山西電網(wǎng)短路電流直流分量對(duì)斷路器開斷能力影響的研究

張 謙，孟 濤，劉新元

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030021）

0 引言

目前，對(duì)電網(wǎng)短路電流的研究大多集中在周期分量[1-3]，較少有成果詳細(xì)量化分析短路電流的直流分量及限制措施。文獻(xiàn)[4]針對(duì)短路電流的構(gòu)成，指出當(dāng)母線發(fā)生短路故障時(shí)，交流斷路器的額定開斷電流由兩方面決定：一是交流分量的有效值，二是斷路器開斷時(shí)刻直流分量所占的比例。文獻(xiàn)[5-6]指出，短路電流直流分量對(duì)斷路器實(shí)際運(yùn)行工況的影響不可忽略，其可能造成短路電流半波峰值增大，削弱斷路器實(shí)際開斷電流

的能力。文獻(xiàn)[7]的研究表明，如果短路電流直流分量較大，可能造成故障電流出現(xiàn)“零點(diǎn)漂移”的現(xiàn)象，即使故障電流的幅值不大，斷路器的內(nèi)部熄弧時(shí)間也會(huì)超過其額定開斷時(shí)間，導(dǎo)致無法及時(shí)開斷故障電流。上述研究并未針對(duì)直流分量對(duì)斷路器開斷能力的影響提出具體的計(jì)算方法和限制措施。本文詳細(xì)推導(dǎo)了短路電流直流分量影響斷路器實(shí)際開斷能力的基本原理，提出了計(jì)及短路電流直流分量的電網(wǎng)短路電流超標(biāo)廠站搜索方法，以實(shí)際電網(wǎng)為算例分析了采取限制短路電流措施后，因直流分量影響仍會(huì)超過斷路器實(shí)際開斷能力的廠站，并提出了相應(yīng)的限制短路電流直流分量的建議措施。

1 短路電流直流分量及計(jì)算方法

1.1 短路電流直流分量基本原理

以單機(jī)無窮大系統(tǒng)為例，分析短路電流直流分量基本原理。系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，并假設(shè)短路點(diǎn)遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)，短路期間交流分量幅值保持恒定，不發(fā)生衰減。故障發(fā)生時(shí)的等效電路如圖1所示。

圖1 全電流等值計(jì)算電流

由圖1得到的全電流計(jì)算微分方程為

其中，Un為線路線電壓的有效值，φU為電壓初始相角，R和L分別為線路的等值電阻和電抗。

求解式（1）得到式（2）

其中，ikAC和ikDC分別為短路電流的交流分量和直流分量，Ik"為短路電流周期分量有效值，γ為阻抗角，TDC=X/Rω即為直流分量的衰減時(shí)間常數(shù)。

直流分量的幅值主要由Ik"、φU和γ決定，當(dāng)γ-φU=90°時(shí)，初始直流分量幅值最大，隨后其呈指數(shù)衰減。衰減速度由時(shí)間常數(shù)TDC決定，TDC值越大，直流分量衰減速度越慢。

1.2 直流分量計(jì)算方法

根據(jù)上節(jié)分析，直流分量的計(jì)算重點(diǎn)在于其衰減時(shí)間常數(shù)的計(jì)算。在保證工程計(jì)算精度要求的前提下，可以忽略線路的導(dǎo)納以及并聯(lián)無功補(bǔ)償，采用R-L電路模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)的衰減時(shí)間常數(shù)。

以一個(gè)包含N條饋入支路的節(jié)點(diǎn)為例，假設(shè)第i條支路提供短路電流的比例為αi，則

其中，tmin為斷路器最短開斷時(shí)間。

求解得到節(jié)點(diǎn)的短路電流直流分量衰減時(shí)間常數(shù)為：

2 直流分量對(duì)斷路器開斷能力的影響

由以上推導(dǎo)可知，電網(wǎng)中不同電壓等級(jí)斷路器的實(shí)際開斷電流由交流分量和支路分量?jī)刹糠謽?gòu)成。開斷電流的有效值為

考慮短路電流直流分量的影響后，斷路器實(shí)際開斷交流分量數(shù)值IAC與其額定開斷電流IACN的關(guān)系為

其中，TDCN為斷路器直流分量衰減的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)，K為考慮了直流分量影響后斷路器實(shí)際開斷交流分量的折算系數(shù)。

當(dāng)母線直流分量衰減時(shí)間常數(shù)大于斷路器標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)時(shí)，K<1，實(shí)際開斷電流小于額定開斷電流；當(dāng)母線直流分量衰減時(shí)間常數(shù)小于斷路器標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)時(shí)，K＞1，此時(shí)可不計(jì)及直流分量對(duì)斷路器開斷能力的影響?！陡邏航涣鲾嗦菲鳌稧B 1984—2014中規(guī)定，斷路器正常運(yùn)行工況下的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)為45 ms，其數(shù)值隨斷路器運(yùn)行電壓的變化而變化，40.5 kV及以下或1 100 kV電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)為120 ms，72.5 kV至363 kV電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)為60 ms，550 kV至800 kV電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)為75 ms。以一個(gè)直流衰減標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)為60 ms的斷路器為例進(jìn)行分析，假設(shè)t=0時(shí)刻發(fā)生短路故障，母線直流衰減時(shí)間常數(shù)不同時(shí)，斷路器需開斷的直流分量百分?jǐn)?shù)如圖2所示。

計(jì)及斷路器主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和所需的分閘時(shí)間，斷路器的最短開斷時(shí)間tmin按40 ms（2個(gè)周波）考慮。分析圖2可得，當(dāng)母線直流衰減時(shí)間常數(shù)分別為80、100、120、150 ms時(shí)，斷路器分閘時(shí)刻需要開斷短路電流直流分量的百分比分別為60.65%、67.03%、71.65%和76.59%。由上述分析可知，對(duì)于某一直流標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)和最短開斷時(shí)間恒定的斷路器，母線直流衰減時(shí)間常數(shù)越大，斷路器分閘時(shí)刻所需開斷的直流分量比例越高，短路電流直流分量對(duì)斷路器開斷能力的影響越大。進(jìn)一步分析斷路器實(shí)際開斷交流分量的折算系數(shù)K隨母線直流衰減時(shí)間常數(shù)的變化規(guī)律可知，斷路器實(shí)際開斷交流分量的折算系數(shù)隨母線衰減時(shí)間常數(shù)的增大不斷減小。因此，在校核電網(wǎng)短路電流時(shí)，有必要考慮直流分量對(duì)斷路器開斷能力的影響。

圖2 時(shí)間常數(shù)不同時(shí)斷路器需開斷的直流分量百分?jǐn)?shù)示意圖

3 算例分析

本文以山西電網(wǎng)為例分析短路電流直流分量對(duì)斷路器開斷能力的影響，分別計(jì)算山西電網(wǎng)“西電東送”通道調(diào)整前后山西電網(wǎng)的短路電流水平，文中僅以220 kV電網(wǎng)為例分析，其他電壓等級(jí)的廠站母線可按短路電流直流分量對(duì)斷路器實(shí)際開斷能力的校核流程步驟進(jìn)行校核。

3.1 “西電東送”通道調(diào)整前

以2020年冬季運(yùn)行方式計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算采取限制短路電流措施后山西電網(wǎng)各廠站的短路電流交流分量有效值Ik″，并按由高到低進(jìn)行排序。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，陽泉站220 kV母線短路電流水平為48.094 kA，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)為69.59 ms，考慮直流分量影響后斷路器開斷能力為45.25 kA，該站短路電流水平超過斷路器實(shí)際開斷能力。此外，呂梁站220 kV母線短路電流水平為47.987 kA，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)為55.83 ms，斷路器實(shí)際開斷能力為47.6 kA；雁同站220 kV母線短路電流水平為46.344 kA，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)為83.29 ms，斷路器實(shí)際開斷能力為43.55 kA；明海湖站220 kV母線短路電流水平為44.902 kA，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)為72.76 ms，斷路器實(shí)際開斷能力為44.8 kA。因此，考慮短路電流直流分量的影響后，以上4個(gè)廠站220 kV斷路器實(shí)際開斷能力小于短路電流交流分量計(jì)算值，不滿足運(yùn)行要求。

表1 “西電東送”通道調(diào)整前山西電網(wǎng)220 kV母線短路電流計(jì)算結(jié)果

3.2 “西電東送”通道調(diào)整后

預(yù)計(jì)2021年山西電網(wǎng)將實(shí)施“西電東送”通道調(diào)整工程，工程實(shí)施后，山西1 000 kV北岳、洪善特高壓站將與山西主網(wǎng)相連，原九回500 kV交流外送通道解開，調(diào)整為“點(diǎn)對(duì)網(wǎng)”送電。以2021年冬季運(yùn)行方式計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算采取限制短路電流措施后山西電網(wǎng)各廠站的短路電流交流分量有效值Ik″，并按由高到低進(jìn)行排序。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，“西電東送”通道調(diào)整后，雖采取了限制短路電流的措施，但考慮短路電流直流分量的影響后，仍有朔州站、雁同站、稷山站、晉中站和呂梁站共5個(gè)廠站220 kV斷路器實(shí)際開斷能力小于短路電流交流分量計(jì)算值，需進(jìn)一步采取限制短路電流的措施。

表2 “西電東送”通道調(diào)整后山西電網(wǎng)220kV母線短路電流計(jì)算結(jié)果

3.3 直流衰減時(shí)間常數(shù)比較

對(duì)比分析“西電東送”通道調(diào)整前后各廠站220kV母線直流衰減時(shí)間常數(shù)的變化，結(jié)果如表3所示。

表3 “西電東送”通道調(diào)整前后各廠站母線直流衰減時(shí)間常數(shù)比較

由表3的對(duì)比結(jié)果可知，“西電東送”通道調(diào)整后，各廠站220kV母線的直流衰減時(shí)間常數(shù)整體變化較小，部分廠站直流衰減時(shí)間常數(shù)減小較大，可能與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。

4 限制短路電流直流分量的方法

山西電網(wǎng)的計(jì)算實(shí)例表明，即使已針對(duì)短路電流交流分量超標(biāo)問題采取了限制短路電流的措施，使交流分量計(jì)算值小于斷路器額定遮斷電流，考慮短路電流直流分量后，但仍然出現(xiàn)斷路器實(shí)際開斷能力小于交流分量計(jì)算值的現(xiàn)象。因此，需要進(jìn)一步采取限制短路電流直流分量的措施，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行。

根據(jù)式（5）～式（7）的推導(dǎo)可知，限制短路電流直流分量的影響有兩種思路：一是降低短路電流交流分量的有效值，二是降低母線的直流衰減時(shí)間常數(shù)。目前，為限制短路電流通常采用中性點(diǎn)加裝小電抗的方法，這種方法雖然限制了交流分量的幅值，但由于增加了系統(tǒng)的電抗，根據(jù)TDC=X/Rω，母線的直流衰減時(shí)間常數(shù)會(huì)增加，因此這種措施對(duì)短路電流直流分量的限制不明顯。本文建議采取以下2種方式限制直流分量：一是斷開短路電流超標(biāo)廠站聯(lián)絡(luò)線，限制短路電流幅值；二是線路加裝故障限流FCL（faultcurrent limiter）裝置。

圖3 電弧電流轉(zhuǎn)移型FCL原理圖

以電弧電流轉(zhuǎn)移型FCL為例，其限制短路電流的原理如圖3所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流通過真空開關(guān)V，短路故障發(fā)生后，控制信號(hào)觸發(fā)SCR導(dǎo)通，強(qiáng)迫真空電弧電流過零熄弧，使大部分故障電流轉(zhuǎn)移至限流支路，同時(shí)反向支路電容器感應(yīng)出較高電壓，讓其余故障電流全部通過電阻R，整個(gè)過程能在2～3個(gè)周波內(nèi)完成觸頭分?jǐn)?，從而達(dá)到快速限制短路電流的目的。電弧電流轉(zhuǎn)移型FCL在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出小電抗的特性，在限制故障電流的同時(shí)，可以減小母線衰減時(shí)間常數(shù)，能有效限制短路電流直流分量的影響。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)研究了短路電流直流分量影響電網(wǎng)斷路器開斷能力的基本原理，提出了計(jì)及短路電流直流分量斷路器實(shí)際開斷能力的計(jì)算方法，能準(zhǔn)確搜索短路電流超標(biāo)廠站，最后提出了限制短路電流直流分量的方法，得到的主要結(jié)論如下。

a）山西電網(wǎng)直流外送區(qū)域的短路電流直流分量衰減時(shí)間常數(shù)較其他地區(qū)偏高，容易影響斷路器實(shí)際開斷電流能力。

b）典型參數(shù)下，部分廠站直流分量衰減時(shí)間常數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

c）考慮直流分量因素影響后，山西電網(wǎng)存在廠站斷路器開斷能力不足的問題，威脅設(shè)備及系統(tǒng)安全運(yùn)行，應(yīng)采取應(yīng)對(duì)措施。

d）“西電東送”通道調(diào)整后，多數(shù)廠站母線直流分量衰減時(shí)間常數(shù)變化不大，因網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化，部分廠站有所下降。