测该站直流偏磁系地铁供电系统引起。

根据了解，北京地铁在此段时间内停运。另外，测试电流正负变化极快也符合地铁供电系统引起直流偏磁的特点。该热电公司坐落于北京市东五环与六环之间，距离地铁6号线、机场线直线距离分别为3公里、10公里。地铁供电系统采用直流供电方式，一般为DC750V或1500V。分为单边供电系统和双边供电系统。如下图2所示：

由于机车下走行轨与地不是完全绝缘，部分直流分量将流入大地。这部分电流专业上叫做杂散电流。如图3所示（单双边供电均有此类问题，图示按照单边供电系统）：

由于入地杂散电流的作用，会在牵引站附近产生地电位分布。与直流输电接地极类似。倘若此时，具有交流连接的两台接地主变位于不同地电位，将产生一定的偏磁电流。如图4所示：

地铁在实际运行，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，影响主变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。

如图5。利用等效法，可以将所有的机车等效为一辆，那么当机车位于位置1时，主变A中性点直流电流为﹣，流出中性点；当机车位于位置2时，主变A中性点直流电流为﹢，流入中性点。实际情况下，由于地铁机车本身数量多、速度快，因此造成了主变直流电流正负变化在十几秒以内。