一臺半斷路器接線方式配串特性分析及其限制短路電流措施

邊宏宇，張 田，王 凱，黃暢想，呂 鵬

（1.國家電網公司華中分部，湖北 武漢 430077；2.中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；3.國網江西省電力有限公司，江西 南昌 330077；4.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211106；5.北京科東電力控制系統有限責任公司 北京 100192）

0 引言

近年來，隨著國家“西電東送”戰略的逐步深入，特高壓跨區聯網工程持續投產，國網系統基本形成了東北、西北和西南三個大送端電網，以及華北、華東和華中三個大受端電網。以上電網中除西北電網采用330 kV主網架以外，其它五個區域電網均采用500 kV主網架，500 kV 系統在整個電力系統中承上啟下，既要轉供500 kV 層面電源及特高壓交直流饋入電力至220 kV 電網負荷側，又要在穩態調壓、故障后暫態穩定及中長期動態穩定中全面支撐，因此500 kV 主網架的安全可靠運行對特高壓混聯大電網至關重要[1-3]。

目前500 kV廠站主流接線方式為一臺半斷路器主接線方式，一臺半斷路器接線方式具備技術和運行條件成熟、供電可靠性高、運行方式靈活等特點，在我國跨區聯網以及實現清潔能源大范圍優化配置中發揮了重要作用，對其關注程度日益提升[4-8]。同時，雙母線一回檢修另一回跳閘等故障，可能引起的電網拓撲結構大幅變化、系統阻抗大幅降低而造成的潮流分布不均衡降低輸電能力、穩定特性降低及繼電保護不適應等問題，逐漸成為國內外電力工業界和學術界關注點[9-13]。

文獻[14]針對3/2接線方式在一次設備或開關處于檢修方式下，發生某些故障模式可能會造成多個設備停電的風險，基于網絡拓撲分析和保護動作邏輯的設備風險在線辨識技術，實現了一次設備或開關檢修后自動識別出具有N-2以上停電設備的潛在故障模式。文獻[15]針對3/2接線方式發生死區故障時斷路器的切除范圍擴大的問題，分析了在不同保護CT配置方式下的死區故障的特點，提出了一種死區故障隔離與誤切元件快速恢復的方法，可快速恢復切除死區故障時的誤切斷路器，從而顯著提高系統的安全穩定運行水平。文獻[16]結合鹽都變3/2 斷路器接線方式的現場實際和典型操作票內容，從操作順序上給出合理步驟，可避免帶負荷拉、合隔離開關誤操作。文獻[17]針對3/2接線系統故障診斷時容易誤判的情況，提出一種計及死區故障的Petri網故障診斷方法，通過邏輯辨識死區故障和時序約束檢查斷路器及其保護，對診斷模型的結構和參數進行修正，提高了診斷的準確度和容錯性。

目前，研究一臺半斷路器主接線方式特點及運行特性的文獻相對較少，因此文中主要對一臺半斷路器主接線方式的特性及面臨的潮流疏散、故障影響及合理配串等問題進行了研究，重點針對該接線方式下拉停斷路器限制短路電流進行了分析，并以實際廠站算例進行仿真計算驗證其有效性。

1 一臺半斷路器接線方式的主要優點

以圖1為例說明一臺半斷路器接線主要特性。圖1為一個典型的一臺半斷路器接線變電站，共有4個完整串和1個不完整串組成。實際電網中根據廠站的位置和功能不同，大致有2～8串構成，但特性與圖1所示廠站類似。一臺半斷路器接線主要有以下4個優點。

1）供電可靠性高。正常情況下，2條母線和所有斷路器均處于運行狀態并形成環路，每條線路均由2臺斷路器供電，正常運行方式下有效保證了每條出線的運行可靠性，任一臺斷路器偷跳或停用均不影響出線正常運行。

2）運行方式靈活。運行設備需要定期或臨時檢修，以圖1變電站為例，非同一出線的任意2臺斷路器可同時停運且不影響線路或變壓器運行，任一母線停用均不影響線路或變壓器運行，即使在極端情況下兩條母線均停用，仍可保證一部分線路和變壓器出串運行。

圖1 典型一臺半斷路器廠站示意圖

3）運行操作簡單。母線轉停運、備用及運行等狀態僅需操作母線側斷路器及隔離開關，出線轉以上方式也僅需操作出線所連斷路器及隔離開關。

4）可通過拉停斷路器限制短路電流，具備操作簡單、應急性強、普及性廣及節省投資等特點。可通過拉停部分斷路器強制改變站內環流路徑，在母線或出線短路時可降低最后一個斷開的斷路器所需遮斷的短路電流。

2 一臺半斷路器接線方式主要風險

一臺半斷路器接線方式主要是加強了廠站內所有出線及母線的電氣聯系，對整個電網而言一個廠站聚合為一個節點，優點較為明顯。但由于電氣聯系密切，可能存在一回母線停用后另一回母線跳閘或一回母線停用后對側母線所連的多回同桿并架出線同時跳閘等故障造成主網架明顯削弱的風險，容易造成潮流疏散能力及暫態穩定特性下降等情況，以下分別說明。

2.1 任一母線停運后另一母線跳閘風險

以圖1 所示變電站為例，若Ⅰ母線停用方式下Ⅱ母線跳閘，則第5 串的線路4 斷開，1～4 串分別出串運行，電網拓撲結構變化較大，實際運行中主要有以下常見風險：

1）潮流疏散困難。變電站所有支路出串后系統等值阻抗降幅較大，容易造成兩個廠站之間潮流均衡分布的多回線路線路產生潮流分布不均衡甚至反向，進而引起線路過載的情況。

圖1 中線路5 和線路6 為該變電站與另一變電站的同桿并架聯絡線路，出串后線路5 串接線路1，線路6 串接1 號變壓器，一般變壓器電抗大于線路電抗，因此原線路6 的潮流會大幅轉移至線路5。極端情況下，若1 號變壓器初始功率為上網，則線路5 和線路6 潮流反向。以上潮流分布不均衡后容易導致線路5 和線路1 過載，影響系統安全穩定運行。

2）暫態穩定性大幅變化。一回母線停用后若另一回跳閘，系統拓撲結構大幅變化，可能存在廠站間同向多回線路同時斷開的情況，暫態功角及電壓變化劇烈，甚至超出系統極限而失穩。另外，所有支路出串后系統等值阻抗增大，若連續發生其它故障也可能進一步突破穩定極限而失穩。

2.2 母線停運后對側同桿線路跳閘風險

以圖1 所示變電站為例，若Ⅰ母線停用方式下對側同桿并架線路5和線路6同時跳閘，則線路1和1號變壓器被動斷開，電網拓撲結構變化較大，實際運行中主要有以下常見風險：

1）潮流疏散困難。4 回出線同時斷開過程中潮流大幅轉移至其它線路及變壓器，斷開后系統等值阻抗變大，容易造成該廠站剩余線路及變壓器重載及過載的情況，影響系統安全穩定運行。

2）暫態穩定性大幅變化。一回母線停用后若對側同桿并架線路同時跳閘，系統拓撲結構大幅變化，暫態功角及電壓變化劇烈，甚至超出系統穩定極限而失穩。故障后系統等值阻抗變大，若相繼發生其它故障也可能進一步突破穩定極限而失穩。

3 拉停斷路器限制短路電流影響分析

近年來，隨著電網結構逐步加強，短路電流超標問題凸顯，另外由于目前500 kV 主網廠站中還存在同一廠站內多組遮斷容量為50 kA和63 kA斷路器混聯的情況，為限制短路電流而采取的拉停線路、加裝串抗、限制開機方式等措施又會不同程度削弱網架或降低運行方式的靈活性，導致系統穩定水平下降，可能影響500 kV主網架安全。

相對于以上以削弱網架結構為代價的短路電流限制措施，一臺半斷路器接線方式具有天然優勢。拉停任一完整串的中間斷路器可將任一母線短路故障后最后一個斷開的邊斷路器所需遮斷的短路電流變為初始廠站短路電流減去拉停串對側出線的短路貢獻電流，拉停任一完整串的邊斷路器可將任一出線側短路故障后最后一個斷開的邊斷路器所需遮斷的短路電流變為初始廠站短路電流減去拉停串對側出線的短路貢獻電流。拉停斷路器既可有效降低短路電流，又可避免初始方式下削弱網架結構，因此需要重點研究。

3.1 拉停邊斷路器限制短路電流原理

圖2 所示為某500 kV 變電站結構圖，共9 條線路出線，2 條變壓器出線，遮斷容量為50 kA 的斷路器9臺，分別為5011、5012、5031、5032、5041、5042、5043、5052和5053。圖2中實線、虛線及無填充分別標注遮斷容量為63 kA、50 kA 和拉停的斷路器。若不采取措施，母線或變壓器出口側短路電流達到51.7 kA，超過斷路器可遮斷電流50 kA。

圖2 變電站結構圖

3.1.1 變壓器出口側故障限制原理

一般來說，由于變壓器電抗大于同電壓等級的線路電抗，廠站短路期間變壓器貢獻的短路電流遠小于線路貢獻的短路電流，因此分析時主要考慮變壓器出線側短路后相鄰斷路器能否安全遮斷。圖2中考慮1號變壓器出口側三相短路故障，5011和5012跳閘，考慮到斷路器斷開時間不可能完全一致，按以下2 種情況考慮：

第一種情況，5011 最后斷開，則5011 需斷開的短路電流為全接線短路電流與線路9 支路電流的差值（計算值49.4 kA），可安全跳閘。

第二種情況，5012最后斷開，則5012需斷開的短路電流僅為線路9支路電流，可安全跳閘。

對于2 號變壓器出口側三相短路故障，由于5021、5022、5023 遮斷容量均為63 kA，所以可安全斷開。若第2 串有遮斷容量為50 kA 的斷路器，其原理同1號變壓器。

3.1.2 母線故障限制原理

考慮Ⅰ母線三相短路故障，斷路器5011、5031 或5041 最后跳閘，考慮到斷路器遮斷時間不一致，分如下2種情況。

第一種情況，5011 最后斷開，若提前拉停5013，則5011 需要遮斷的短路電流僅為1 號變壓器與線路9支路電流的總和，則5011可安全遮斷。

第二種情況，5031或5041最后斷開，若提前拉停5013，則5031 或5041 需要遮斷的短路電流為1 號變壓器和線路9 所在串出串后的母線短路電流（計算值49.2 kA），5031或5041可安全遮斷。

對于2 號母線三相短路故障，同理可提前拉停5051，分析過程同上。

3.2 拉停中斷路器限制短路電流原理

以圖3 所示（同圖1）為例進行分析，共7 條線路出線，2 條變壓器出線，所有斷路器遮斷容量均為63 kA，若不采取措施，母線或變壓器出口側短路電流達到64.2 kA，超過斷路器可遮斷電流63 kA。斷開中斷路器主要適用于母線短路后限制母線所連的最后一個斷開的斷路器所需遮斷的短路電流。

圖3 變電站結構圖

Ⅰ母線三相短路故障，斷路器5011、5021、5031、5041、5052 需要跳閘，考慮到斷路器斷開時間不一致，由于該變電站所有斷路器遮斷容量均為63 kA，提前拉停5012 和5022 后，可分如下3 種情況。Ⅱ母線三相短路故障分析同理。

第一種情況，5011 最后斷開，則5011 需要斷開的短路電流僅為1 號變壓器支路電流（計算值2.2 kA），可安全跳閘。

第二種情況，5021最后斷開，則5021需要斷開的短路電流僅為線路3 支路電流（計算值8.2 kA），可安全跳閘。

第三種情況，5031、5041 或5052 最后斷開，則上述任一斷路器需要斷開的短路電流為全接線短路電流與線路3、1 號變壓器短路分支電流的差值（計算值55.2 kA），可安全跳閘。

4 拉停斷路器限制短路電流的優點

文中所述的拉停一臺半斷路器接線變電站斷路器的措施，既可降低1 條或2 條支路的短路電流，又可保持初始正常方式全接線運行，避免采取停機、加裝串抗等措施帶來的降低穩定性、增加投資以及大負荷方式下限制開機而影響供電能力等影響，需要根據不同廠站實際接線方式具體分析。另外，拉停同一串上的兩個邊斷路器后也是以上措施中的一種特殊情況，但會造成初始方式下2 條線路出串運行，短路電流超標較多時可采取此措施。

以圖2 廠站為例，若采取停機措施，則至少需要停4 臺及以上裝機容量為600 MW 及以上的機組，可能導致大負荷方式下無法滿足供電需求，并降低電壓支撐能力；若采取更換斷路器的措施，按更換單臺500 kV 斷路器需400萬元考慮，該變電站僅更換斷路器就需增加投資3600 萬元；若采取拉停線路或加裝串聯電抗器的措施，則會降低電網穩定性并增加投資。相比之下，拉停斷路器具備較強的穩定性、經濟性及推廣價值。

5 拉停斷路器限制短路電流適用范圍

以上拉停斷路器限制短路電流雖然可在不影響電網初始方式前提下，有效降低短路電流，但存在一定的適用范圍，主要有以下三點：

1）該變電站為一臺半斷路器接線，這是由拉停斷路器限制短路電流的原理決定的。

2）該變電站短路電流超標幅度不大，一般以不超過8 kA 為宜。拉停斷路器限制短路電流最多可降低2 條支路的分支短路電流，若短路電流超標幅度過大，可能無法降低至斷路器可遮斷容量之內，需要具體分析。若恰好每條變壓器支路均與分支短路電流較大的線路同一串，則拉停邊斷路器限制變壓器支路短路電流效果較好；若恰好每條分支短路電流較大的支路同一串，則拉停中斷路器限制母線短路電流效果較好。

3）該變電站任意2臺變壓器不能接入同一串中。一般變壓器分支短路電流均較小，例如750 MVA 變壓器分支短路電流均為2 kA 左右，考慮斷開該變壓器支路后短路電流從其他支路重新分配，則變壓器分支短路電流可能降低至1 kA 以下。若2 臺變壓器接入同一串，則拉停斷路器對短路電流限制效果非常有限。

6 一臺半斷路器接線方式配串建議

根據上述分析結果，并結合實際電網運行經驗，針對一臺半斷路器廠站規劃及建設提出如下原則和建議。總體原則：全接線及檢修方式下，發生N-1 或N-2 故障后，應最大限度保持電網結構的完整性，避免主要輸送斷面輸送線路同時被迫斷開或形成環網而產生大范圍潮流轉移；末端應與主網之間至少應保持一個通道，避免末端解列影響供電；應避免多臺變壓器同時斷開或環網運行；應避免大容量發電廠全停。同時配串方案還應統籌考慮短路電流、本期規劃、遠期規劃及過渡方案等內容。

主要配串建議如下，實際規劃實施中需要統籌考慮，根據實際情況突出重點，舍小保大。

1）同一串應盡量采取“線路—變壓器”、“線路—電源”或“線路—線路”方式。

2）同輸電方向線路應盡量安排在不同串，以避免出串后2 條線路形成環網，此條建議主要是防止雙母線同停后，多條同輸電方向線路形成環網而造成輸電通道能力大幅降低。

3）主通道輸電線路應配置于完整串，避免母線同停后重要輸電線路被動停運，以盡量保證主通道輸電能力。

4）變壓器支路應盡量與電氣距離小且短路分支電流大的線路配一串，有利于后期可采取拉停斷路器限制短路電流的措施。

5）大功率電源支路不應全部與變壓器配串（電源為單元接線除外），避免母線同停后大功率電源同時通過變壓器下網而引起220 kV 電網過載。

6）同一變電站內的變壓器通常下供相同片區負荷，不同變壓器應接入不同串以避免出串后多臺變壓器兩兩形成環網，不同變壓器不應同時與幾回同桿并架線路所在串配串，以避免變壓器所連母線停運后，對側同桿線路同時跳閘導致多臺變壓器同時斷開。主要是防止多臺變壓器形成環網或同時斷開而造成地區下網能力大幅降低并影響供電。

7）條件允許情況下盡量避免“半串”方式，即一串只接1 回出線，以避免雙母線同時失去后該出線被動斷開。若受客觀條件或遠期規劃限制，應盡量將次要輸電線路配至“半串”。

8）與末端局部電網相連線路不應配在一串，以避免出串后這些線路兩兩形成環網，此條建議主要是防止雙母線同停后，本廠站與末端廠站的多條線路形成環網而造成末端廠站供電能力大幅降低。

9）單個廠站串數不宜過多，建議不超過8～9串，既可有效控制廠站電路電流不超標，又可避免雙母線同時失去后電網拓撲結構劇烈變化及系統阻抗大幅降低而造成穩定性降低。

7 結語

文中主要針對大部分500 kV 廠站采取的一臺半斷路器主接線方式優點及面臨的問題進行了分析，并結合實際電網運行經驗，針對規劃及建設提出了廠站配串建議。其中重點分析了該接線方式下拉停斷路器對限制短路電流的影響，并以實際廠站算例進行計算，說明了拉停斷路器限制短路電流的原理及效果，提出了該方法的適用范圍。主要結論以下：

1）一臺半斷路器主接線方式具備技術和運行條件成熟、供電可靠性高、運行方式靈活等特點，適合于構建500 kV主網架。

2）一臺半斷路器接線方式加強了廠站內所有出線及母線的電氣聯系，使得一個廠站聚合為一個節點，可能存在一回母線停用后另一回母線跳閘、或一回母線停用后對側多回同桿并架出線同時跳閘等故障造成主網架明顯削弱的風險，容易造成潮流疏散、暫態穩定特性下降等情況。

3）一臺半斷路器接線方式具備拉停斷路器控制短路電流的天然優勢，該方法既可有效降低短路電流，又可避免初始方式下削弱網架結構，具備較強的經濟性及推廣價值。

4）新500 kV 廠站的規劃、建設以及現有廠站改擴建過程中應充分考慮內部配串的合理性，避免故障后輸變電通道能力大降低。