按照IEEE標準進行厄瓜多爾SOPLADORA水電站的GCB選擇用短路電流計算

羅 曦王心琦余 丹

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 四川 成都 610072)

按照IEEE標準進行厄瓜多爾SOPLADORA水電站的GCB選擇用短路電流計算

羅 曦1王心琦2余 丹3

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 四川 成都 610072)

在大力發展國際水電工程市場的形勢下，正確理解國際標準及其與中國標準的差異尤為重要。目前國外以及國內水電站在水輪發電機出口通常都設置有發電機斷路器（GCB）。按照IEEE標準進行的以對稱電流為基礎的短路電流計算對于GCB分斷能力參數的選擇是獲得外方業主或咨詢公司審批的基礎，也是進行后續采購、設備驗收等工作的重要前提。本文以IEEE Std C37.013?-1997 (R2008)標準為依據，以厄瓜多爾SOPLADORA水電站發電機電壓短路電流計算為例，簡要介紹按照IEEE標準進行GCB選擇用短路電流計算的特點。

1 工程概述

SOPLADORA水電站位于厄瓜多爾西部莫羅納-圣地亞哥省(Morona-Santiago)的東部保特河上，是河流規劃開發的四級電站中自上而下的第 3級。本電站為徑流式電站，采用引水式開發。電站裝機3臺，總裝機容量486MW，以5回230kV出線接入電網。

2 輸入資料

電站電氣主接線簡圖如圖1：

圖1 電氣主接線簡圖

在進行GCB處短路電流計算時所需的主要輸入條件包括：水輪發電機組、主變壓器、廠用變壓器的電氣參數、電力系統電氣參數以及電氣主接線型式。

SOPLADORA水電站發電機額定容量為180MVA，額定電壓為13.8kV，額定頻率為60Hz，直軸次瞬態電抗的標幺值為0.229。發電機-變壓器組采用單元接線，主變壓器額定電壓為 230kV，額定容量 190MVA，額定電壓下短路電抗的標幺值為0.13。

國外項目中系統側電氣參數通常采用PSAPS、BPA、Powerfactory等商用電力系統計算分析軟件計算，也有用 MATLAB軟件的相關組件進行仿真計算。以SOPLADORA水電站為例，厄瓜多爾電力公司采用Powerfactory軟件計算了在設計水平年2022年系統最大運行方式下歸算至本電站230kV母線的三相對稱短路電流值為21.316kA，見圖1中短路點“c”。該計算值已經包含了本電站三臺機組對230kV母線短路點提供的電機源短路電流。

3 要求的GCB設備對短路電流有關所要求的能力

國外項目合同中通常會要求設計院在進行電氣主接線圖紙報審時附帶主要電氣設備的參數選擇計算書，對于GCB，通常要求應滿足IEEE Std C37.013?標準的相關要求。根據IEEE Std C37.013-1997 (R2008)的7.3.5.3條，GCB設備應具備以下與短路電流有關的能力：

a) 系統源短路電流：

● 對稱開斷能力；

● 非對稱開斷能力；

● 短時電流承載能力；

b) 發電機源短路電流：

● 對稱開斷能力；

● 非對稱開斷能力；

● 相對于最大非對稱度的非對稱開斷能力；

c) 發電機源或系統源：峰值耐受能力。

4 按照IEEE Std C37.013? 的方法進行短路電流計算的過程和結果

參見圖1，若在“a”點發生短路故障，流過GCB的是系統源短路電流；若在“b”點發生短路故障，流過 GCB的是電機源短路電流。下面分別進行系統源和電機源短路電流計算。

1) 系統源短路電流計算

230 kV側短路電流為21.316 kA，歸算至13.8 kV側的計算電抗如下：

主變壓器的計算電抗如下：

因此，由電網和#2、#3機組提供的三相短路電流對稱分量計算如下：

因系統側電抗值遠遠大于電阻值，系統時間常數很大，短路電流可近似看作不衰減。

此外，本電站GCB主變側經1臺廠用變壓器連接廠用電系統，廠用變壓器額定容量為1.6 MVA，短路電抗標幺值為0.06，利用廠用變壓器的電氣參數計算出時間常數為15.84 ms，保守考慮嚴重情況為所有電機同時全部投入運行的情況，電動機綜合的最大額定值為1.6 MVA。廠用電系統短路阻抗如下：

來自廠用電分支回路的初始對稱短路電流的有效值計算如下：

這個初始電流是衰減的，按58.3 ms的發電機斷路器主弧觸頭分離時間（分閘時間50 ms加上0.5周波的脫扣時延），衰減倍數估計為0.85，則來自廠用電系統的對稱短路電流成分的有效值為0.22 kA。

綜上，經過發電機斷路器的系統源對稱短路電流包括經變壓器提供的短路電流和經廠用變壓器提供的短路電流，合計為52.40kA。

根據系統側的等效短路阻抗資料，系統時間常數為44.75 ms。根據系統側歸算至13.8 kV側的計算電抗，可以計算系統側歸算到13.8kV側的計算電阻值為：

根據主變壓器的電氣參數，主變壓器的時間常數為140.88 ms。根據主變壓器計算電抗可以計算得出升壓變壓器電阻為：

因此，在主弧觸頭分離時刻的短路電流非對稱度（即直流分量與總系統源對稱短路電流峰值的比值）為57.81 %。

2) 發電機源短路電流

根據IEEE Std C37.013?標準，在空載條件下，發電機源對稱短路電流可用下述公式計算(IEEE Std C37.013 )：

式中：U —— 為額定最高電壓，P —— 為發電機額定功率，其電抗是pu。

根據上式可以計算得出，在主弧觸頭分離時間瞬間（t=0s），發電機源對稱短路電流為29.60kA：在主弧觸頭分離時間等于58.3 ms時，發電機源對稱短路電流為26.77kA。發電機在額定負載下，相電勢大于相電壓，因此其短路電流會略大于空載條件情況下的短路電流，在缺乏資料的情況下，可按1.1倍系數估計。由于發電機斷路器經受的總系統源對稱短路電流為52.40kA，遠大于空載條件下的發電機源對稱短路電流，因此GCB的對稱開斷能力受系統源對稱短路電流控制，選定的GCB通常能滿足空載和額定負載條件下開斷發電機源短路電流的要求，因此IEEE Std C37.013?標準只要求計算空載條件下發電機源對稱短路電流。

經計算，在發電機斷路器主弧觸頭分離時刻（58.3 ms），發電機源短路電流的直流分量為35.13kA。

因此，在主弧觸頭分離時刻的非對稱度（即直流分量與發電機源對稱短路電流峰值的比值）為92.13 %。

在短路故障前，如發電機欠勵磁狀態下進相運行時，會出現非對稱性最大值。在這種情況下，直流分量可能比空載情況下較大。根據IEEE Std C37.013?，對于發電機處于欠勵磁狀態來說，無法給出短路電流的近似計算公式，只能用適當的計算機程序計算，因此要求最大非對稱度時的非對稱開斷能力時，其電流的最大非對稱度為這種條件下對稱短路電流峰值的130%。且在最大非對稱度條件下，短路電流的對稱分量僅為要求的發電機源對稱開斷電流的74%。

因此，在發電機欠勵磁狀態下進相運行時，GCB的直流分量開斷能力應按36.42kA校核。

3) 發電機源和系統源短路電流峰值

發電機源和系統源短路電流峰值用于校驗GCB的峰值短路電流耐受能力。在1/2周波時，短路電流達到峰值。

在1/2周波時（t=8.3 ms）系統源的短路電流峰值為：

根據IEEE Std C37.013-1997標準，對于發電機在空載狀態下具有最大非對稱度的那一相的發電機源短路電流，可由下述公式計算：

式中：P —— 為額定功率，U —— 為額定最高電壓

根據發電機的電氣參數，在1/2周波（t=8.3 ms）時，具有最大非對稱性的那相的發電機源非對稱短路電流峰值為81.92kA。

4) 計算結果：

項目 系統源短路電流（kA）發電機源短路電流（kA）對稱開斷能力 52.40 29.60非對稱開斷能力 42.84 35.13相對于最大非對稱度的非對稱開斷能力 — 36.42斷路器峰值耐受能力 142.69 81.92

2 小結

1) 對于國外項目的發電機電壓短路電流計算來說，收集業主電力系統的以下資料尤為重要：最大運行方式下設計水平年歸算到水電站高壓母線上的三相短路電流值、系統等效阻抗。

2) 針對外方業主按照IEEE Std C37.013?標準進行審核的要求，嚴格遵照該標準的計算方法和計算內容，以保證報批計算書順利通過審批，為GCB的選型和采購提供先決條件。

3) 在計算書編寫時，應確定發電機和主變壓器的所有電氣參數，如發電機電壓側的主接線型式為擴大單元接線，應根據所有設備的電氣參數計算GCB兩側的等效阻抗。

4) 值得注意的是，發電機在欠勵磁狀態下進相運行時，會出現非對稱性最大值。在這種情況下，直流分量可能比空載情況下較大，應以此較大值作為GCB發電機源非對稱開斷能力的判斷標準，以SOPLADORA水電站的計算結果看來，不會造成GCB選型的差別。

5) 空載狀態下的發電機源三相非對稱短路電流，未考慮故障點電弧電壓的影響，由于發電機斷路器的電弧電壓的影響，使電弧電阻不是恒定的，因此短路電流的直流分量不按指數下降。因此按照金屬性短路故障不考慮故障點的電弧電壓影響的情況下，將能得出GCB發電機源非對稱短路電流開斷的最大值。

[1]水電站機電設計手冊編寫組 ，《水電站機電設計手冊》電氣一次，水利電力出版社.

[2]水利水電規劃設計總院，《水力發電廠機電設計規范》DL-T 5186-2004.中國電力出版社.2004

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

[4]新東北電氣（沈陽）高壓開關有限公司,《高壓交流發電機斷路器》,I中國標準出版社.2008

G322

B

1007-6344（2016）10-0198-02

羅曦（1984—）男，漢族，大學本科，工程師，主要從事電氣一次設計工作。

王心琦（1983—）男，漢族，碩士研究生，工程師，主要從事電氣一次設計工作。

余丹（1980—）男，漢族，碩士研究生，高級工程師，主要從事電氣一次設計工作。