按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行厄瓜多爾SOPLADORA水電站的GCB選擇用短路電流計(jì)算

羅 曦王心琦余 丹

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川 成都 610072)

按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行厄瓜多爾SOPLADORA水電站的GCB選擇用短路電流計(jì)算

羅 曦1王心琦2余 丹3

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川 成都 610072)

在大力發(fā)展國(guó)際水電工程市場(chǎng)的形勢(shì)下，正確理解國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及其與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的差異尤為重要。目前國(guó)外以及國(guó)內(nèi)水電站在水輪發(fā)電機(jī)出口通常都設(shè)置有發(fā)電機(jī)斷路器（GCB）。按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的以對(duì)稱電流為基礎(chǔ)的短路電流計(jì)算對(duì)于GCB分?jǐn)嗄芰?shù)的選擇是獲得外方業(yè)主或咨詢公司審批的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行后續(xù)采購、設(shè)備驗(yàn)收等工作的重要前提。本文以IEEE Std C37.013?-1997 (R2008)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，以厄瓜多爾SOPLADORA水電站發(fā)電機(jī)電壓短路電流計(jì)算為例，簡(jiǎn)要介紹按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行GCB選擇用短路電流計(jì)算的特點(diǎn)。

1 工程概述

SOPLADORA水電站位于厄瓜多爾西部莫羅納-圣地亞哥省(Morona-Santiago)的東部保特河上，是河流規(guī)劃開發(fā)的四級(jí)電站中自上而下的第 3級(jí)。本電站為徑流式電站，采用引水式開發(fā)。電站裝機(jī)3臺(tái)，總裝機(jī)容量486MW，以5回230kV出線接入電網(wǎng)。

2 輸入資料

電站電氣主接線簡(jiǎn)圖如圖1：

圖1 電氣主接線簡(jiǎn)圖

在進(jìn)行GCB處短路電流計(jì)算時(shí)所需的主要輸入條件包括：水輪發(fā)電機(jī)組、主變壓器、廠用變壓器的電氣參數(shù)、電力系統(tǒng)電氣參數(shù)以及電氣主接線型式。

SOPLADORA水電站發(fā)電機(jī)額定容量為180MVA，額定電壓為13.8kV，額定頻率為60Hz，直軸次瞬態(tài)電抗的標(biāo)幺值為0.229。發(fā)電機(jī)-變壓器組采用單元接線，主變壓器額定電壓為 230kV，額定容量 190MVA，額定電壓下短路電抗的標(biāo)幺值為0.13。

國(guó)外項(xiàng)目中系統(tǒng)側(cè)電氣參數(shù)通常采用PSAPS、BPA、Powerfactory等商用電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件計(jì)算，也有用 MATLAB軟件的相關(guān)組件進(jìn)行仿真計(jì)算。以SOPLADORA水電站為例，厄瓜多爾電力公司采用Powerfactory軟件計(jì)算了在設(shè)計(jì)水平年2022年系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下歸算至本電站230kV母線的三相對(duì)稱短路電流值為21.316kA，見圖1中短路點(diǎn)“c”。該計(jì)算值已經(jīng)包含了本電站三臺(tái)機(jī)組對(duì)230kV母線短路點(diǎn)提供的電機(jī)源短路電流。

3 要求的GCB設(shè)備對(duì)短路電流有關(guān)所要求的能力

國(guó)外項(xiàng)目合同中通常會(huì)要求設(shè)計(jì)院在進(jìn)行電氣主接線圖紙報(bào)審時(shí)附帶主要電氣設(shè)備的參數(shù)選擇計(jì)算書，對(duì)于GCB，通常要求應(yīng)滿足IEEE Std C37.013?標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。根據(jù)IEEE Std C37.013-1997 (R2008)的7.3.5.3條，GCB設(shè)備應(yīng)具備以下與短路電流有關(guān)的能力：

a) 系統(tǒng)源短路電流：

● 對(duì)稱開斷能力；

● 非對(duì)稱開斷能力；

● 短時(shí)電流承載能力；

b) 發(fā)電機(jī)源短路電流：

● 對(duì)稱開斷能力；

● 非對(duì)稱開斷能力；

● 相對(duì)于最大非對(duì)稱度的非對(duì)稱開斷能力；

c) 發(fā)電機(jī)源或系統(tǒng)源：峰值耐受能力。

4 按照IEEE Std C37.013? 的方法進(jìn)行短路電流計(jì)算的過程和結(jié)果

參見圖1，若在“a”點(diǎn)發(fā)生短路故障，流過GCB的是系統(tǒng)源短路電流；若在“b”點(diǎn)發(fā)生短路故障，流過 GCB的是電機(jī)源短路電流。下面分別進(jìn)行系統(tǒng)源和電機(jī)源短路電流計(jì)算。

1) 系統(tǒng)源短路電流計(jì)算

230 kV側(cè)短路電流為21.316 kA，歸算至13.8 kV側(cè)的計(jì)算電抗如下：

主變壓器的計(jì)算電抗如下：

因此，由電網(wǎng)和#2、#3機(jī)組提供的三相短路電流對(duì)稱分量計(jì)算如下：

因系統(tǒng)側(cè)電抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻值，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)很大，短路電流可近似看作不衰減。

此外，本電站GCB主變側(cè)經(jīng)1臺(tái)廠用變壓器連接廠用電系統(tǒng)，廠用變壓器額定容量為1.6 MVA，短路電抗標(biāo)幺值為0.06，利用廠用變壓器的電氣參數(shù)計(jì)算出時(shí)間常數(shù)為15.84 ms，保守考慮嚴(yán)重情況為所有電機(jī)同時(shí)全部投入運(yùn)行的情況，電動(dòng)機(jī)綜合的最大額定值為1.6 MVA。廠用電系統(tǒng)短路阻抗如下：

來自廠用電分支回路的初始對(duì)稱短路電流的有效值計(jì)算如下：

這個(gè)初始電流是衰減的，按58.3 ms的發(fā)電機(jī)斷路器主弧觸頭分離時(shí)間（分閘時(shí)間50 ms加上0.5周波的脫扣時(shí)延），衰減倍數(shù)估計(jì)為0.85，則來自廠用電系統(tǒng)的對(duì)稱短路電流成分的有效值為0.22 kA。

綜上，經(jīng)過發(fā)電機(jī)斷路器的系統(tǒng)源對(duì)稱短路電流包括經(jīng)變壓器提供的短路電流和經(jīng)廠用變壓器提供的短路電流，合計(jì)為52.40kA。

根據(jù)系統(tǒng)側(cè)的等效短路阻抗資料，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)為44.75 ms。根據(jù)系統(tǒng)側(cè)歸算至13.8 kV側(cè)的計(jì)算電抗，可以計(jì)算系統(tǒng)側(cè)歸算到13.8kV側(cè)的計(jì)算電阻值為：

根據(jù)主變壓器的電氣參數(shù)，主變壓器的時(shí)間常數(shù)為140.88 ms。根據(jù)主變壓器計(jì)算電抗可以計(jì)算得出升壓變壓器電阻為：

因此，在主弧觸頭分離時(shí)刻的短路電流非對(duì)稱度（即直流分量與總系統(tǒng)源對(duì)稱短路電流峰值的比值）為57.81 %。

2) 發(fā)電機(jī)源短路電流

根據(jù)IEEE Std C37.013?標(biāo)準(zhǔn)，在空載條件下，發(fā)電機(jī)源對(duì)稱短路電流可用下述公式計(jì)算(IEEE Std C37.013 )：

式中：U —— 為額定最高電壓，P —— 為發(fā)電機(jī)額定功率，其電抗是pu。

根據(jù)上式可以計(jì)算得出，在主弧觸頭分離時(shí)間瞬間（t=0s），發(fā)電機(jī)源對(duì)稱短路電流為29.60kA：在主弧觸頭分離時(shí)間等于58.3 ms時(shí)，發(fā)電機(jī)源對(duì)稱短路電流為26.77kA。發(fā)電機(jī)在額定負(fù)載下，相電勢(shì)大于相電壓，因此其短路電流會(huì)略大于空載條件情況下的短路電流，在缺乏資料的情況下，可按1.1倍系數(shù)估計(jì)。由于發(fā)電機(jī)斷路器經(jīng)受的總系統(tǒng)源對(duì)稱短路電流為52.40kA，遠(yuǎn)大于空載條件下的發(fā)電機(jī)源對(duì)稱短路電流，因此GCB的對(duì)稱開斷能力受系統(tǒng)源對(duì)稱短路電流控制，選定的GCB通常能滿足空載和額定負(fù)載條件下開斷發(fā)電機(jī)源短路電流的要求，因此IEEE Std C37.013?標(biāo)準(zhǔn)只要求計(jì)算空載條件下發(fā)電機(jī)源對(duì)稱短路電流。

經(jīng)計(jì)算，在發(fā)電機(jī)斷路器主弧觸頭分離時(shí)刻（58.3 ms），發(fā)電機(jī)源短路電流的直流分量為35.13kA。

因此，在主弧觸頭分離時(shí)刻的非對(duì)稱度（即直流分量與發(fā)電機(jī)源對(duì)稱短路電流峰值的比值）為92.13 %。

在短路故障前，如發(fā)電機(jī)欠勵(lì)磁狀態(tài)下進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱性最大值。在這種情況下，直流分量可能比空載情況下較大。根據(jù)IEEE Std C37.013?，對(duì)于發(fā)電機(jī)處于欠勵(lì)磁狀態(tài)來說，無法給出短路電流的近似計(jì)算公式，只能用適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)程序計(jì)算，因此要求最大非對(duì)稱度時(shí)的非對(duì)稱開斷能力時(shí)，其電流的最大非對(duì)稱度為這種條件下對(duì)稱短路電流峰值的130%。且在最大非對(duì)稱度條件下，短路電流的對(duì)稱分量?jī)H為要求的發(fā)電機(jī)源對(duì)稱開斷電流的74%。

因此，在發(fā)電機(jī)欠勵(lì)磁狀態(tài)下進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，GCB的直流分量開斷能力應(yīng)按36.42kA校核。

3) 發(fā)電機(jī)源和系統(tǒng)源短路電流峰值

發(fā)電機(jī)源和系統(tǒng)源短路電流峰值用于校驗(yàn)GCB的峰值短路電流耐受能力。在1/2周波時(shí)，短路電流達(dá)到峰值。

在1/2周波時(shí)（t=8.3 ms）系統(tǒng)源的短路電流峰值為：

根據(jù)IEEE Std C37.013-1997標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于發(fā)電機(jī)在空載狀態(tài)下具有最大非對(duì)稱度的那一相的發(fā)電機(jī)源短路電流，可由下述公式計(jì)算：

式中：P —— 為額定功率，U —— 為額定最高電壓

根據(jù)發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)，在1/2周波（t=8.3 ms）時(shí)，具有最大非對(duì)稱性的那相的發(fā)電機(jī)源非對(duì)稱短路電流峰值為81.92kA。

4) 計(jì)算結(jié)果：

項(xiàng)目 系統(tǒng)源短路電流（kA）發(fā)電機(jī)源短路電流（kA）對(duì)稱開斷能力 52.40 29.60非對(duì)稱開斷能力 42.84 35.13相對(duì)于最大非對(duì)稱度的非對(duì)稱開斷能力 — 36.42斷路器峰值耐受能力 142.69 81.92

2 小結(jié)

1) 對(duì)于國(guó)外項(xiàng)目的發(fā)電機(jī)電壓短路電流計(jì)算來說，收集業(yè)主電力系統(tǒng)的以下資料尤為重要：最大運(yùn)行方式下設(shè)計(jì)水平年歸算到水電站高壓母線上的三相短路電流值、系統(tǒng)等效阻抗。

2) 針對(duì)外方業(yè)主按照IEEE Std C37.013?標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審核的要求，嚴(yán)格遵照該標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法和計(jì)算內(nèi)容，以保證報(bào)批計(jì)算書順利通過審批，為GCB的選型和采購提供先決條件。

3) 在計(jì)算書編寫時(shí)，應(yīng)確定發(fā)電機(jī)和主變壓器的所有電氣參數(shù)，如發(fā)電機(jī)電壓側(cè)的主接線型式為擴(kuò)大單元接線，應(yīng)根據(jù)所有設(shè)備的電氣參數(shù)計(jì)算GCB兩側(cè)的等效阻抗。

4) 值得注意的是，發(fā)電機(jī)在欠勵(lì)磁狀態(tài)下進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱性最大值。在這種情況下，直流分量可能比空載情況下較大，應(yīng)以此較大值作為GCB發(fā)電機(jī)源非對(duì)稱開斷能力的判斷標(biāo)準(zhǔn)，以SOPLADORA水電站的計(jì)算結(jié)果看來，不會(huì)造成GCB選型的差別。

5) 空載狀態(tài)下的發(fā)電機(jī)源三相非對(duì)稱短路電流，未考慮故障點(diǎn)電弧電壓的影響，由于發(fā)電機(jī)斷路器的電弧電壓的影響，使電弧電阻不是恒定的，因此短路電流的直流分量不按指數(shù)下降。因此按照金屬性短路故障不考慮故障點(diǎn)的電弧電壓影響的情況下，將能得出GCB發(fā)電機(jī)源非對(duì)稱短路電流開斷的最大值。

[1]水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組 ，《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》電氣一次，水利電力出版社.

[2]水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》DL-T 5186-2004.中國(guó)電力出版社.2004

[3].IEEE,《IEEE Standard for AC High-Voltage Generator Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Currnet Basis》,IEEE std C37.013TM

[4]新東北電氣（沈陽）高壓開關(guān)有限公司,《高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器》,I中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2008

G322

B

1007-6344（2016）10-0198-02

羅曦（1984—）男，漢族，大學(xué)本科，工程師，主要從事電氣一次設(shè)計(jì)工作。

王心琦（1983—）男，漢族，碩士研究生，工程師，主要從事電氣一次設(shè)計(jì)工作。

余丹（1980—）男，漢族，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事電氣一次設(shè)計(jì)工作。