考慮短路電流直流分量的福建沿海地區(qū)220 kV電網(wǎng)運(yùn)行方式研究

陳昆燦，陳榮鋒，林 謀

(1.中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350003；2.國網(wǎng)廈門供電公司，福建 廈門 361001)

0 引言

目前交流斷路器選型中，開斷短路電流能力一般僅根據(jù)短路電流交流分量有效值來校核是否在斷路器額定開斷電流范圍內(nèi)，并留有約5%的裕度。但斷路器的開斷能力由交流分量和直流分量兩個(gè)因素決定，斷路器選型時(shí)應(yīng)考慮短路電流的直流分量[1-2]。另外，華東、華中、西北等地局部電網(wǎng)直流分量問題凸顯，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)直流分量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)45 ms，直流分量衰減較為緩慢，直流分量對斷路器工作條件的影響不容忽視[3-5]。

福建沿海地區(qū)220 kV目標(biāo)網(wǎng)架以1～2座500 kV變電站(有時(shí)還接有220 kV電廠)電源為中心，通過雙環(huán)網(wǎng)供電，并為控制短路電流水平，主要考慮1座500 kV變電站自環(huán)網(wǎng)(主變并列)和2座500 kV變電站(主變分列)環(huán)網(wǎng)2種運(yùn)行方式[6]。其中1座500 kV變電站自環(huán)網(wǎng)(主變并列)運(yùn)行方式下220 kV母線側(cè)短路電流較高，交流分量有效值最高可接近45 kA，低于斷路器額定開斷電流(一般按50 kA選取)。但若計(jì)及直流分量影響，有可能超過斷路器實(shí)際開斷能力，從而需校核220 kV電網(wǎng)運(yùn)行方式。

因此，本文將計(jì)及直流分量的影響，分析比較福建沿海地區(qū)220 kV目標(biāo)網(wǎng)架采用不同運(yùn)行方式下的斷路器實(shí)際開斷能力。

1 福建沿海地區(qū)220 kV目標(biāo)網(wǎng)架及運(yùn)行方式

為保證電網(wǎng)供電可靠性，福建220 kV目標(biāo)網(wǎng)架以環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主，同時(shí)為合理控制短路電流水平，需采用相應(yīng)的500/220 kV解環(huán)措施。針對同一500 kV變電站的自環(huán)網(wǎng)、不同500 kV變電站的環(huán)網(wǎng)兩種網(wǎng)架，分別采取解環(huán)220 kV線路和解環(huán)500 kV主變兩類方案。具體比較分析如下：

第一類(同一500 kV變電站的自環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu))：500 kV變電站主變高中側(cè)合環(huán)運(yùn)行(一般配有4臺(tái)主變)，通過220 kV變電站與周邊其他500 kV變電站供區(qū)220 kV線路解環(huán)。事故時(shí)兩個(gè)500 kV變電站之間可互相提供備用，供電可靠性高，且運(yùn)行靈活。

圖1 來自同一座500 kV變電站的220 kV自環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

第二類(不同500 kV變電站的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu))：500kV主變220 kV側(cè)分列運(yùn)行(一般配有4臺(tái)主變，主變2-2分列)，在一座500 kV變電站全停的極端故障情況下同樣具有較高的轉(zhuǎn)供能力。

圖2 來自不同500 kV變電站的220 kV環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 短路電流直流分量相關(guān)規(guī)定要求

交流斷路器的開斷能力包括兩個(gè)方面：短路電流交流分量幅值以及直流分量的百分比。斷路器選型時(shí)應(yīng)考慮短路電流的直流分量[1]。

直流分量衰減的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)為45 ms。斷路器額定電壓相關(guān)的特殊工況下的直流時(shí)間常數(shù)(適用于額定電壓非常高的系統(tǒng)，一些輻射式結(jié)構(gòu)的中壓系統(tǒng)或具有特殊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或線路特性的系統(tǒng))：額定電壓72.5 kV到363 kV時(shí)為60 ms；550 kV到800kV時(shí)為75 ms[7]。

據(jù)設(shè)備廠家調(diào)研結(jié)果，1 000 kV以下斷路器額定直流時(shí)間常數(shù)一般取45 ms，其短路試驗(yàn)要求也是在滿足該額定直流時(shí)間常數(shù)下的短路開斷情況，但這并非意味著設(shè)備一定不能開斷更高直流時(shí)間常數(shù)下的短路電流，需進(jìn)一步通過短路試驗(yàn)驗(yàn)證[2]。

3 直流時(shí)間常數(shù)超標(biāo)下的斷路器實(shí)際開斷電流

3.1 直流時(shí)間常數(shù)定義

短路電流直流分量衰減時(shí)間常數(shù)Tdc=X/(Rω)，主要取決于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8-9]。隨著大容量發(fā)電機(jī)組、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)越密集、變壓器容量越大，一次設(shè)備電抗與電阻的比值X/R越大，短路電流直流分量衰減時(shí)間常數(shù)越大，直流分量衰減就越緩慢，從而降低了斷路器開斷短路電流的能力。

3.2 福建220 kV電網(wǎng)直流時(shí)間常數(shù)水平

根據(jù)對福建電網(wǎng)短路電流計(jì)算結(jié)果，在沿海負(fù)荷中心區(qū)，特別是500 kV變電站220 kV母線，雖然短路電流交流分量可控制在45 kA左右，但直流時(shí)間常數(shù)普遍超過45 ms，部分還出現(xiàn)100 ms以上。

3.3 斷路器實(shí)際開斷電流計(jì)算公式

根據(jù)GB 38755—2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》以及條文釋義與學(xué)習(xí)輔導(dǎo)，在直流分量衰減時(shí)間常數(shù)超過斷路器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)時(shí)，應(yīng)按照全電流有效值等價(jià)原則進(jìn)行開斷能力的校驗(yàn)。如果交流分量有效值≤斷路器實(shí)際開斷電流，則認(rèn)為斷路器具備開斷能力、滿足要求。具體計(jì)算公式如下：

全電流有效值計(jì)算公式如下：

式中：Ib.asym為斷路器開斷的全電流有效值，kA；為短路電流初始的交流分量有效值，kA；隨時(shí)間衰減，取分閘時(shí)刻的值；tmin為斷路器最短開斷時(shí)間(主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間+分閘時(shí)間)，s；Tdc為短路電流直流分量衰減時(shí)間常數(shù)，s。

考慮直流分量影響后，斷路器實(shí)際開斷能力對應(yīng)的交流分量數(shù)值Isc.R與額定開斷電流Isc.N的關(guān)系用下式表示：

式中：系數(shù)K即為考慮直流分量影響后的系數(shù)；Tdc.N為斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)。

由公式(3)可推導(dǎo)出，當(dāng)直流時(shí)間常數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)時(shí)，K<1，開關(guān)實(shí)際開斷能力對應(yīng)的交流分量低于額定遮斷電流；當(dāng)K＞1 時(shí)，理論上開關(guān)實(shí)際開斷能力對應(yīng)的交流分量大于額定遮斷電流，但在電網(wǎng)安全穩(wěn)定校核時(shí)這種情況下通常認(rèn)為實(shí)際開斷能力等于額定遮斷電流。

3.4 反推不同短路電流交流分量下的極限直流時(shí)間常數(shù)

根據(jù)3.3節(jié)計(jì)算公式，可推導(dǎo)出以下結(jié)果及結(jié)論：

在斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)取45 ms情況下，220 kV母線短路電流交流分量有效值在40、45 kA(分別為額定短路開斷電流)的水平下，對應(yīng)的極限直流時(shí)間常數(shù)分別約130、70 ms。

在斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)取60 ms情況下，220 kV母線短路電流交流分量有效值在40、45 kA(分別為額定短路開斷電流)的水平下，對應(yīng)的極限直流時(shí)間常數(shù)分別約200、95 ms。

斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)越大，斷路器實(shí)際開斷能力越接近額定開斷能力。

4 不同運(yùn)行方式的220 kV母線短路電流比較

選取福建沿海站點(diǎn)較為密集地區(qū)局部220 kV目標(biāo)網(wǎng)架接線圖，考慮兩種不同解環(huán)運(yùn)行方式，進(jìn)行500 kV站1的220 kV母線短路電流交流分量和直流時(shí)間常數(shù)對比分析。

解環(huán)運(yùn)行方式一：500 kV站1主變并列、自環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，并通過220 kV線路與周邊500 kV站2、3解環(huán)。

解環(huán)運(yùn)行方式二：500 kV站1主變2-2分列運(yùn)行，每2臺(tái)主變各通過220 kV線路與周邊500 kV站2、3合環(huán)運(yùn)行。

與初中語文、英語、政治等課程教學(xué)不同，數(shù)學(xué)教學(xué)邏輯性更強(qiáng)，概念知識(shí)也更加抽象。為此，在具體的數(shù)學(xué)教學(xué)中，教師為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，就可以引入相關(guān)的問題情境，借助問題情境來進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象知識(shí)的表達(dá)。在具體問題情境的設(shè)計(jì)上，教師要結(jié)合數(shù)學(xué)學(xué)科特點(diǎn)及學(xué)生的思維特點(diǎn)，讓學(xué)生積極主動(dòng)思考，同時(shí)依照問題情境探討數(shù)學(xué)知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，這樣對學(xué)生邏輯思維能力的培養(yǎng)有重要意義。

該地區(qū)局部220 kV目標(biāo)網(wǎng)架接線對應(yīng)的不同解環(huán)運(yùn)行分別如圖3～圖4所示。

圖3 解環(huán)方式一

圖4 解環(huán)方式二

4.1 計(jì)算基礎(chǔ)條件

1)500 kV站1～3主變臺(tái)數(shù)均為4臺(tái)，單臺(tái)主變?nèi)萘? 000 MVA；

2)500 kV站1供區(qū)內(nèi)還接有1座220 kV接入的電廠，接入裝機(jī)規(guī)模1 200 MW；

3)斷路器最短開斷時(shí)間tmin取40 ms；

4)斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)取45 ms和60 ms兩種情況；

5)斷路器額定開斷短路電流50 kA。

4.2 計(jì)算結(jié)果

表1 500 kV站1的220 kV斷路器實(shí)際開斷能力計(jì)算結(jié)果

1)500 kV站主變并列運(yùn)行方式下：220 kV母線短路電流交流分量有效值44.1 kA，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)109 ms。在斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)取45 ms情況下，該交流分量有效值大于斷路器實(shí)際開斷短路電流，不滿足要求；但若斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)取特殊工況下對應(yīng)的60 ms，該交流分量接近斷路器實(shí)際開斷短路電流，基本滿足要求。

2)500 kV站主變2-2分列運(yùn)行方式下：兩側(cè)220 kV母線短路電流交流分量有效值分別為40.8、42.4 kA，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)分別為86、74 ms。在斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)取45 ms、60 ms情況下，交流分量有效值均小于斷路器實(shí)際開斷短路電流，滿足要求。

3)由于500 kV站供區(qū)擴(kuò)大、交流線路更長，與500 kV站主變并列運(yùn)行方式相比，500 kV站主變2-2分列運(yùn)行方式下短路電流水平相對較低，且直流分量衰減時(shí)間常數(shù)也相應(yīng)降低，斷路器實(shí)際開斷短路電流能力更大。

5 福建沿海地區(qū)220 kV電網(wǎng)運(yùn)行方式選擇

根據(jù)同一220 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不同運(yùn)行方式下的短路電流分析比較，在計(jì)及短路電流直流分量影響后，福建沿海地區(qū)220 kV電網(wǎng)運(yùn)行方式選取原則可考慮如下：

采用500 kV站主變2-2分列運(yùn)行，每2臺(tái)主變各通過220 kV線路與周邊500 kV站合環(huán)運(yùn)行方式，220 kV短路電流交流分量以及直流時(shí)間常數(shù)均較小，在斷路器允許開斷能力內(nèi)。該運(yùn)行方式適用于沿海地區(qū)變電站布點(diǎn)密集、短路電流較大(40～45 kA)、主變?nèi)萘看?、兼有電廠的220 kV電網(wǎng)。

采用500 kV站主變并列、自環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式，220 kV短路電流交流分量以及直流時(shí)間常數(shù)均較大，特別是兼有220 kV電廠的電網(wǎng)，在斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)取45 ms情況下，超過斷路器允許開斷能力。該運(yùn)行方式適用于沿海地區(qū)末端位置、短路電流較小(不高于40 kA)、主變?nèi)萘枯^小的220 kV電網(wǎng)。

6 結(jié)論與建議

計(jì)及直流分量的影響，本文分析比較福建沿海地區(qū)220 kV目標(biāo)網(wǎng)架采用不同運(yùn)行方式下的斷路器實(shí)際開斷能力，可為后續(xù)開展電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、電網(wǎng)輸變電可行性研究、設(shè)備選型等工作中提供決策參考。具體結(jié)論包括以下幾點(diǎn)：

1)計(jì)及短路電流直流分量影響，福建沿海地區(qū)220 kV目標(biāo)電網(wǎng)不同運(yùn)行方式下有可能超過斷路器實(shí)際開斷能力，需進(jìn)一步校核220 kV電網(wǎng)運(yùn)行方式；

2)在斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)取45 ms情況下，220 kV母線短路電流交流分量有效值在40、45 kA(分別為額定短路開斷電流的)水平下，對應(yīng)的極限直流時(shí)間常數(shù)分別約130、70 ms；

3)在斷路器額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)取60 ms情況下，220 kV母線短路電流交流分量有效值在40、45 kA(分別為額定短路開斷電流的)水平下，對應(yīng)的極限直流時(shí)間常數(shù)分別約200、95 ms；

4)采用500 kV站主變2-2分列運(yùn)行，每2臺(tái)主變各通過220 kV線路與周邊500 kV站合環(huán)運(yùn)行方式適用于沿海地區(qū)變電站布點(diǎn)密集、短路電流較大(40～45 kA)、主變?nèi)萘看?、兼有電廠的220 kV電網(wǎng)；

5)采用500 kV站主變并列、自環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式適用于沿海地區(qū)末端位置、短路電流較小(不高于40 kA)、主變?nèi)萘枯^小的220 kV電網(wǎng)。

另外，為提高福建220 kV電網(wǎng)運(yùn)行靈活性與適應(yīng)性，提出以下幾點(diǎn)建議：

1)由于目前斷路器試驗(yàn)要求僅滿足額定直流時(shí)間常數(shù)下(45 ms)的短路開斷情況，建議廠家通過短路試驗(yàn)進(jìn)一步證明在超過額定直流時(shí)間常數(shù)下的短路開斷情況；

2)結(jié)合設(shè)備廠家試驗(yàn)情況，盡量選擇額定直流時(shí)間常數(shù)大于安裝地的實(shí)際短路電流直流分量時(shí)間常數(shù)的斷路器。