考虑短路电流直流分量的福建沿海地区220 kV电网运行方式研究

陈昆灿，陈荣锋，林 谋

(1.中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350003；2.国网厦门供电公司，福建 厦门 361001)

0 引言

目前交流断路器选型中，开断短路电流能力一般仅根据短路电流交流分量有效值来校核是否在断路器额定开断电流范围内，并留有约5%的裕度。但断路器的开断能力由交流分量和直流分量两个因素决定，断路器选型时应考虑短路电流的直流分量[1-2]。另外，华东、华中、西北等地局部电网直流分量问题凸显，直流分量衰减时间常数远超过国家标准直流分量标准时间常数45 ms，直流分量衰减较为缓慢，直流分量对断路器工作条件的影响不容忽视[3-5]。

福建沿海地区220 kV目标网架以1～2座500 kV变电站(有时还接有220 kV电厂)电源为中心，通过双环网供电，并为控制短路电流水平，主要考虑1座500 kV变电站自环网(主变并列)和2座500 kV变电站(主变分列)环网2种运行方式[6]。其中1座500 kV变电站自环网(主变并列)运行方式下220 kV母线侧短路电流较高，交流分量有效值最高可接近45 kA，低于断路器额定开断电流(一般按50 kA选取)。但若计及直流分量影响，有可能超过断路器实际开断能力，从而需校核220 kV电网运行方式。

因此，本文将计及直流分量的影响，分析比较福建沿海地区220 kV目标网架采用不同运行方式下的断路器实际开断能力。

1 福建沿海地区220 kV目标网架及运行方式

为保证电网供电可靠性，福建220 kV目标网架以环网结构为主，同时为合理控制短路电流水平，需采用相应的500/220 kV解环措施。针对同一500 kV变电站的自环网、不同500 kV变电站的环网两种网架，分别采取解环220 kV线路和解环500 kV主变两类方案。具体比较分析如下：

第一类(同一500 kV变电站的自环网结构)：500 kV变电站主变高中侧合环运行(一般配有4台主变)，通过220 kV变电站与周边其他500 kV变电站供区220 kV线路解环。事故时两个500 kV变电站之间可互相提供备用，供电可靠性高，且运行灵活。

图1 来自同一座500 kV变电站的220 kV自环网结构

第二类(不同500 kV变电站的环网结构)：500kV主变220 kV侧分列运行(一般配有4台主变，主变2-2分列)，在一座500 kV变电站全停的极端故障情况下同样具有较高的转供能力。

图2 来自不同500 kV变电站的220 kV环网结构

2 短路电流直流分量相关规定要求

交流断路器的开断能力包括两个方面：短路电流交流分量幅值以及直流分量的百分比。断路器选型时应考虑短路电流的直流分量[1]。

直流分量衰减的标准时间常数为45 ms。断路器额定电压相关的特殊工况下的直流时间常数(适用于额定电压非常高的系统，一些辐射式结构的中压系统或具有特殊系统结构或线路特性的系统)：额定电压72.5 kV到363 kV时为60 ms；550 kV到800kV时为75 ms[7]。

据设备厂家调研结果，1 000 kV以下断路器额定直流时间常数一般取45 ms，其短路试验要求也是在满足该额定直流时间常数下的短路开断情况，但这并非意味着设备一定不能开断更高直流时间常数下的短路电流，需进一步通过短路试验验证[2]。

3 直流时间常数超标下的断路器实际开断电流

3.1 直流时间常数定义

短路电流直流分量衰减时间常数Tdc=X/(Rω)，主要取决于网络结构[8-9]。随着大容量发电机组、网架结构越密集、变压器容量越大，一次设备电抗与电阻的比值X/R越大，短路电流直流分量衰减时间常数越大，直流分量衰减就越缓慢，从而降低了断路器开断短路电流的能力。

3.2 福建220 kV电网直流时间常数水平

根据对福建电网短路电流计算结果，在沿海负荷中心区，特别是500 kV变电站220 kV母线，虽然短路电流交流分量可控制在45 kA左右，但直流时间常数普遍超过45 ms，部分还出现100 ms以上。

3.3 断路器实际开断电流计算公式

根据GB 38755—2019《电力系统安全稳定导则》以及条文释义与学习辅导，在直流分量衰减时间常数超过断路器的标准时间常数时，应按照全电流有效值等价原则进行开断能力的校验。如果交流分量有效值≤断路器实际开断电流，则认为断路器具备开断能力、满足要求。具体计算公式如下：

全电流有效值计算公式如下：

式中：Ib.asym为断路器开断的全电流有效值，kA；为短路电流初始的交流分量有效值，kA；随时间衰减，取分闸时刻的值；tmin为断路器最短开断时间(主保护动作时间+分闸时间)，s；Tdc为短路电流直流分量衰减时间常数，s。

考虑直流分量影响后，断路器实际开断能力对应的交流分量数值Isc.R与额定开断电流Isc.N的关系用下式表示：

式中：系数K即为考虑直流分量影响后的系数；Tdc.N为断路器额定标准时间常数。

由公式(3)可推导出，当直流时间常数大于标准时间常数时，K<1，开关实际开断能力对应的交流分量低于额定遮断电流；当K＞1 时，理论上开关实际开断能力对应的交流分量大于额定遮断电流，但在电网安全稳定校核时这种情况下通常认为实际开断能力等于额定遮断电流。

3.4 反推不同短路电流交流分量下的极限直流时间常数

根据3.3节计算公式，可推导出以下结果及结论：

在断路器额定标准时间常数取45 ms情况下，220 kV母线短路电流交流分量有效值在40、45 kA(分别为额定短路开断电流)的水平下，对应的极限直流时间常数分别约130、70 ms。

在断路器额定标准时间常数取60 ms情况下，220 kV母线短路电流交流分量有效值在40、45 kA(分别为额定短路开断电流)的水平下，对应的极限直流时间常数分别约200、95 ms。

断路器额定标准时间常数越大，断路器实际开断能力越接近额定开断能力。

4 不同运行方式的220 kV母线短路电流比较

选取福建沿海站点较为密集地区局部220 kV目标网架接线图，考虑两种不同解环运行方式，进行500 kV站1的220 kV母线短路电流交流分量和直流时间常数对比分析。

解环运行方式一：500 kV站1主变并列、自环网运行，并通过220 kV线路与周边500 kV站2、3解环。

解环运行方式二：500 kV站1主变2-2分列运行，每2台主变各通过220 kV线路与周边500 kV站2、3合环运行。

与初中语文、英语、政治等课程教学不同，数学教学逻辑性更强，概念知识也更加抽象。为此，在具体的数学教学中，教师为了更好地培养学生的逻辑思维能力，就可以引入相关的问题情境，借助问题情境来进行数学抽象知识的表达。在具体问题情境的设计上，教师要结合数学学科特点及学生的思维特点，让学生积极主动思考，同时依照问题情境探讨数学知识间的内在联系，这样对学生逻辑思维能力的培养有重要意义。

该地区局部220 kV目标网架接线对应的不同解环运行分别如图3～图4所示。

图3 解环方式一

图4 解环方式二

4.1 计算基础条件

1)500 kV站1～3主变台数均为4台，单台主变容量1 000 MVA；

2)500 kV站1供区内还接有1座220 kV接入的电厂，接入装机规模1 200 MW；

3)断路器最短开断时间tmin取40 ms；

4)断路器额定标准时间常数取45 ms和60 ms两种情况；

5)断路器额定开断短路电流50 kA。

4.2 计算结果

表1 500 kV站1的220 kV断路器实际开断能力计算结果

1)500 kV站主变并列运行方式下：220 kV母线短路电流交流分量有效值44.1 kA，直流分量衰减时间常数109 ms。在断路器额定标准时间常数取45 ms情况下，该交流分量有效值大于断路器实际开断短路电流，不满足要求；但若断路器额定标准时间常数取特殊工况下对应的60 ms，该交流分量接近断路器实际开断短路电流，基本满足要求。

2)500 kV站主变2-2分列运行方式下：两侧220 kV母线短路电流交流分量有效值分别为40.8、42.4 kA，直流分量衰减时间常数分别为86、74 ms。在断路器额定标准时间常数取45 ms、60 ms情况下，交流分量有效值均小于断路器实际开断短路电流，满足要求。

3)由于500 kV站供区扩大、交流线路更长，与500 kV站主变并列运行方式相比，500 kV站主变2-2分列运行方式下短路电流水平相对较低，且直流分量衰减时间常数也相应降低，断路器实际开断短路电流能力更大。

5 福建沿海地区220 kV电网运行方式选择

根据同一220 kV网架结构不同运行方式下的短路电流分析比较，在计及短路电流直流分量影响后，福建沿海地区220 kV电网运行方式选取原则可考虑如下：

采用500 kV站主变2-2分列运行，每2台主变各通过220 kV线路与周边500 kV站合环运行方式，220 kV短路电流交流分量以及直流时间常数均较小，在断路器允许开断能力内。该运行方式适用于沿海地区变电站布点密集、短路电流较大(40～45 kA)、主变容量大、兼有电厂的220 kV电网。

采用500 kV站主变并列、自环网运行方式，220 kV短路电流交流分量以及直流时间常数均较大，特别是兼有220 kV电厂的电网，在断路器额定标准时间常数取45 ms情况下，超过断路器允许开断能力。该运行方式适用于沿海地区末端位置、短路电流较小(不高于40 kA)、主变容量较小的220 kV电网。

6 结论与建议

计及直流分量的影响，本文分析比较福建沿海地区220 kV目标网架采用不同运行方式下的断路器实际开断能力，可为后续开展电网规划设计、电网输变电可行性研究、设备选型等工作中提供决策参考。具体结论包括以下几点：

1)计及短路电流直流分量影响，福建沿海地区220 kV目标电网不同运行方式下有可能超过断路器实际开断能力，需进一步校核220 kV电网运行方式；

2)在断路器额定标准时间常数取45 ms情况下，220 kV母线短路电流交流分量有效值在40、45 kA(分别为额定短路开断电流的)水平下，对应的极限直流时间常数分别约130、70 ms；

3)在断路器额定标准时间常数取60 ms情况下，220 kV母线短路电流交流分量有效值在40、45 kA(分别为额定短路开断电流的)水平下，对应的极限直流时间常数分别约200、95 ms；

4)采用500 kV站主变2-2分列运行，每2台主变各通过220 kV线路与周边500 kV站合环运行方式适用于沿海地区变电站布点密集、短路电流较大(40～45 kA)、主变容量大、兼有电厂的220 kV电网；

5)采用500 kV站主变并列、自环网运行方式适用于沿海地区末端位置、短路电流较小(不高于40 kA)、主变容量较小的220 kV电网。

另外，为提高福建220 kV电网运行灵活性与适应性，提出以下几点建议：

1)由于目前断路器试验要求仅满足额定直流时间常数下(45 ms)的短路开断情况，建议厂家通过短路试验进一步证明在超过额定直流时间常数下的短路开断情况；

2)结合设备厂家试验情况，尽量选择额定直流时间常数大于安装地的实际短路电流直流分量时间常数的断路器。