秦山核電一線四機運行時的開關站電流分配研究

謝金平，樓開宏

（中核集團秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山核電二、三期聯合開關站有4回500kV出線，其中2回至王店變，2回至喬司變。聯合開關站現已投入運行的機組共有5臺，其中二期1號、2號機組為650 MW，新擴建的3號機組為660 MW，三期2臺728 MW機組。目前秦山二期正在擴建的4號機組容量為660 MW，計劃于2012年1月并網。待二期4號機組投運后，聯合開關站將有6臺機組接入運行。

在配合鐵路和公路的建設、電網結構調整、線路改造和大檢修等情況下，聯合開關站有可能出現2回同塔線路在較長時間（數天以上）同時停電的情況。為盡量減小線路停電對機組出力的影響，上述需要2回線路停電的工作一般會安排在二、三期各有1臺機組停堆檢修期間實施，故屆時聯合開關站將會出現二線四機運行的工況。

由于電網要求核電機組二線四機運行時仍能滿足線路N-1故障準則，即當2回線路中的任意一回失去時另一回線路仍能將4臺機組的電力安全穩定地送出。若1回線路不能保證4臺機組滿出力時，將有可能要求發電廠降低機組出力至安全水平。

由于開關站內設備的額定電流只有2000 A，而4臺機組上網總電流接近3000 A，因此若站內電流分配不均，就有可能成為限制機組出力的瓶頸。受篇幅限制，僅針對聯合開關站至王店變的2回秦王線路為配合秦山核電廠擴建項目（方家山核電工程）接入電網而改接至海寧變期間，開關站內的電流分布情況進行分析，分析結論同樣適用于秦喬2回線路出線4臺機組運行時的情況。

1 聯合開關站電氣主接線及參數

聯合開關站主接線如圖1所示。圖1中三期1號、2號機組通過主變升壓經500kV架空線路接入開關站的第5串和第6串，而二期正在擴建的3號、4號機組分別接入聯合開關站的2個不完整串（第1串和第2串）中。

圖1 秦山二、三期聯合開關站主接線圖

開關站一次設備的額定電流[1]如表1所示。開關站采用斷路器一字形布置方案。

表1 聯合開關站一次設備的額定電流 A

2 聯合開關站的電路仿真模型

由于聯合開關站采用一個半斷路器接線，電氣回路節點數量較多。為便于分析，根據圖1并考慮到二期3號、4號機組投產后以不完整串接入開關站的方式，建立了秦王5415與5416線路改接期間的電路仿真模型，如圖2所示。圖2中Ⅱ-1號和Ⅲ-2號分別表示二期1號機組和三期2號機組，其余類同。

2.1 仿真模型說明

（1）將每個斷路器間隔作為1個支路。支路阻抗以集中參數表示，忽略各支路導體對地分布電容的影響。

（2）設有電流測量模塊，用于測量每個支路的電流。

（3）為便于分析，將各機組的上網出力換算為電流，并以理想電流源替代發電機。電流源的一端接地，另一端將電流注入開關站。由于計算軟件MATLAB/Simulink不允許電流源直接與電感元件串聯，否則計算時會報錯，所以需要在圖2中每個電流源的兩端各并接1個大電阻，如圖2中所示的R1-R6。為忽略上述電阻的分流作用，可取R1-R6的值均等于100 MΩ。

圖2 聯合開關站的電路仿真模型

（4）在只有1回線路運行的情況下，開關站內電流分布僅取決于站內各斷路器支路的阻抗，與外部線路的參數無關，故可將模型中運行的輸電線路接地，使得各電流源（發電機）注入開關站的電流經各支路阻抗元件和輸電線路后能夠再回流到各電流源。

（5）為便于分析，假定各電流源的相位相同。實際上，在相位各不相同的情況下，各電流相量和的模必然小于或等于各相量模的代數和，即有

上述不等式的等號當且僅當各電流相位相同時才成立。也就是說，實際注入開關站的總電流以及從線路流出的電流會比計算采用的小，因此假設各電流源同相位對于分析設備是否過載來說是偏于保守的。

2.2 模型參數

2.2.1 電流源參數

秦山二期老機組滿發時，單機上網的出力為642 MW，電流為720 A；秦山三期滿發時，單機上網出力為681 MW，電流為760 A。考慮到二期新機組銘牌功率比老機組大10 MW，故二期新機組按上網出力650 MW考慮，對應電流為730 A。

2.2.2 斷路器支路的阻抗

斷路器支路的阻抗以集中參數表示，忽略各支路導體對地分布電容的影響。根據開關站布置圖，可知完整串的邊斷路器支路長度約為12.2 m，中間斷路器支路長度約為9.9 m；不完整串中與Ⅰ母連接的斷路器支路長度約為10.7 m，與Ⅱ母連接的斷路器支路長度約為9.7 m。

根據GIS廠家三菱電機提供的參數，單位長度導體電感約為0.25×10-6μΩ/m，邊斷路器支路的直流電阻約為130 μΩ。計算得各斷路器支路的直流電阻、感抗和阻抗如表2所示。

由表2可見，由于直流電阻較小，各斷路器支路阻抗的大小主要取決于感抗的大小。GIS的導體為同軸結構，空心鋁導體為內導體，鋁合金外殼為外導體。在低頻時，單位長度導體的電感量僅取決于內、外導體的內徑和外徑結構尺寸。因此，對于給定的GIS設備來說，其導體在工頻時的單位長度電感量就是一個恒定值。

表2 各斷路器的支路阻抗

2.2.3 母線支路的阻抗

為便于分析，假定：

（1）各母線支路與斷路器支路單位長度的直流電阻和電感均相等。

（2）對于連接2個完整串（或不完整串）的母線支路，其長度等于完整串（或不完整串）內各斷路器長度之和；而對于連接1個完整串和1個不完整串的母線支路，則其長度等于1個不完整串內各斷路器長度之和，或等于1個完整串內各斷路器長度之和，具體與GIS的布置有關。

各母線段支路的直流電阻、感抗和阻抗如表3所示。

表3 各母線支路的阻抗

3 二線四機工況線路N-1時站內電流分配

3.1 Ⅱ-2號和Ⅲ-2號機組檢修

開關站初始狀態：其余4臺機組運行，秦喬5413和5414線路運行，秦王5415和5416線路停役。由于與Ⅲ-2號機組在同一串的5415線路停運，故可刪除圖2中的第5串。由于5414線路和Ⅲ-1號機組在運行，故第4串和第6串應保持完整串運行方式，僅將Ⅱ-2號機組和5416線路單獨隔離出串。

3.1.1 秦喬5414線跳閘

在初始狀態的基礎上，考慮到秦喬5414線路跳閘，故可進一步刪除圖2中的第4串。

將表2和表3中的各支路直流電阻和電感參數代入仿真模型進行分析，各支路電流分配結果如表4所示。可見，僅秦喬5413線運行時，支路電流i32最大，但該支路未過載。

表4 5414線跳閘后各支路電流 A

由圖2及表4可知，聯合開關站設備的載流能力主要取決于與5413線路直接相連的31和32支路是否過載，而與其余支路關系不大。在注入開關站的總電流不變的情況下，支路阻抗Z31，Z32和Z33的相對大小對支路電流i31與i32的影響最大。

考慮到圖2中各支路的實際長度與計算長度存在差異，而且各支路的直流電阻也可能由于斷路器和隔離開關的動、靜觸頭接觸性能不同而存在較大的差異。為考察支路阻抗異常對i31或i32的影響，考慮到極端情況，假定3個支路31，32和33中任一支路的長度（感抗）增加20%，同時使該支路的直流電阻不斷增大，直至使i31或i32接近或達到2000 A。計算結果如表5所示。

表5 5414線跳閘后第3串阻抗異常時的支路電流

由表5可知，在Z31，Z32和Z33任一阻抗的感抗分量增大20%且電阻分量分別增大23.5倍、49倍和99倍的3種極端情況下，才有可能使i31或i32接近或達到斷路器的額定電流。

3.1.2 秦喬5413線跳閘

在初始狀態的基礎上，由于秦喬5413線跳閘，需將與之連接的支路31和32均斷開，Ⅱ-1號機組通過支路33與母線相連。計算結果如表6所示。

由表6可見，秦喬5413線跳閘后，支路電流i43最大，但該支路未過載。

同樣，考慮到Z41，Z42和Z43任一阻抗參數異常的情況，計算結果如表7所示。

表6 5413線跳閘后各支路電流 A

表7 5413線跳閘后第4串阻抗異常時的支路電流

由表7可知，在Z41，Z42和Z43任一阻抗的感抗分量增大20%且電阻分量分別增大26倍、33倍和53倍的3種極端情況下，才有可能使i42（i41）或i43接近或達到斷路器的額定電流。

3.2 Ⅱ-1號和Ⅲ-1號機組檢修

圖2中開關站初始狀態：其余4臺機組運行，秦喬5413和5414線路運行，秦王5415和5416線路停役。由于與Ⅲ-1號機組在同一串的5416線路停運，故可刪除圖2中的第6串。由于5413線路和Ⅲ-2號機組在運行，故第3串和第5串應保持完整串運行方式，僅將Ⅱ-1號機組和5415線路單獨隔離出串。

假設各支路阻抗正常，仿真分析結果為：

（1）5414線跳閘后，i31=1695 A，i32=1245 A，i33=1245 A，比表4中第3串各支路的電流均衡。

（2）5413線跳閘后，i41=891 A，i42=1611 A，i43=1329 A，比表6中第4串各支路的電流均衡。

3.3 Ⅱ-3號檢修和Ⅱ-4號檢修或未發電

對秦王線路改接期間有可能遇到的Ⅱ-3號機組停機檢修，且Ⅱ-4號機組也檢修或尚未并網發電的情況進行分析。

圖2中開關站初始狀態：其余4臺接入完整串的機組運行，秦喬5413和5414線路運行，秦王5415和5416線路停役。刪除第1串和第2串，第3-6串應保持完整串運行，僅將5415和5416線路單獨隔離出串。

假定各支路阻抗參數正常，仿真分析結果為：

（1）5414線跳閘后，i31=1404 A，i32=1556 A，i33=836 A，比表4中第3串各支路的電流均衡。

（2）5413線跳閘后，i41=744 A，i42=1464 A，i43=1496 A，比表6中第4串各支路的電流均衡。

需注意的是，若第5串和第6串為不完整串運行，由圖2及本節開關站初始狀態可知，當秦喬任一回線路跳閘時，開關站都會有支路（i31或i42）過載，電流可達2240 A（3臺機組電流之和）。因此，應盡可能避免出現該運行方式。

4 結語

在聯合開關站二線四機運行且不考慮站內各支路阻抗嚴重異常的情況下，當發生線路N-1故障時，可得出以下分析結論：

（1）若是接入完整串的2臺機組停機檢修，則在其余4臺機組滿出力的情況下，2回線路中的任一回跳閘都不會導致開關站內的設備過載。

（2）接入不完整串的2臺機組（二期3號、4號）停機，在其余4臺機組滿出力的情況下，為預防線路N-1時開關站內設備過載，第5串和第6串應為完整串運行，僅將需要停電的秦王5415和5416線路單獨隔離出串。

[1]魏國明.秦山二期500kV GIS開關站及其受電試驗[J].核電工程與技術，2003，16（2）∶30-36.

[2]卡蘭塔羅ПЛ，采伊特林ПЛ.電感計算手冊[M].陳湯銘譯.北京：機械工業出版社，1992.

[3]李維波.MATLAB在電氣工程中的應用[M].北京：中國電力出版社，2007.