基于断路器支路故障电流的短路电流评估方法_董炜.pdf

Zhejiang Electric Power第 42 卷 第 2 期2023 年2 月Vol.42，No.02Feb.25.2023基于断路器支路故障电流的短路电流评估方法董炜1，华文1，申屠磊璇1，周靖皓2，王龙飞1，王博文1（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）摘要：随着负荷快速增长，电网密度不断提升，短路电流超标问题日益严重，精确评估系统短路电流水平对保障电网的安全稳定运行至关重要。对此，提出一种基于断路器支路故障电流的短路电流评估方法。针对220 kV及以下电压等级双母双分段接线变电站和500 kV 3/2接线变电站，分析不同故障位置、断路器拉停等情况下流过断路器的短路电流，并提出线路出口单相故障单跳单重阶段断路器所需遮断短路电流的计算方法，明确了变电站内断路器所需遮断最大短路电流，将短路电流校核标准精准化到故障后流过各断路器的最大短路电流不超过其遮断能力。最后通过算例分析验证了所提评估方法的有效性。关键词：短路电流；断路器支路；双母双分段接线；3/2接线；单相重合闸DOI:10.19585/j.zjdl.202302004 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：A short circuit current evaluation method based on the branch fault current of the circuit breaker DONG Wei1，HUA Wen1，SHENTU Leixuan1，ZHOU Jinghao2，WANG Longfei1，WANG Bowen1（1.State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.，Hangzhou 310007，China）Abstract:With the rapid load growth and the increasing density of power grids，the overrun short-circuit current becomes increasingly aggravated.To accurately assess the short-circuit current level of the system is crucial to ensure the safe and stable operation of the power grid.Therefore，a short-circuit current evaluation method based on the branch fault current of the circuit breaker is proposed.In view of the double-bus double-section wiring substations at voltage levels of 220 kV and below and 500 kV three-to-two wire substations，the paper analyzes the short circuit current flowing through the circuit breaker in case of different fault locations，switch-off of circuit breakers，etc.Moreover，it proposes a calculation method of the short circuit current that the circuit breaker requires in the single-jump single-weight stage of single-phase fault occurring at the line outlet and determines the maximum short circuit current required to block the circuit breaker in the substation.Additionally，it specifies a short circuit current calibration standard that the maximum short circuit current flowing through the circuit breakers after the fault should not exceed their breaking capacities.Finally，the effectiveness of the proposed evaluation method is verified through case analysis.Keywords:short circuit current；branch circuit breaker；double-bus double-subsection wiring；three-to-two wiring；single-phase reclosing0引言随着我国电网快速发展，负荷水平快速增长，装机容量不断增大，网架结构联系更加紧密，500 kV及220 kV电压等级的短路电流水平均逐年攀升，严重威胁着电网的安全可靠运行1-3。为降低短路电流水平，实际运行中通常采用设备停运、母线分列运行、线路出串运行、电网解环运行、采用高阻抗设备、变压器中性点加装电抗器等措施4-9，但这些措施可能会削弱电网网架结构，对电网运行的灵活性、经济性、供电可靠性以及稳定水平存在一定的负面影响10-11。因此，如何合理、有效、经济地限制短路电流水平已经成为电网发展和电网安全运行亟需解决的问题。目前，电网短路电流通常按照最大短路电流计算原则校核，以母线短路电流水平是否超过断基金项目：国家电网有限公司科技资助项目（5211NB21005P）第 2 期董炜，等：基于断路器支路故障电流的短路电流评估方法路器的遮断容量为依据12-13，未考虑故障位置、断路器动作顺序、是否有断路器被拉停等对流过断路器的实际短路电流的影响，在部分场景下计算结果过于保守，降低了电网运行效率和供电可靠性14。因此，精细分析电网故障期间断路器所需遮断的短路电流，挖掘断路器遮断能力裕度，对提升电网安全性和运行效能具有重要意义。文献 14 针对3/2接线方式的500 kV变电站，提出了一种拉停断路器限制短路电流的原理及选取原则，总结了拉停中断路器或边断路器后，母线故障以及出线故障时流过各断路器的最大短路电流。文献 15-17 进一步分析了拉停断路器对电网结构及安全稳定水平的影响。然而现有研究只针对500 kV变电站进行分析，缺少故障位置、断路器动作时序等对220 kV及以下电压等级双母双分段接线变电站短路电流影响的分析，也未考虑单相短路故障时故障相断路器重合闸过程中断路器所需遮断的短路电流，难以满足短路电流日益增长下精准分析的需求。对此，本文提出一种基于断路器支路故障电流的短路电流评估方法。针对220 kV及以下电压等级双母双分段接线变电站以及500 kV 3/2接线变电站，分析了不同故障位置、断路器动作时序、断路器拉停情况下流过断路器的短路电流，并提出线路出口单相故障重合闸阶段流过断路器短路电流的计算方法。在此基础上，分析得到故障下各断路器所需遮断的最大短路电流，将短路电流校核标准从母线短路电流不超过断路器的遮断容量精准化到故障后流过各断路器的最大短路电流不超过其遮断能力。1220 kV及以下电压等级变电站短路电流精细化校验方法220 kV及以下变电站典型接线方式包括单母线接线、单母线分段、双母线接线、双母单分段、双母双分段等多种方式。不失一般性，本节以双母双分段接线方式为例，对基于断路器支路故障电流的短路电流精细化校核方法进行分析，并认为母线故障对地短路电流等于各分支断路器出口故障时对地短路电流。典型的双母双分段接线方式如图1所示，记母联断路器为KC1和KC2，母分断路器为KD1和KD2；出线（含主变，下同）i上靠近所分析变电站的断路器为本侧断路器KLi1，靠近对侧变电站的断路器称为对侧断路器KLi2。根据变电站故障位置不同所引起短路电流的不同，针对出线故障和母线故障分别进行讨论。为便于描述，若无特别指明是针对单相短路故障的分析，则后文中的分析对三相短路故障和单相短路故障均成立。1.1变电站出线故障时短路电流分析若变电站内存在空充线路，则该空充线路出口故障时，出线上断路器所需遮断的短路电流即为母线短路电流。若变电站内不存在空充线路，考虑出线i故障，继电保护动作下出线i上本侧断路器KLi1和对侧断路器KLi2相继动作，根据KLi1和KLi2的动作顺序，可以分为两种情况：1）本侧断路器KLi1先于对侧断路器KLi2动作。故障出线i上本侧断路器KLi1最先跳开时，KLi1所需遮断的短路电流为母线短路电流与故障出线支路短路电流的差值，即：IK1i=IB-Ii（1）式中：IK1i为本侧断路器先动作时KLi1所需遮断的短路电流值；IB为母线短路电流；Ii为出线i的支路短路电流。由式（1）可以看出，故障出线本侧断路器先动作情况下，故障出线i为支路短路电流最小的出线时，故障出线上本侧断路器所需遮断的短路电流图1 双母双分段接线Fig.1Diagram of dual-bus dual-subsection wiring27第 42 卷为各出线故障中的最大值，即：IK1max=max(IK1i)=IB-min(Ii)（2）式中：IK1max为故障出线上本侧断路器先动作情况下断路器所需遮断的最大短路电流。2）本侧断路器KLi1晚于对侧断路器KLi2动作。出线i本侧断路器KLi1晚于对侧断路器KLi2动作时，KLi1所需遮断的短路电流为拉停故障出线i时的母线短路电流，即：IK2i=IBi（3）式中：IK2i为本侧断路器先动作下KLi1所需遮断的短路电流值；IBi为拉停故障出线i时的母线短路电流。那么故障出线对侧断路器先动作情况下，变电站内断路器所需遮断的最大短路电流IK2max为站内任一线路停运时的母线短路电流的最大值，即：IK2max=max(IK2i)（4）1.2变电站母线故障时短路电流分析若变电站内存在空母线，当空母线发生故障时，空母线相邻母联断路器和母分断路器相继动作，两者中后动作的断路器所需遮断的短路电流为母线短路电流。若变电站内不存在空母线，母线发生故障时，与该段母线相邻的母联断路器和母分断路器以及该段母线上各出线本侧断路器将动作。各出线上断路器KLi1动作时所需遮断的短路电流为该支路上的短路电流Ii。对于母联断路器和母分断路器，根据其与其他断路器的动作顺序，可以分为以下两种情况：1）故障母线相邻的母联断路器或母分断路器后一个动作的断路器动作时，故障母线上其他断路器均未动作。此时，该母联断路器或母分断路器所需遮断的短路电流为非故障母线上各支路短路电流之和，即：Is1=IB-Ij（5）式中：Is1为母分断路器或母联断路器所需遮断的短路电流；Ij为故障母线上各出线的支路短路电流。以图1中正母段故障为例，正母段上各出线本侧断路器以及母联断路器KC2、母分断路器KD1将动作。假设KC2晚于KD1动作，且KC2动作时正母段上各出线断路器未动作，此时KC2所需遮断的最大短路电流为正母段、副母段和副母段上各出线支路短路电流之和。对比式（2）和式（5）可知，考虑各段母线故障的情况，Is1的最大值一定不大于IK1max。2）故障母线相邻的母联断路器或母分断路器后一个动作的断路器动作时，故障母线上各出线断路器部分动作。此时，该母联断路器或母分断路器所需遮断的短路