本文是电力论文，地铁运行已经造成城区主变压器直流偏磁问题，掌握杂散电流感应地电场模型及其变化规律，能够给城区主变直流偏磁风险的防御与治理提供有力支撑。有鉴于此，提出了基于地铁杂散电流动态地电场的直流偏磁风险评估方法，取得了下述研究成果：（1）提出了杂散电流作用下的地电场动态模型，并对机车取流、钢轨电阻、排流网以及列车相对位置等影响因素的作用情况进行研究，得到了下述结论：1）列车从牵引变取流越大，杂散电流越大，列车运行处地电位越大。2）钢轨纵向电阻阻值越大，列车运行处地电位越大。3）当排流网排流时，列车运行处地电位比不排流时地电位高；是否排流对大电位与最小电位之间电位差几乎没有影响。
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1绪论
地铁杂散电流通过轨道作用最终进入地面是十分有害的，它对地铁建设时使用的钢筋以及地面中工程需要铺设的金属结构和埋设的电缆装置等均会产生一定的腐蚀作用，严重的时候还会使流经电力系统中的城区电网主变压器的直流电流值超过其安全范围，从而使其电磁作用导致变压器内部结构损坏和变形，有谐波现象出现，变压器无功损耗较多，系统内部无功补偿装置为了保证系统运行会开启工作，从而导致工作负荷强度过大或者电压值减小，变压器在这一过程中产生机械振动且伴有噪音，使其外部保护结构由于工作生热较明显，超过其承受范围则会导致外部绝缘破坏，内部结构消耗较大，使其整体工作时间大大缩短，严重时有可能导致变压器损坏[3]。从而进入了非线性工作区域通过实例数据分析双列机车在三种不同工况（即双列机车牵引加速运行、一列机车加速运行一列机车减速制动运行以及双列机车减速运行）下杂散电流对所形成的地电场分布的影响，并结合乌鲁木齐地铁一号线实际算例验证了仿真模型的合理性和可行性；根据仿真结果，提出直流偏磁风险指标，对各个指标量化分析，指出主要影响主变直流偏磁的因素；最后根据各指标分别分析与其所对应的防护措施。
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2地铁杂散电流作用下地电场动态模型及影响因素
2.1地铁杂散电流分布机理
220kV城区变电站变压器多采用中性点直接接地方式工作，若车站里面有多个220kV变压器，其中必然会存在一台处于中性接地状态。地铁工作时流出的杂散电流会通过地输进接地的变压器绕组之中，从而导致变压器有直流偏磁的问题。地铁的杂散电流经过地输进中性点接地的变压器的原理见图2.3，地铁工作期间损失掉的电流进入土壤中未排流装置收集到杂散电流有一部分流入大地，经过地下土壤或金属管线等，最终经变电站接地网进入中性点接地的变压器A中；电流流过变压器A绕组以后，可通过输电系统输入进其他变电站的中性点接地的变压器B，最后，变压器B的接地中性点会将损失到地的电流传输回牵引变电系统负极。因为杂散电流为直流形式，所以当其输入进其变压器绕组，其会存在直流偏磁的问题。
2.2地铁杂散电流分布模型
根据上一节所建数学模型可知影响地铁杂散电流大小因素主要有以下五个方面：机车取流I、供电距离L、轨-地过渡电阻Rg、是否铺设排流网、钢轨纵向电阻TR，而地铁杂散电流入地会形成相应的感应地电场，因此本节将研究感应地电场影响因素是否受到杂散电流影响进行建模分析。根据上节所建立的数学模型以及推导的数学表达式，利用ANSYS软件进行仿真分析，通过不同参数对轨道电压、轨道电流以及杂散电流的影响以此来分析感应地电场影响因素。本章所建立的电路模型以及开展的仿真为理想情况研究，可以据此进行影响杂散电流的因素的定性研究。一般情况下，是可以得出铁轨各位置处的电位以及杂散电流的排布方式，但不可分析地下各位置的电位，特别是对于深层土壤地质情况，由于各层土壤电阻率不同导致数学模型建立有很大难度，准确研究杂散电流入地之后产生电场形式。目前这也是困扰工程的核心问题，所以亟需研究可以满足实际工作情况的的杂散电流入地形成地电场的仿真模型。
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3地铁杂散电流场感应地电场三维有限元模型及仿真........................................................29
3.1有限元简介.................................................................................................................29
3.2ANSYS有限元仿真分析杂散电流分布特性..........................................................30
3.3本章小结.....................................................................................................................37
4城区主变压器直流偏磁风险评估........................................................................................38
4.1地铁杂散电流下城区主变直流偏磁风险评估框架.................................................38
4.2杂散电流引起的城区主变直流偏磁风险分析........................................................40
4.3杂散电流影响因素对于变压器直流偏磁的风险评估.............................................49
4.4杂散电流引起的城区主变直流偏磁风险防范措施.................................................51
5结论与展望............................................................................................................................54
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4城区主变压器直流偏磁风险评估
4.1地铁杂散电流下城区主变直流偏磁风险评估框架
从ANSYS仿真结果来看，地铁杂散电流引起的城区主变中性点电流趋势符合实际数据三宫变220kV侧中性点每日监测最大电流值，从而验证了模型的正确性。但随着时间的推移，地铁建成初期的防护措施将逐渐不起作用，杂散电流泄漏到地下对埋地金属设施等产生腐蚀会愈加严重，会有大量杂散电流流入地下从而形成较大的感应地电场影响城区主变压器的运行，使其产生直流偏磁现象，所产生的危害也将会日益增大。因此，有必要从影响地铁杂散电流感应地电场的各影响因素方面来分析城区主变压器直流偏磁风险需采取的防护措施。在第二、三章分析了影响地铁杂散电流地电场的各影响因素后，本节基于杂散电流地电场的各影响因素，进行其对变压器直流偏磁的风险评估；可以选取地铁机车取流、钢轨纵向电阻、牵引变供电距离、轨-地过渡电阻作为影响城区主变压器直流偏磁的风险因素。
4.2杂散电流引起的城区主变直流偏磁风险分析
为实例在上一章杂散电流分布特性模型的基础上的进行对比仿真分析：多列车分别在两列列车同时减速制动运行、一列牵引加速运行而另一列减速制动运行、同时牵引加速运行，三种不同运行工况下钢轨对地电位基本分布规律，并应用ANSYS软件进行仿真。乌鲁木齐地铁1号线此时正处于投运前的试运行阶段，每日试运行时间为6小时，地铁试运行间隔最短为10分钟，最长为20分钟，直流电流数据正负变化极快也符合地铁1号线供电系统负荷引起直流偏磁的特点。可以初步判断乌鲁木齐地铁1号线供电系统杂散电流对三宫2号主变影响较大，且具有明显的偏磁电流周期性变化特征。如图4.12可知：工作日10时至16时内，三宫变2号主变220kV侧中性点直流电流变化极快，幅度较大；在其他时间段内，2号主变中性点直流电流幅值明显较小，正负基本没有变化。乌鲁木齐地铁1号线与220kV三宫变电站直线物理距离为2km左右；根据所建模型地表电位可知三宫变在三种不同工况下地电位取值范围如图4.13所示。
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5结论与展望
（3）提出了地铁杂散电流下的城区主变直流偏磁风险评估模型及衡量变压器直流偏磁风险影响因素重要程度的量化指标，对新疆乌鲁木齐地铁运营下的城区主变压器直流偏磁风险进行了评估，发现了钢轨纵向电阻和轨-地过渡电阻是城区主变压器直流偏磁风险关键影响因素，机车取流和供电距离为重要影响因素。并提出了应对乌鲁木齐城区主变直流偏磁风险的建议。本文正是基于此，完成了“地铁运行-杂散电流感应地电场-城区主变压器直流偏磁风险研究”的内容，为今后城区主变受地铁杂散电流影响的防护工作提供了基本思路。在今后工作中，还需更深入的探讨的问题：（1）在本文研究的基础上加强对杂散电流感应地电场的作用范围进行研究，应考虑更多的实际影响因素，建立更深层且多层次复杂的土壤结构模型。（2）在日常应用中地铁线路囊括了多个变电所及多个运行的机车，根据不同的位置和不同的土壤分层，设计完整的模型形成可以适应各种状况下的杂散电流分布。
参考文献（略）
参考文献（略）
