秦山核電一線四機運行時的開關(guān)站電流分配研究

謝金平，樓開宏

（中核集團秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山核電二、三期聯(lián)合開關(guān)站有4回500kV出線，其中2回至王店變，2回至喬司變。聯(lián)合開關(guān)站現(xiàn)已投入運行的機組共有5臺，其中二期1號、2號機組為650 MW，新擴建的3號機組為660 MW，三期2臺728 MW機組。目前秦山二期正在擴建的4號機組容量為660 MW，計劃于2012年1月并網(wǎng)。待二期4號機組投運后，聯(lián)合開關(guān)站將有6臺機組接入運行。

在配合鐵路和公路的建設(shè)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整、線路改造和大檢修等情況下，聯(lián)合開關(guān)站有可能出現(xiàn)2回同塔線路在較長時間（數(shù)天以上）同時停電的情況。為盡量減小線路停電對機組出力的影響，上述需要2回線路停電的工作一般會安排在二、三期各有1臺機組停堆檢修期間實施，故屆時聯(lián)合開關(guān)站將會出現(xiàn)二線四機運行的工況。

由于電網(wǎng)要求核電機組二線四機運行時仍能滿足線路N-1故障準則，即當2回線路中的任意一回失去時另一回線路仍能將4臺機組的電力安全穩(wěn)定地送出。若1回線路不能保證4臺機組滿出力時，將有可能要求發(fā)電廠降低機組出力至安全水平。

由于開關(guān)站內(nèi)設(shè)備的額定電流只有2000 A，而4臺機組上網(wǎng)總電流接近3000 A，因此若站內(nèi)電流分配不均，就有可能成為限制機組出力的瓶頸。受篇幅限制，僅針對聯(lián)合開關(guān)站至王店變的2回秦王線路為配合秦山核電廠擴建項目（方家山核電工程）接入電網(wǎng)而改接至海寧變期間，開關(guān)站內(nèi)的電流分布情況進行分析，分析結(jié)論同樣適用于秦喬2回線路出線4臺機組運行時的情況。

1 聯(lián)合開關(guān)站電氣主接線及參數(shù)

聯(lián)合開關(guān)站主接線如圖1所示。圖1中三期1號、2號機組通過主變升壓經(jīng)500kV架空線路接入開關(guān)站的第5串和第6串，而二期正在擴建的3號、4號機組分別接入聯(lián)合開關(guān)站的2個不完整串（第1串和第2串）中。

圖1 秦山二、三期聯(lián)合開關(guān)站主接線圖

開關(guān)站一次設(shè)備的額定電流[1]如表1所示。開關(guān)站采用斷路器一字形布置方案。

表1 聯(lián)合開關(guān)站一次設(shè)備的額定電流 A

2 聯(lián)合開關(guān)站的電路仿真模型

由于聯(lián)合開關(guān)站采用一個半斷路器接線，電氣回路節(jié)點數(shù)量較多。為便于分析，根據(jù)圖1并考慮到二期3號、4號機組投產(chǎn)后以不完整串接入開關(guān)站的方式，建立了秦王5415與5416線路改接期間的電路仿真模型，如圖2所示。圖2中Ⅱ-1號和Ⅲ-2號分別表示二期1號機組和三期2號機組，其余類同。

2.1 仿真模型說明

（1）將每個斷路器間隔作為1個支路。支路阻抗以集中參數(shù)表示，忽略各支路導體對地分布電容的影響。

（2）設(shè)有電流測量模塊，用于測量每個支路的電流。

（3）為便于分析，將各機組的上網(wǎng)出力換算為電流，并以理想電流源替代發(fā)電機。電流源的一端接地，另一端將電流注入開關(guān)站。由于計算軟件MATLAB/Simulink不允許電流源直接與電感元件串聯(lián)，否則計算時會報錯，所以需要在圖2中每個電流源的兩端各并接1個大電阻，如圖2中所示的R1-R6。為忽略上述電阻的分流作用，可取R1-R6的值均等于100 MΩ。

圖2 聯(lián)合開關(guān)站的電路仿真模型

（4）在只有1回線路運行的情況下，開關(guān)站內(nèi)電流分布僅取決于站內(nèi)各斷路器支路的阻抗，與外部線路的參數(shù)無關(guān)，故可將模型中運行的輸電線路接地，使得各電流源（發(fā)電機）注入開關(guān)站的電流經(jīng)各支路阻抗元件和輸電線路后能夠再回流到各電流源。

（5）為便于分析，假定各電流源的相位相同。實際上，在相位各不相同的情況下，各電流相量和的模必然小于或等于各相量模的代數(shù)和，即有

上述不等式的等號當且僅當各電流相位相同時才成立。也就是說，實際注入開關(guān)站的總電流以及從線路流出的電流會比計算采用的小，因此假設(shè)各電流源同相位對于分析設(shè)備是否過載來說是偏于保守的。

2.2 模型參數(shù)

2.2.1 電流源參數(shù)

秦山二期老機組滿發(fā)時，單機上網(wǎng)的出力為642 MW，電流為720 A；秦山三期滿發(fā)時，單機上網(wǎng)出力為681 MW，電流為760 A?？紤]到二期新機組銘牌功率比老機組大10 MW，故二期新機組按上網(wǎng)出力650 MW考慮，對應電流為730 A。

2.2.2 斷路器支路的阻抗

斷路器支路的阻抗以集中參數(shù)表示，忽略各支路導體對地分布電容的影響。根據(jù)開關(guān)站布置圖，可知完整串的邊斷路器支路長度約為12.2 m，中間斷路器支路長度約為9.9 m；不完整串中與Ⅰ母連接的斷路器支路長度約為10.7 m，與Ⅱ母連接的斷路器支路長度約為9.7 m。

根據(jù)GIS廠家三菱電機提供的參數(shù)，單位長度導體電感約為0.25×10-6μΩ/m，邊斷路器支路的直流電阻約為130 μΩ。計算得各斷路器支路的直流電阻、感抗和阻抗如表2所示。

由表2可見，由于直流電阻較小，各斷路器支路阻抗的大小主要取決于感抗的大小。GIS的導體為同軸結(jié)構(gòu)，空心鋁導體為內(nèi)導體，鋁合金外殼為外導體。在低頻時，單位長度導體的電感量僅取決于內(nèi)、外導體的內(nèi)徑和外徑結(jié)構(gòu)尺寸。因此，對于給定的GIS設(shè)備來說，其導體在工頻時的單位長度電感量就是一個恒定值。

表2 各斷路器的支路阻抗

2.2.3 母線支路的阻抗

為便于分析，假定：

（1）各母線支路與斷路器支路單位長度的直流電阻和電感均相等。

（2）對于連接2個完整串（或不完整串）的母線支路，其長度等于完整串（或不完整串）內(nèi)各斷路器長度之和；而對于連接1個完整串和1個不完整串的母線支路，則其長度等于1個不完整串內(nèi)各斷路器長度之和，或等于1個完整串內(nèi)各斷路器長度之和，具體與GIS的布置有關(guān)。

各母線段支路的直流電阻、感抗和阻抗如表3所示。

表3 各母線支路的阻抗

3 二線四機工況線路N-1時站內(nèi)電流分配

3.1 Ⅱ-2號和Ⅲ-2號機組檢修

開關(guān)站初始狀態(tài)：其余4臺機組運行，秦喬5413和5414線路運行，秦王5415和5416線路停役。由于與Ⅲ-2號機組在同一串的5415線路停運，故可刪除圖2中的第5串。由于5414線路和Ⅲ-1號機組在運行，故第4串和第6串應保持完整串運行方式，僅將Ⅱ-2號機組和5416線路單獨隔離出串。

3.1.1 秦喬5414線跳閘

在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，考慮到秦喬5414線路跳閘，故可進一步刪除圖2中的第4串。

將表2和表3中的各支路直流電阻和電感參數(shù)代入仿真模型進行分析，各支路電流分配結(jié)果如表4所示?？梢姡瑑H秦喬5413線運行時，支路電流i32最大，但該支路未過載。

表4 5414線跳閘后各支路電流 A

由圖2及表4可知，聯(lián)合開關(guān)站設(shè)備的載流能力主要取決于與5413線路直接相連的31和32支路是否過載，而與其余支路關(guān)系不大。在注入開關(guān)站的總電流不變的情況下，支路阻抗Z31，Z32和Z33的相對大小對支路電流i31與i32的影響最大。

考慮到圖2中各支路的實際長度與計算長度存在差異，而且各支路的直流電阻也可能由于斷路器和隔離開關(guān)的動、靜觸頭接觸性能不同而存在較大的差異。為考察支路阻抗異常對i31或i32的影響，考慮到極端情況，假定3個支路31，32和33中任一支路的長度（感抗）增加20%，同時使該支路的直流電阻不斷增大，直至使i31或i32接近或達到2000 A。計算結(jié)果如表5所示。

表5 5414線跳閘后第3串阻抗異常時的支路電流

由表5可知，在Z31，Z32和Z33任一阻抗的感抗分量增大20%且電阻分量分別增大23.5倍、49倍和99倍的3種極端情況下，才有可能使i31或i32接近或達到斷路器的額定電流。

3.1.2 秦喬5413線跳閘

在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，由于秦喬5413線跳閘，需將與之連接的支路31和32均斷開，Ⅱ-1號機組通過支路33與母線相連。計算結(jié)果如表6所示。

由表6可見，秦喬5413線跳閘后，支路電流i43最大，但該支路未過載。

同樣，考慮到Z41，Z42和Z43任一阻抗參數(shù)異常的情況，計算結(jié)果如表7所示。

表6 5413線跳閘后各支路電流 A

表7 5413線跳閘后第4串阻抗異常時的支路電流

由表7可知，在Z41，Z42和Z43任一阻抗的感抗分量增大20%且電阻分量分別增大26倍、33倍和53倍的3種極端情況下，才有可能使i42（i41）或i43接近或達到斷路器的額定電流。

3.2 Ⅱ-1號和Ⅲ-1號機組檢修

圖2中開關(guān)站初始狀態(tài)：其余4臺機組運行，秦喬5413和5414線路運行，秦王5415和5416線路停役。由于與Ⅲ-1號機組在同一串的5416線路停運，故可刪除圖2中的第6串。由于5413線路和Ⅲ-2號機組在運行，故第3串和第5串應保持完整串運行方式，僅將Ⅱ-1號機組和5415線路單獨隔離出串。

假設(shè)各支路阻抗正常，仿真分析結(jié)果為：

（1）5414線跳閘后，i31=1695 A，i32=1245 A，i33=1245 A，比表4中第3串各支路的電流均衡。

（2）5413線跳閘后，i41=891 A，i42=1611 A，i43=1329 A，比表6中第4串各支路的電流均衡。

3.3 Ⅱ-3號檢修和Ⅱ-4號檢修或未發(fā)電

對秦王線路改接期間有可能遇到的Ⅱ-3號機組停機檢修，且Ⅱ-4號機組也檢修或尚未并網(wǎng)發(fā)電的情況進行分析。

圖2中開關(guān)站初始狀態(tài)：其余4臺接入完整串的機組運行，秦喬5413和5414線路運行，秦王5415和5416線路停役。刪除第1串和第2串，第3-6串應保持完整串運行，僅將5415和5416線路單獨隔離出串。

假定各支路阻抗參數(shù)正常，仿真分析結(jié)果為：

（1）5414線跳閘后，i31=1404 A，i32=1556 A，i33=836 A，比表4中第3串各支路的電流均衡。

（2）5413線跳閘后，i41=744 A，i42=1464 A，i43=1496 A，比表6中第4串各支路的電流均衡。

需注意的是，若第5串和第6串為不完整串運行，由圖2及本節(jié)開關(guān)站初始狀態(tài)可知，當秦喬任一回線路跳閘時，開關(guān)站都會有支路（i31或i42）過載，電流可達2240 A（3臺機組電流之和）。因此，應盡可能避免出現(xiàn)該運行方式。

4 結(jié)語

在聯(lián)合開關(guān)站二線四機運行且不考慮站內(nèi)各支路阻抗嚴重異常的情況下，當發(fā)生線路N-1故障時，可得出以下分析結(jié)論：

（1）若是接入完整串的2臺機組停機檢修，則在其余4臺機組滿出力的情況下，2回線路中的任一回跳閘都不會導致開關(guān)站內(nèi)的設(shè)備過載。

（2）接入不完整串的2臺機組（二期3號、4號）停機，在其余4臺機組滿出力的情況下，為預防線路N-1時開關(guān)站內(nèi)設(shè)備過載，第5串和第6串應為完整串運行，僅將需要停電的秦王5415和5416線路單獨隔離出串。

[1]魏國明.秦山二期500kV GIS開關(guān)站及其受電試驗[J].核電工程與技術(shù)，2003，16（2）∶30-36.

[2]卡蘭塔羅ПЛ，采伊特林ПЛ.電感計算手冊[M].陳湯銘譯.北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[3]李維波.MATLAB在電氣工程中的應用[M].北京：中國電力出版社，2007.