按照IEEE标准进行厄瓜多尔SOPLADORA水电站的GCB选择用短路电流计算

罗 曦王心琦余 丹

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 四川 成都 610072)

按照IEEE标准进行厄瓜多尔SOPLADORA水电站的GCB选择用短路电流计算

罗 曦1王心琦2余 丹3

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 四川 成都 610072)

在大力发展国际水电工程市场的形势下，正确理解国际标准及其与中国标准的差异尤为重要。目前国外以及国内水电站在水轮发电机出口通常都设置有发电机断路器（GCB）。按照IEEE标准进行的以对称电流为基础的短路电流计算对于GCB分断能力参数的选择是获得外方业主或咨询公司审批的基础，也是进行后续采购、设备验收等工作的重要前提。本文以IEEE Std C37.013™-1997 (R2008)标准为依据，以厄瓜多尔SOPLADORA水电站发电机电压短路电流计算为例，简要介绍按照IEEE标准进行GCB选择用短路电流计算的特点。

1 工程概述

SOPLADORA水电站位于厄瓜多尔西部莫罗纳-圣地亚哥省(Morona-Santiago)的东部保特河上，是河流规划开发的四级电站中自上而下的第 3级。本电站为径流式电站，采用引水式开发。电站装机3台，总装机容量486MW，以5回230kV出线接入电网。

2 输入资料

电站电气主接线简图如图1：

图1 电气主接线简图

在进行GCB处短路电流计算时所需的主要输入条件包括：水轮发电机组、主变压器、厂用变压器的电气参数、电力系统电气参数以及电气主接线型式。

SOPLADORA水电站发电机额定容量为180MVA，额定电压为13.8kV，额定频率为60Hz，直轴次瞬态电抗的标幺值为0.229。发电机-变压器组采用单元接线，主变压器额定电压为 230kV，额定容量 190MVA，额定电压下短路电抗的标幺值为0.13。

国外项目中系统侧电气参数通常采用PSAPS、BPA、Powerfactory等商用电力系统计算分析软件计算，也有用 MATLAB软件的相关组件进行仿真计算。以SOPLADORA水电站为例，厄瓜多尔电力公司采用Powerfactory软件计算了在设计水平年2022年系统最大运行方式下归算至本电站230kV母线的三相对称短路电流值为21.316kA，见图1中短路点“c”。该计算值已经包含了本电站三台机组对230kV母线短路点提供的电机源短路电流。

3 要求的GCB设备对短路电流有关所要求的能力

国外项目合同中通常会要求设计院在进行电气主接线图纸报审时附带主要电气设备的参数选择计算书，对于GCB，通常要求应满足IEEE Std C37.013™标准的相关要求。根据IEEE Std C37.013-1997 (R2008)的7.3.5.3条，GCB设备应具备以下与短路电流有关的能力：

a) 系统源短路电流：

● 对称开断能力；

● 非对称开断能力；

● 短时电流承载能力；

b) 发电机源短路电流：

● 对称开断能力；

● 非对称开断能力；

● 相对于最大非对称度的非对称开断能力；

c) 发电机源或系统源：峰值耐受能力。

4 按照IEEE Std C37.013™ 的方法进行短路电流计算的过程和结果

参见图1，若在“a”点发生短路故障，流过GCB的是系统源短路电流；若在“b”点发生短路故障，流过 GCB的是电机源短路电流。下面分别进行系统源和电机源短路电流计算。

1) 系统源短路电流计算

230 kV侧短路电流为21.316 kA，归算至13.8 kV侧的计算电抗如下：

主变压器的计算电抗如下：

因此，由电网和#2、#3机组提供的三相短路电流对称分量计算如下：

因系统侧电抗值远远大于电阻值，系统时间常数很大，短路电流可近似看作不衰减。

此外，本电站GCB主变侧经1台厂用变压器连接厂用电系统，厂用变压器额定容量为1.6 MVA，短路电抗标幺值为0.06，利用厂用变压器的电气参数计算出时间常数为15.84 ms，保守考虑严重情况为所有电机同时全部投入运行的情况，电动机综合的最大额定值为1.6 MVA。厂用电系统短路阻抗如下：

来自厂用电分支回路的初始对称短路电流的有效值计算如下：

这个初始电流是衰减的，按58.3 ms的发电机断路器主弧触头分离时间（分闸时间50 ms加上0.5周波的脱扣时延），衰减倍数估计为0.85，则来自厂用电系统的对称短路电流成分的有效值为0.22 kA。

综上，经过发电机断路器的系统源对称短路电流包括经变压器提供的短路电流和经厂用变压器提供的短路电流，合计为52.40kA。

根据系统侧的等效短路阻抗资料，系统时间常数为44.75 ms。根据系统侧归算至13.8 kV侧的计算电抗，可以计算系统侧归算到13.8kV侧的计算电阻值为：

根据主变压器的电气参数，主变压器的时间常数为140.88 ms。根据主变压器计算电抗可以计算得出升压变压器电阻为：

因此，在主弧触头分离时刻的短路电流非对称度（即直流分量与总系统源对称短路电流峰值的比值）为57.81 %。

2) 发电机源短路电流

根据IEEE Std C37.013™标准，在空载条件下，发电机源对称短路电流可用下述公式计算(IEEE Std C37.013 )：

式中：U —— 为额定最高电压，P —— 为发电机额定功率，其电抗是pu。

根据上式可以计算得出，在主弧触头分离时间瞬间（t=0s），发电机源对称短路电流为29.60kA：在主弧触头分离时间等于58.3 ms时，发电机源对称短路电流为26.77kA。发电机在额定负载下，相电势大于相电压，因此其短路电流会略大于空载条件情况下的短路电流，在缺乏资料的情况下，可按1.1倍系数估计。由于发电机断路器经受的总系统源对称短路电流为52.40kA，远大于空载条件下的发电机源对称短路电流，因此GCB的对称开断能力受系统源对称短路电流控制，选定的GCB通常能满足空载和额定负载条件下开断发电机源短路电流的要求，因此IEEE Std C37.013™标准只要求计算空载条件下发电机源对称短路电流。

经计算，在发电机断路器主弧触头分离时刻（58.3 ms），发电机源短路电流的直流分量为35.13kA。

因此，在主弧触头分离时刻的非对称度（即直流分量与发电机源对称短路电流峰值的比值）为92.13 %。

在短路故障前，如发电机欠励磁状态下进相运行时，会出现非对称性最大值。在这种情况下，直流分量可能比空载情况下较大。根据IEEE Std C37.013™，对于发电机处于欠励磁状态来说，无法给出短路电流的近似计算公式，只能用适当的计算机程序计算，因此要求最大非对称度时的非对称开断能力时，其电流的最大非对称度为这种条件下对称短路电流峰值的130%。且在最大非对称度条件下，短路电流的对称分量仅为要求的发电机源对称开断电流的74%。

因此，在发电机欠励磁状态下进相运行时，GCB的直流分量开断能力应按36.42kA校核。

3) 发电机源和系统源短路电流峰值

发电机源和系统源短路电流峰值用于校验GCB的峰值短路电流耐受能力。在1/2周波时，短路电流达到峰值。

在1/2周波时（t=8.3 ms）系统源的短路电流峰值为：

根据IEEE Std C37.013-1997标准，对于发电机在空载状态下具有最大非对称度的那一相的发电机源短路电流，可由下述公式计算：

式中：P —— 为额定功率，U —— 为额定最高电压

根据发电机的电气参数，在1/2周波（t=8.3 ms）时，具有最大非对称性的那相的发电机源非对称短路电流峰值为81.92kA。

4) 计算结果：

项目 系统源短路电流（kA）发电机源短路电流（kA）对称开断能力 52.40 29.60非对称开断能力 42.84 35.13相对于最大非对称度的非对称开断能力 — 36.42断路器峰值耐受能力 142.69 81.92

2 小结

1) 对于国外项目的发电机电压短路电流计算来说，收集业主电力系统的以下资料尤为重要：最大运行方式下设计水平年归算到水电站高压母线上的三相短路电流值、系统等效阻抗。

2) 针对外方业主按照IEEE Std C37.013™标准进行审核的要求，严格遵照该标准的计算方法和计算内容，以保证报批计算书顺利通过审批，为GCB的选型和采购提供先决条件。

3) 在计算书编写时，应确定发电机和主变压器的所有电气参数，如发电机电压侧的主接线型式为扩大单元接线，应根据所有设备的电气参数计算GCB两侧的等效阻抗。

4) 值得注意的是，发电机在欠励磁状态下进相运行时，会出现非对称性最大值。在这种情况下，直流分量可能比空载情况下较大，应以此较大值作为GCB发电机源非对称开断能力的判断标准，以SOPLADORA水电站的计算结果看来，不会造成GCB选型的差别。

5) 空载状态下的发电机源三相非对称短路电流，未考虑故障点电弧电压的影响，由于发电机断路器的电弧电压的影响，使电弧电阻不是恒定的，因此短路电流的直流分量不按指数下降。因此按照金属性短路故障不考虑故障点的电弧电压影响的情况下，将能得出GCB发电机源非对称短路电流开断的最大值。

[1]水电站机电设计手册编写组 ，《水电站机电设计手册》电气一次，水利电力出版社.

[2]水利水电规划设计总院，《水力发电厂机电设计规范》DL-T 5186-2004.中国电力出版社.2004

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

[4]新东北电气（沈阳）高压开关有限公司,《高压交流发电机断路器》,I中国标准出版社.2008

G322

B

1007-6344（2016）10-0198-02

罗曦（1984—）男，汉族，大学本科，工程师，主要从事电气一次设计工作。

王心琦（1983—）男，汉族，硕士研究生，工程师，主要从事电气一次设计工作。

余丹（1980—）男，汉族，硕士研究生，高级工程师，主要从事电气一次设计工作。