CN109149563B - 一种确定交流电网中杂散电流值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种确定交流电网中杂散电流值的方法，所述杂散电流为轨道交通杂散电流经架空地线传输到所述交流电网中，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据输电线路等值电路模型以及分段杆塔位置计算分段杆塔接地点的杂散电流感应电位；S2、将所述感应电位等效为杂散电流电压源，将杆塔、地线以及传输相线进行等效，搭建基于交流电网相分量的分段输电线路的第一等值电路模型；S3、基于所述第一等值电路模型，求解所述交流电网中的杂散电流值，本发明通过建立杂散电流经架空地线对交流电网的等值电路模型计算交流电网中的杂散电流值，推导杂散电流对交流电网的影响程度，提高运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种确定交流电网中杂散电流值的方法。
背景技术
城市轨道交通中钢轨作为回流轨，由于钢轨与大地绝缘薄弱，部分回流从钢轨中泄漏到大地，目前在钢轨下面直接铺设排流网，由钢轨、排流网以及大地构成城市轨道交通回流***的三层网络。实测结果表明，轨道交通杂散入地电流对交流***变电站的设备及安全运行产生不利影响，杂散电流对交流***变电站的入侵途径主要有两种：经变电站内设备接地点入侵变电站，以及经输电线路杆塔接地点入侵交流电网，进而影响变电站。
由于城市中存在架空线路，输电线路***一般由输电杆塔、避雷线、输电线、绝缘子及接地装置等部分组成，输电杆塔接地装置是用来流散雷电流的设备，架空地线的逐基接地方式是地线最为常见的接地方式，这种接地方式的架空地线在输电线路杆塔和变电站进线构架上均可靠接地，杆塔接地点数较多，容易受到地下布置的城市轨道交通的影响。由于轨道交通杂散电流的存在，在土壤中感应产生电场，不同的杆塔接地点感应的电位值存在差异。因此，会有部分杂散电流通过杆塔接地点入侵到交流到输电网络，经杆塔底端流至顶端，然后在架空避雷线中传输，避雷线与其余三相电力传输线中存在互感，因此，入侵到架空避雷线中的杂散电流可能在三相电力传输线中感应电流。
因此，为研究轨道杂散电流经杆塔接地点入侵对交流电网的影响，需研究可行的方法，以确定可能的影响范围和影响程度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种确定轨道交通杂散电流经架空地线入侵交流电网的杂散电流的方法，该方法能够准确的计算杆塔接地点的入侵杂散电流，从而确定杂散电流影响的范围和程度。
本发明提供一种确定交流电网杂散电流值的方法，所述杂散电流为轨道交通杂散电流经架空地线传输到所述交流电网中，包括如下步骤：
S1、根据输电线路等值电路模型以及分段杆塔位置计算分段杆塔接地点的杂散电流感应电位；
S2、将所述感应电位等效为杂散电流电压源，将杆塔、地线以及传输相线进行等效，搭建基于交流电网相分量的分段输电线路的第一等值电路模型；
S3、基于所述第一等值电路模型，求解所述交流电网中的杂散电流值。
其中，所述步骤S1具体包括：
根据架空输电线路的类型求取架空线路的参数；
根据所述参数建立架空输电线路的分段等值电路模型。
其中，所述步骤S2具体包括：
建立所述杆塔以及架空地线的等效模型，并根据所述杂散电流电压源、杆塔等效模型以及架空地线等效模型建立杂散电流对架空地线的第二等值电路模型；
根据所述第二等值电路模型以及传输相线的等效模型建立第一等值电路模型。
其中，建立第二等值电路模型具体包括：
将所述感应电位等效为杂散电流电压源，将所述架空地线等效为第一电阻和第一电感形成的第一串联支路，杆塔等效为第二电阻和第二电感形成的第二串联支路，其中，使所述杂散电流电压源的正极依次通过所述第二电感、第二电阻、第一电阻与所述第一电感的一端连接，所述第一电阻和第二电阻的连接点与上一段架空地线的输出端连接，所述第二电感的另外一端与下一段架空地线的输入端连接，所述杂散电流电压源的负极接地。
其中，所述建立第一等值电路模型具体包括：
将交流电网的每一传输相线等效为由传输相线自阻抗电阻、传输相线对地阻抗电阻以及传输相线相间阻抗电阻组成的第三串联支路；
针对每一段分段传输相线，使第二等值电路模型的输出端与所述第三串联支路的一端连接，所述第三串联支路的另外一端与交流电源连接，所述第二等值电路模型的输入端与上一段传输线相连接的第二等值电路模型的输出端连接，所述第二等值电路模型的输出端与下一段传输线相连接的第二等值电路模型的输入端连接。
其中，所述步骤S3具体包括：
使所有分段输电线路的第一等值电路模型级联，通过级联后的电路模型计算所述杂散电流。
其中，所述使所有分段输电线路的第一等值电路模型级联具体包括：
建立所述第一等值电路模型的等值二端口电路，将所有等值二端口电路进行级联，根据级联后的电路计算获得每一个二端口电路的输入电流和输出电流。
其中，所述第一等值电路模型的电路解析式为：
其中，Va(M)、Vb(M)、Vc(M)分别为第M段架空传输线的a、b、c三相输入电压，Va(M+Δm)、Vb(M+Δm)、Vc(M+Δm)分别为第M段架空传输线的a、b、c三相输出电压，Ia(M)、Ib(M)、Ic(M)分别为第M段架空传输线的a、b、c三相输入电流，Ia(M+Δm)、Ib(M+Δm)、Ic(M+Δm)分别为第M段架空传输线的a、b、c三相输出电流，Zp和Zmm分别为第M段传输相线的自阻抗和地线自阻抗，Zpp和Zpm分别为第M段传输相线的相间阻抗和对地阻抗，Yg为第M段传输相线的自导纳，Ymg为第M段地线的自导纳，Ygp为第M段传输相线的相间导纳，Ygn为第M段传输相线的对地导纳。
本发明实施例的有益效果在于：本发明通过建立轨道杂散电流经由架空地线对交流电网的影响的等值电路模型，可以计算出交流电网中的杂散电流值，从而推导出杂散电流经杆塔对交流电网的影响程度。该方法面对无序的轨道交通杂散电流，给出杂散电流经架空地线途径对交流电网影响的结果，为运行人员提供参考，提高运行可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一种确定交流电网中杂散电流值的方法的流程示意图。
图2是本发明实施例的第二等值电路模型的电路示意图。
图3是本发明实施例的第一等值电路模型的电路示意图。
图4是本发明实施例的二端口电路的电路示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
请参照图1所示，本发明提供一种确定交流电网中杂散电流值的方法，该交流杂散电流为轨道交通杂散电流经由架空地线输入所述交流电网中，该方法包括如下步骤：
S1、根据输电线路等值电路模型以及分段杆塔位置计算分段杆塔接地点的杂散电流感应电位。
具体地，作为工程计算，由于地质数据的缺乏，杆塔所在点的电位求取可以采用简化算法，在此基础上通过理论分析推导出电位分布，以此确定架空地线中杂散电流的分布情况。
(1)计算的假设条件
轨道周边的地电位分布情况与分层土壤电阻率、分层土壤的厚度、接地点距离接地极的距离、接地极漏电流分布函数以及接地极注入电流有关，而接地极周边的地电位分布情况主要取决于土壤模型和接地极泄漏电流模型。由于接地极周边距离范围一般为几十到几百公里，对于这种大范围区域来说土壤电性结构将会发生很大变化，极难建立准确的土壤模型，因此一般采用参考地球土壤的地质模型，根据典型的土壤特征来确定所采用的分层土壤模型，最常用的分层模型包括水平土壤模型。
1)地铁供电***及机车供电采用简化的注入电流源模型；
2)金属构件(包括铁轨、导线、接地网等)电阻均为均匀分布；
3)土壤采用分层均匀分布模型。
(2)杆塔地电位分布的理论分析
因地铁地下工程复杂，结构钢筋、埋地金属管线、行轨纵向电阻及各种环境因素都会影响杂散电流的分布，同时杂散电流与机车运行状态、土壤电阻率、气候等因素有关，因此，杂散电流为具有一定规律、在一定范围内变化的量，仿真计算可以估计杂散电流的变化趋势及规律，杂散电流的准确数据需要根据实测获得。
目前杂散电流监测大部分通过监测地铁结构钢、轨道对参比电极的电位差实现，因此，可根据所监测到的地铁结构钢电位和轨道电位求取。
本发明中，采用仿真方式根据杂散电流的分布计算杆塔所在位置的等值电位，步骤如下：
1)地铁供电***及机车供电采用简化的注入电流源模型；
2)应用CEDGS软件仿真电位分布。
3)根据计算要求和线路长度，按杆塔位置求取杆塔所在点的电位。
S2、将所述感应电位等效为杂散电流电压源，将杆塔、地线以及传输相线进行等效，搭建基于交流电网相分量的分段输电线路的第一等值电路模型。
具体地，为了获得第一等值电路模型，首先将杆塔接地点的电位等效为杂散电流电压源，将杆塔以及地线进行等效，从而建立杂散电流对架空地线的第二等值电路模型。
图2示出了第二等值电路模型的电路示意图，其中，vs(M,t)为等效的杂散直流电压源，杆塔及其杆塔的接地电阻等效为由第二电感L2和第二电阻R2串联而成的第二支路，架空地线等效为第一电阻R1和第一电感L1串联而成的第一支路。其中，杂散直流电压源的正极通过第二电感、第二电阻、第一电阻与第一电感的一端连接，第一电阻和第二电阻的连接点还与上一段架空地线的第二等值电路模型的输出端连接，第一电感的另外一端还与下一段架空地线的第二等值电路模型的输入端连接，杂散直流电压源的负极接地。其中，第二等值电路模型的输入端的电压为v(M,t)，电流为i(M,t)，其输出端的电流值为i(M+△m，t)，电压值为U(M+△m，t)，其中，M表示第M段杆塔，△m为架空地线的长度。
在建立了分段架空地线的第二等值电路模型后，为了分析杂散电流对交流输电线路的影响，建立杂散电流对交流电网的基于相分量的传输线的第一等值电路模型。
将a、b、c三相传输线分别等效为由传输相线自阻抗电阻、相间阻抗电阻以及对地阻抗电阻串联而成的支路，并将三相传输线的等效串联支路分别连接于三相电源和第二等值电路模型中的输出端之间。
具体地，图3为第一等值电路模型的示意图，实线框为第M段输电线的第一等值电路模型，从图中可以看出，第M段输电线包括与电源Ea相连的A相线、与电源Eb相连的B相线，与电源Ec相连的C相线，其中Vs为杂散电流电压源，Lmg为杆塔的等效电感，Rmg为杆塔的等效电阻，Zmm为第M段地线的自阻抗，Zp为第M段输电相线的自阻抗，Zmn为第M段输电相线的对地阻抗，Rg和Lg分别为接地电阻和电感。其中，Vs、Lmg、Rmg以及Zmm构成了第二等值电路模型，电阻Rmg和电阻Zmm的连接点与上一段传输线的第二等值电路模型的输出端连接，电阻Zmm的另外一端与下一端传输线的第二等值电路模型的输出端连接，电阻Zmm的另外一端还与传输相线的等值串联支路的一端连接，传输相线的等值串联支路的另外一端与相电源连接。
需要说明的是，第M段输电相线相间阻抗没有在图3中示出，但在等效计算的过程中有考虑。
S3、基于所述第一等值电路模型，求解所述交流电网中的杂散电流值。
为了分析杂散电流对交流***的影响，可将电力***电源等值为0，即Ea、Eb、Ec等于0，由杂散电流引起的杂散电流电压源施加于每一架空地线接地点。
由于输电线路跨距较长，可根据地质状况以及线路长度将输电线路分成不同段，将逐基接地的杆塔等效为数量精简的多段输电线路。等值方法采用两端口等值，则图3中第M段输电线路可等值为图4中的二端口电路，其中，Zl为等值电路阻抗支路参数矩阵；Y1为等值电路导纳支路参数矩阵，U1、U2、I1、I2为端口电压电流矩阵。
根据图3，第M段输电线路的第一等值电路模型电路解析式如下：
其中，Va(M)、Vb(M)、Vc(M)分别为第M段架空传输线的a、b、c三相输入电压，Va(M+Δm)、Vb(M+Δm)、Vc(M+Δm)分别为第M段架空传输线的a、b、c三相输出电压，Ia(M)、Ib(M)、Ic(M)分别为第M段架空传输线的a、b、c三相输入电流，Ia(M+Δm)、Ib(M+Δm)、Ic(M+Δm)分别为第M段架空传输线的a、b、c三相输出电流，Zp和Zmm分别为第M段传输相线的自阻抗和地线自阻抗，Zpp和Zpm分别为第M段传输相线的相间阻抗和对地阻抗，Yg为第M段传输相线的自导纳，Ymg为第M段地线的自导纳，Ygp为第M段传输相线的相间导纳，Ygn为第M段传输相线的对地导纳。
根据两端口电路图4，两端口输电线路电路解析式如下：
根据上面的式子，可以得出两组表达式：
根据上面的式子，可以确定依据图3建立的两端口模型参数。将多个二端口电路级联，从而获得输电线路的等效电路，利用级联后的等效电路进行仿真，从而获得每一个二端口电路的输入电流值和输出电流值，即交流电网中的杂散电流值。
本发明实施例通过建立轨道杂散电流经由架空地线对交流电网影响的等值电路模型，可以计算出交流电网中的杂散电流值，从而推导出杂散电流经杆塔对交流电网的影响程度。该方法面对无序的轨道交通杂散电流，给出杂散电流经架空地线途径对交流电网影响的结果，为运行人员提供参考，提高运行可靠性。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种确定交流电网中杂散电流值的方法，所述杂散电流为轨道交通杂散电流经架空地线传输到所述交流电网中，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据输电线路分段等值电路模型以及分段杆塔位置计算分段杆塔接地点的杂散电流感应电位；
S2、将所述感应电位等效为杂散电流电压源，将杆塔、地线以及传输相线进行等效，搭建基于交流电网相分量的分段输电线路的第一等值电路模型；
S3、基于所述第一等值电路模型，求解所述交流电网中的杂散电流值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
根据架空输电线路的类型求取架空线路的参数；
根据所述参数建立架空输电线路的分段等值电路模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
建立所述杆塔以及架空地线的等效模型，并根据所述杂散电流电压源、杆塔等效模型以及架空地线等效模型建立杂散电流对架空地线影响的第二等值电路模型；
根据所述第二等值电路模型以及传输相线的等效模型建立第一等值电路模型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，建立第二等值电路模型具体包括：
将所述感应电位等效为杂散电流电压源，将所述架空地线等效为第一电阻和第一电感形成的第一串联支路，杆塔等效为第二电阻和第二电感形成的第二串联支路，其中，使所述杂散电流电压源的正极依次通过所述第二电感、第二电阻、第一电阻与所述第一电感的一端连接，所述第一电阻和第二电阻的连接点与上一段架空地线的第一等值电路模型的输出端连接，所述第二电感的另外一端与下一段架空地线的第一等值电路模型的输入端连接，所述杂散电流电压源的负极接地。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立第一等值电路模型具体包括：
将交流电网的每一传输相线等效为由传输相线自阻抗电阻、传输相线对地阻抗电阻以及传输相线相间阻抗电阻组成的第三串联支路；
针对每一段分段传输相线，使第二等值电路模型的输出端与所述第三串联支路的一端连接，所述第三串联支路的另外一端与交流电源连接，所述第二等值电路模型的输入端与上一段传输线相连接的第二等值电路模型的输出端连接，所述第二等值电路模型的输出端与下一段传输线相连接的第二等值电路模型的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
使所有分段输电线路的第一等值电路模型级联，通过级联后的电路模型计算所述杂散电流。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述使所有分段输电线路的第一等值电路模型级联具体包括：
建立所述第一等值电路模型的等值二端口电路，将所有等值二端口电路进行级联，根据级联后的电路计算获得每一个等值二端口电路的输入电流和输出电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述第一等值电路模型的电路解析式为：
其中，Va(M)、Vb(M)、Vc(M)分别为第M段输电线路的a、b、c三相输入电压，△m为架空地线的长度，Va(M+Δm)、Vb(M+Δm)、Vc(M+Δm)分别为第M段输电线路的a、b、c三相输出电压，Ia(M)、Ib(M)、Ic(M)分别为第M段输电线路的a、b、c三相输入电流，Ia(M+Δm)、Ib(M+Δm)、Ic(M+Δm)分别为第M段输电线路的a、b、c三相输出电流，Zp和Zmm分别为第M段输电相线的自阻抗和地线自阻抗，Zpp和Zmn分别为第M段输电相线的相间阻抗和对地阻抗，Yg为第M段传输相线的自导纳，Ymg为第M段地线的自导纳，Ygp为第M段传输相线的相间导纳，Ygn为第M段传输相线的对地导纳，Vs为杂散电流电压源。
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| ANALYSIS OF STRAY CURRENT, TRACK-TO-EARTH POTENTIALS &SUBSTATION NEGATIVE GROUNDING IN DC TRACTION ELECTRIFICATION SYSTEM;Kinh D. Pham等;《2001 IEEE/ASME JOINT RAIL CONFERENCE》;20010519;第141-160页 * |
| On Outdoor Lighting Installations Grounding Systems;Massimo Mitolo等;《IEEE Transactions on Industry Applications》;20130612;第2224-2229页 * |
| Substation live working robot system;Ronghui Hui;《2016 4th International Conference on Applied Robotics for the Power Industry(CARPI)》;20161013;第1-4页 * |
| 具有导电铺层的碳纤维复合材料直流体电阻测量方法;孙晋茹等;《高电压技术》;20180228;第44卷(第2期);第561-567页 * |
| 直流偏磁对深圳电位主变压器的影响及抑制措施的研究;章彬等;《陕西电力》;20141231;第42卷(第12期);第69-72页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109149563A (zh) | 2019-01-04 |
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