秦山核电一线四机运行时的开关站电流分配研究

谢金平，楼开宏

（中核集团秦山核电有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

秦山核电二、三期联合开关站有4回500kV出线，其中2回至王店变，2回至乔司变。联合开关站现已投入运行的机组共有5台，其中二期1号、2号机组为650 MW，新扩建的3号机组为660 MW，三期2台728 MW机组。目前秦山二期正在扩建的4号机组容量为660 MW，计划于2012年1月并网。待二期4号机组投运后，联合开关站将有6台机组接入运行。

在配合铁路和公路的建设、电网结构调整、线路改造和大检修等情况下，联合开关站有可能出现2回同塔线路在较长时间（数天以上）同时停电的情况。为尽量减小线路停电对机组出力的影响，上述需要2回线路停电的工作一般会安排在二、三期各有1台机组停堆检修期间实施，故届时联合开关站将会出现二线四机运行的工况。

由于电网要求核电机组二线四机运行时仍能满足线路N-1故障准则，即当2回线路中的任意一回失去时另一回线路仍能将4台机组的电力安全稳定地送出。若1回线路不能保证4台机组满出力时，将有可能要求发电厂降低机组出力至安全水平。

由于开关站内设备的额定电流只有2000 A，而4台机组上网总电流接近3000 A，因此若站内电流分配不均，就有可能成为限制机组出力的瓶颈。受篇幅限制，仅针对联合开关站至王店变的2回秦王线路为配合秦山核电厂扩建项目（方家山核电工程）接入电网而改接至海宁变期间，开关站内的电流分布情况进行分析，分析结论同样适用于秦乔2回线路出线4台机组运行时的情况。

1 联合开关站电气主接线及参数

联合开关站主接线如图1所示。图1中三期1号、2号机组通过主变升压经500kV架空线路接入开关站的第5串和第6串，而二期正在扩建的3号、4号机组分别接入联合开关站的2个不完整串（第1串和第2串）中。

图1 秦山二、三期联合开关站主接线图

开关站一次设备的额定电流[1]如表1所示。开关站采用断路器一字形布置方案。

表1 联合开关站一次设备的额定电流 A

2 联合开关站的电路仿真模型

由于联合开关站采用一个半断路器接线，电气回路节点数量较多。为便于分析，根据图1并考虑到二期3号、4号机组投产后以不完整串接入开关站的方式，建立了秦王5415与5416线路改接期间的电路仿真模型，如图2所示。图2中Ⅱ-1号和Ⅲ-2号分别表示二期1号机组和三期2号机组，其余类同。

2.1 仿真模型说明

（1）将每个断路器间隔作为1个支路。支路阻抗以集中参数表示，忽略各支路导体对地分布电容的影响。

（2）设有电流测量模块，用于测量每个支路的电流。

（3）为便于分析，将各机组的上网出力换算为电流，并以理想电流源替代发电机。电流源的一端接地，另一端将电流注入开关站。由于计算软件MATLAB/Simulink不允许电流源直接与电感元件串联，否则计算时会报错，所以需要在图2中每个电流源的两端各并接1个大电阻，如图2中所示的R1-R6。为忽略上述电阻的分流作用，可取R1-R6的值均等于100 MΩ。

图2 联合开关站的电路仿真模型

（4）在只有1回线路运行的情况下，开关站内电流分布仅取决于站内各断路器支路的阻抗，与外部线路的参数无关，故可将模型中运行的输电线路接地，使得各电流源（发电机）注入开关站的电流经各支路阻抗元件和输电线路后能够再回流到各电流源。

（5）为便于分析，假定各电流源的相位相同。实际上，在相位各不相同的情况下，各电流相量和的模必然小于或等于各相量模的代数和，即有

上述不等式的等号当且仅当各电流相位相同时才成立。也就是说，实际注入开关站的总电流以及从线路流出的电流会比计算采用的小，因此假设各电流源同相位对于分析设备是否过载来说是偏于保守的。

2.2 模型参数

2.2.1 电流源参数

秦山二期老机组满发时，单机上网的出力为642 MW，电流为720 A；秦山三期满发时，单机上网出力为681 MW，电流为760 A。考虑到二期新机组铭牌功率比老机组大10 MW，故二期新机组按上网出力650 MW考虑，对应电流为730 A。

2.2.2 断路器支路的阻抗

断路器支路的阻抗以集中参数表示，忽略各支路导体对地分布电容的影响。根据开关站布置图，可知完整串的边断路器支路长度约为12.2 m，中间断路器支路长度约为9.9 m；不完整串中与Ⅰ母连接的断路器支路长度约为10.7 m，与Ⅱ母连接的断路器支路长度约为9.7 m。

根据GIS厂家三菱电机提供的参数，单位长度导体电感约为0.25×10-6μΩ/m，边断路器支路的直流电阻约为130 μΩ。计算得各断路器支路的直流电阻、感抗和阻抗如表2所示。

由表2可见，由于直流电阻较小，各断路器支路阻抗的大小主要取决于感抗的大小。GIS的导体为同轴结构，空心铝导体为内导体，铝合金外壳为外导体。在低频时，单位长度导体的电感量仅取决于内、外导体的内径和外径结构尺寸。因此，对于给定的GIS设备来说，其导体在工频时的单位长度电感量就是一个恒定值。

表2 各断路器的支路阻抗

2.2.3 母线支路的阻抗

为便于分析，假定：

（1）各母线支路与断路器支路单位长度的直流电阻和电感均相等。

（2）对于连接2个完整串（或不完整串）的母线支路，其长度等于完整串（或不完整串）内各断路器长度之和；而对于连接1个完整串和1个不完整串的母线支路，则其长度等于1个不完整串内各断路器长度之和，或等于1个完整串内各断路器长度之和，具体与GIS的布置有关。

各母线段支路的直流电阻、感抗和阻抗如表3所示。

表3 各母线支路的阻抗

3 二线四机工况线路N-1时站内电流分配

3.1 Ⅱ-2号和Ⅲ-2号机组检修

开关站初始状态：其余4台机组运行，秦乔5413和5414线路运行，秦王5415和5416线路停役。由于与Ⅲ-2号机组在同一串的5415线路停运，故可删除图2中的第5串。由于5414线路和Ⅲ-1号机组在运行，故第4串和第6串应保持完整串运行方式，仅将Ⅱ-2号机组和5416线路单独隔离出串。

3.1.1 秦乔5414线跳闸

在初始状态的基础上，考虑到秦乔5414线路跳闸，故可进一步删除图2中的第4串。

将表2和表3中的各支路直流电阻和电感参数代入仿真模型进行分析，各支路电流分配结果如表4所示。可见，仅秦乔5413线运行时，支路电流i32最大，但该支路未过载。

表4 5414线跳闸后各支路电流 A

由图2及表4可知，联合开关站设备的载流能力主要取决于与5413线路直接相连的31和32支路是否过载，而与其余支路关系不大。在注入开关站的总电流不变的情况下，支路阻抗Z31，Z32和Z33的相对大小对支路电流i31与i32的影响最大。

考虑到图2中各支路的实际长度与计算长度存在差异，而且各支路的直流电阻也可能由于断路器和隔离开关的动、静触头接触性能不同而存在较大的差异。为考察支路阻抗异常对i31或i32的影响，考虑到极端情况，假定3个支路31，32和33中任一支路的长度（感抗）增加20%，同时使该支路的直流电阻不断增大，直至使i31或i32接近或达到2000 A。计算结果如表5所示。

表5 5414线跳闸后第3串阻抗异常时的支路电流

由表5可知，在Z31，Z32和Z33任一阻抗的感抗分量增大20%且电阻分量分别增大23.5倍、49倍和99倍的3种极端情况下，才有可能使i31或i32接近或达到断路器的额定电流。

3.1.2 秦乔5413线跳闸

在初始状态的基础上，由于秦乔5413线跳闸，需将与之连接的支路31和32均断开，Ⅱ-1号机组通过支路33与母线相连。计算结果如表6所示。

由表6可见，秦乔5413线跳闸后，支路电流i43最大，但该支路未过载。

同样，考虑到Z41，Z42和Z43任一阻抗参数异常的情况，计算结果如表7所示。

表6 5413线跳闸后各支路电流 A

表7 5413线跳闸后第4串阻抗异常时的支路电流

由表7可知，在Z41，Z42和Z43任一阻抗的感抗分量增大20%且电阻分量分别增大26倍、33倍和53倍的3种极端情况下，才有可能使i42（i41）或i43接近或达到断路器的额定电流。

3.2 Ⅱ-1号和Ⅲ-1号机组检修

图2中开关站初始状态：其余4台机组运行，秦乔5413和5414线路运行，秦王5415和5416线路停役。由于与Ⅲ-1号机组在同一串的5416线路停运，故可删除图2中的第6串。由于5413线路和Ⅲ-2号机组在运行，故第3串和第5串应保持完整串运行方式，仅将Ⅱ-1号机组和5415线路单独隔离出串。

假设各支路阻抗正常，仿真分析结果为：

（1）5414线跳闸后，i31=1695 A，i32=1245 A，i33=1245 A，比表4中第3串各支路的电流均衡。

（2）5413线跳闸后，i41=891 A，i42=1611 A，i43=1329 A，比表6中第4串各支路的电流均衡。

3.3 Ⅱ-3号检修和Ⅱ-4号检修或未发电

对秦王线路改接期间有可能遇到的Ⅱ-3号机组停机检修，且Ⅱ-4号机组也检修或尚未并网发电的情况进行分析。

图2中开关站初始状态：其余4台接入完整串的机组运行，秦乔5413和5414线路运行，秦王5415和5416线路停役。删除第1串和第2串，第3-6串应保持完整串运行，仅将5415和5416线路单独隔离出串。

假定各支路阻抗参数正常，仿真分析结果为：

（1）5414线跳闸后，i31=1404 A，i32=1556 A，i33=836 A，比表4中第3串各支路的电流均衡。

（2）5413线跳闸后，i41=744 A，i42=1464 A，i43=1496 A，比表6中第4串各支路的电流均衡。

需注意的是，若第5串和第6串为不完整串运行，由图2及本节开关站初始状态可知，当秦乔任一回线路跳闸时，开关站都会有支路（i31或i42）过载，电流可达2240 A（3台机组电流之和）。因此，应尽可能避免出现该运行方式。

4 结语

在联合开关站二线四机运行且不考虑站内各支路阻抗严重异常的情况下，当发生线路N-1故障时，可得出以下分析结论：

（1）若是接入完整串的2台机组停机检修，则在其余4台机组满出力的情况下，2回线路中的任一回跳闸都不会导致开关站内的设备过载。

（2）接入不完整串的2台机组（二期3号、4号）停机，在其余4台机组满出力的情况下，为预防线路N-1时开关站内设备过载，第5串和第6串应为完整串运行，仅将需要停电的秦王5415和5416线路单独隔离出串。

[1]魏国明.秦山二期500kV GIS开关站及其受电试验[J].核电工程与技术，2003，16（2）∶30-36.

[2]卡兰塔罗ПЛ，采伊特林ПЛ.电感计算手册[M].陈汤铭译.北京：机械工业出版社，1992.

[3]李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京：中国电力出版社，2007.