[发明专利]一种地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁地电位计算方法

说明书

本发明涉及一种地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁地电位计算方法，包括如下步骤：1)推导得到杂散电流静态分布模型；2)建立杂散电流动态分布模型，计算得到杂散电流动态分布曲线，在杂散电流动态分布曲线上任取一点对应的杂散电流值作为电流源参考值；3)推导地铁线路附近大地电场的场域方程以及分界面的边界条件；4)参考电流源参考值、边界条件，建立三维大地电阻率模型，利用有限元分析软件对三维大地电阻率模型进行网格剖分，计算地表的大地电位，并通过后处理模块输出计算结果。本发明提出的方法可用于根据大地和电网数据、资料，预估可能发生偏磁的变压器，使用该发明可减少盲目测量，为治理方案制定提供计算分析手段。

技术领域

本发明涉及电网安全与灾害防治领域。

背景技术

伴随着城市化进程的加快，城市人口增多，城市流动性变大，城市轨道交通(地铁和轻轨)的需求和规模也随之增大。国内轨道交通均采用直流牵引供电的方式，列车在运行过程中，通过接触网向牵引变电所取电流，之后牵引电流再通过钢轨(兼做回流轨)回到牵引变电所负极。由于钢轨对地并非完全绝缘，在列车运行中会有部分电流通过钢轨流入大地，形成所谓的地铁杂散电流。流入大地的杂散电流在一定范围内形成直流地电位，在附近两个变压器中性点之间形成电位差，在变压器绕组中产生直流电流，造成城市电网变压器的直流偏磁饱和，使变压器噪声加大，振动加剧，以及谐波、无功消耗增大和温度升高等次生干扰，威胁变压器和电网的安全运行。因此，需要计算杂散电流的地电位，进而评估杂散电流对变压器偏磁的影响。

发明内容

本发明针对地铁杂散电流引起城市电网变压器直流偏磁的物理过程，提出了地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁的地电位计算方法。目的是通过计算地铁杂散电流地电位的影响范围，确定影响范围内变压器所处位置的地电位大小，查明在杂散电流地电位影响范围内电网及变压器中直流偏磁电流的流通情况，为治理地铁杂散电流引起的城市电网变压器的直流偏磁提供计算方法支撑。

为实现上述目的，本发明的地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁的地电位计算方法，主要包括地铁杂散电流动态分布的数学及物理模型的构建、城市电网大地模型局部建模两个方面，两方面技术相互协调，实现对地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁的地电位计算。

一种地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁地电位计算方法，步骤如下：

1)参考地铁结构及组成建立双边供电简化模型，推导得到杂散电流静态分布模型，通过杂散电流静态分布模型实现静态杂散电流的计算；

2)考虑列车运行过程中，牵引电流的大小随列车运行工况的改变，在杂散电流静态分布模型的基础上，再根据列车牵引供电策略建立杂散电流动态分布模型。根据杂散电流动态分布模型可以计算得到杂散电流动态分布曲线，在曲线上任取一点对应的杂散电流值作为后续建立大地模型(三维大地电阻率模型)的电流源参考值；大地模型可用于进行有限元计算；

3)以麦克斯韦方程组为基础，推导地铁线路附近大地电场的场域方程以及分界面的边界条件。推导得到的边界条件作为采用大地模型进行有限元计算时的边界条件参考；

4)根据不同地区大地电性及其构造的不同，以及杂散电流泄露点随机性的特点，参考步骤2)、步骤3)所得的电流源参考值、边界条件，对大地电性结构建立三维大地电阻率模型，利用有限元分析软件对三维大地电阻率模型进行网格剖分，计算地表的大地电位，并通过后处理模块输出计算结果，从而分析地铁杂散电流地电位分布情况。

步骤1)中，将钢轨、钢轨下方的排流网、大地用电阻进行等效，得到钢轨-排流网-大地三层结构的双边供电等值电路。

在双边供电等值电路中取一微元，得到双边供电等值微电路模型；以列车为界将钢轨分为左右两部分；对于左边部分，由KVL基尔霍夫电压定律得：

得：

由基尔霍夫电流定律得：