考慮短路電流直流分量的福建沿海地區220 kV電網運行方式研究

陳昆燦，陳榮鋒，林 謀

(1.中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福建 福州 350003；2.國網廈門供電公司，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，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因素決定，斷路器選型時應考慮短路電流的直流分量[1-2]。另外，華東、華中、西北等地局部電網直流分量問題凸顯，直流分量衰減時間常數遠超過國家標準直流分量標準時間常數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220 kV目標網架以1～2座500 kV變電站(有時還接有220 kV電廠)電源為中心，通過雙環網供電，并為控制短路電流水平，主要考慮1座500 kV變電站自環網(主變并列)和2座500 kV變電站(主變分列)環網2種運行方式[6]。其中1座500 kV變電站自環網(主變并列)運行方式下220 kV母線側短路電流較高，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)。但若計及直流分量影響，有可能超過斷路器實際開斷能力，從而需校核220 kV電網運行方式。

因此，本文將計及直流分量的影響，分析比較福建沿海地區220 kV目標網架采用不同運行方式下的斷路器實際開斷能力。

1 福建沿海地區220 kV目標網架及運行方式

為保證電網供電可靠性，福建220 kV目標網架以環網結構為主，同時為合理控制短路電流水平，需采用相應的500/220 kV解環措施。針對同一500 kV變電站的自環網、不同500 kV變電站的環網兩種網架，分別采取解環220 kV線路和解環500 kV主變兩類方案。具體比較分析如下：

第一類(同一500 kV變電站的自環網結構)：500 kV變電站主變高中側合環運行(一般配有4臺主變)，通過220 kV變電站與周邊其他500 kV變電站供區220 kV線路解環。事故時兩個500 kV變電站之間可互相提供備用，供電可靠性高，且運行靈活。

圖1 來自同一座500 kV變電站的220 kV自環網結構

第二類(不同500 kV變電站的環網結構)：500kV主變220 kV側分列運行(一般配有4臺主變，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供能力。

圖2 來自不同500 kV變電站的220 kV環網結構

2 短路電流直流分量相關規定要求

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

直流分量衰減的標準時間常數為45 ms。斷路器額定電壓相關的特殊工況下的直流時間常數(適用于額定電壓非常高的系統，一些輻射式結構的中壓系統或具有特殊系統結構或線路特性的系統)：額定電壓72.5 kV到363 kV時為60 ms；550 kV到800kV時為75 ms[7]。

據設備廠家調研結果，1 000 kV以下斷路器額定直流時間常數一般取45 ms，其短路試驗要求也是在滿足該額定直流時間常數下的短路開斷情況，但這并非意味著設備一定不能開斷更高直流時間常數下的短路電流，需進一步通過短路試驗驗證[2]。

3 直流時間常數超標下的斷路器實際開斷電流

3.1 直流時間常數定義

短路電流直流分量衰減時間常數Tdc=X/(Rω)，主要取決于網絡結構[8-9]。隨著大容量發電機組、網架結構越密集、變壓器容量越大，一次設備電抗與電阻的比值X/R越大，短路電流直流分量衰減時間常數越大，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電網直流時間常數水平

根據對福建電網短路電流計算結果，在沿海負荷中心區，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，但直流時間常數普遍超過45 ms，部分還出現100 ms以上。

3.3 斷路器實際開斷電流計算公式

根據GB 38755—2019《電力系統安全穩定導則》以及條文釋義與學習輔導，在直流分量衰減時間常數超過斷路器的標準時間常數時，應按照全電流有效值等價原則進行開斷能力的校驗。如果交流分量有效值≤斷路器實際開斷電流，則認為斷路器具備開斷能力、滿足要求。具體計算公式如下：

全電流有效值計算公式如下：

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；隨時間衰減，取分閘時刻的值；tmin為斷路器最短開斷時間(主保護動作時間+分閘時間)，s；Tdc為短路電流直流分量衰減時間常數，s。

考慮直流分量影響后，斷路器實際開斷能力對應的交流分量數值Isc.R與額定開斷電流Isc.N的關系用下式表示：

式中：系數K即為考慮直流分量影響后的系數；Tdc.N為斷路器額定標準時間常數。

由公式(3)可推導出，當直流時間常數大于標準時間常數時，K<1，開關實際開斷能力對應的交流分量低于額定遮斷電流；當K＞1 時，理論上開關實際開斷能力對應的交流分量大于額定遮斷電流，但在電網安全穩定校核時這種情況下通常認為實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間常數

根據3.3節計算公式，可推導出以下結果及結論：

在斷路器額定標準時間常數取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，對應的極限直流時間常數分別約130、70 ms。

在斷路器額定標準時間常數取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，對應的極限直流時間常數分別約200、95 ms。

斷路器額定標準時間常數越大，斷路器實際開斷能力越接近額定開斷能力。

4 不同運行方式的220 kV母線短路電流比較

選取福建沿海站點較為密集地區局部220 kV目標網架接線圖，考慮兩種不同解環運行方式，進行500 kV站1的220 kV母線短路電流交流分量和直流時間常數對比分析。

解環運行方式一：500 kV站1主變并列、自環網運行，并通過220 kV線路與周邊500 kV站2、3解環。

解環運行方式二：500 kV站1主變2-2分列運行，每2臺主變各通過220 kV線路與周邊500 kV站2、3合環運行。

與初中語文、英語、政治等課程教學不同，數學教學邏輯性更強，概念知識也更加抽象。為此，在具體的數學教學中，教師為了更好地培養學生的邏輯思維能力，就可以引入相關的問題情境，借助問題情境來進行數學抽象知識的表達。在具體問題情境的設計上，教師要結合數學學科特點及學生的思維特點，讓學生積極主動思考，同時依照問題情境探討數學知識間的內在聯系，這樣對學生邏輯思維能力的培養有重要意義。

該地區局部220 kV目標網架接線對應的不同解環運行分別如圖3～圖4所示。

圖3 解環方式一

圖4 解環方式二

4.1 計算基礎條件

1)500 kV站1～3主變臺數均為4臺，單臺主變容量1 000 MVA；

2)500 kV站1供區內還接有1座220 kV接入的電廠，接入裝機規模1 200 MW；

3)斷路器最短開斷時間tmin取40 ms；

4)斷路器額定標準時間常數取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 計算結果

表1 500 kV站1的220 kV斷路器實際開斷能力計算結果

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

2)500 kV站主變2-2分列運行方式下：兩側220 kV母線短路電流交流分量有效值分別為40.8、42.4 kA，直流分量衰減時間常數分別為86、74 ms。在斷路器額定標準時間常數取45 ms、60 ms情況下，交流分量有效值均小于斷路器實際開斷短路電流，滿足要求。

3)由于500 kV站供區擴大、交流線路更長，與500 kV站主變并列運行方式相比，500 kV站主變2-2分列運行方式下短路電流水平相對較低，且直流分量衰減時間常數也相應降低，斷路器實際開斷短路電流能力更大。

5 福建沿海地區220 kV電網運行方式選擇

根據同一220 kV網架結構不同運行方式下的短路電流分析比較，在計及短路電流直流分量影響后，福建沿海地區220 kV電網運行方式選取原則可考慮如下：

采用500 kV站主變2-2分列運行，每2臺主變各通過220 kV線路與周邊500 kV站合環運行方式，220 kV短路電流交流分量以及直流時間常數均較小，在斷路器允許開斷能力內。該運行方式適用于沿海地區變電站布點密集、短路電流較大(40～45 kA)、主變容量大、兼有電廠的220 kV電網。

采用500 kV站主變并列、自環網運行方式，220 kV短路電流交流分量以及直流時間常數均較大，特別是兼有220 kV電廠的電網，在斷路器額定標準時間常數取45 ms情況下，超過斷路器允許開斷能力。該運行方式適用于沿海地區末端位置、短路電流較小(不高于40 kA)、主變容量較小的220 kV電網。

6 結論與建議

計及直流分量的影響，本文分析比較福建沿海地區220 kV目標網架采用不同運行方式下的斷路器實際開斷能力，可為后續開展電網規劃設計、電網輸變電可行性研究、設備選型等工作中提供決策參考。具體結論包括以下幾點：

1)計及短路電流直流分量影響，福建沿海地區220 kV目標電網不同運行方式下有可能超過斷路器實際開斷能力，需進一步校核220 kV電網運行方式；

2)在斷路器額定標準時間常數取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，對應的極限直流時間常數分別約130、70 ms；

3)在斷路器額定標準時間常數取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，對應的極限直流時間常數分別約200、95 ms；

4)采用500 kV站主變2-2分列運行，每2臺主變各通過220 kV線路與周邊500 kV站合環運行方式適用于沿海地區變電站布點密集、短路電流較大(40～45 kA)、主變容量大、兼有電廠的220 kV電網；

5)采用500 kV站主變并列、自環網運行方式適用于沿海地區末端位置、短路電流較小(不高于40 kA)、主變容量較小的220 kV電網。

另外，為提高福建220 kV電網運行靈活性與適應性，提出以下幾點建議：

1)由于目前斷路器試驗要求僅滿足額定直流時間常數下(45 ms)的短路開斷情況，建議廠家通過短路試驗進一步證明在超過額定直流時間常數下的短路開斷情況；

2)結合設備廠家試驗情況，盡量選擇額定直流時間常數大于安裝地的實際短路電流直流分量時間常數的斷路器。