邊宏宇，張 田，王 凱，黃暢想，呂 鵬

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

0 引言

近年來，隨著國家“西電東送”戰(zhàn)略的逐步深入，特高壓跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)工程持續(xù)投產(chǎn)，國網(wǎng)系統(tǒng)基本形成了東北、西北和西南三個大送端電網(wǎng)，以及華北、華東和華中三個大受端電網(wǎng)。以上電網(wǎng)中除西北電網(wǎng)采用330 kV主網(wǎng)架以外，其它五個區(qū)域電網(wǎng)均采用500 kV主網(wǎng)架，500 kV 系統(tǒng)在整個電力系統(tǒng)中承上啟下，既要轉(zhuǎn)供500 kV 層面電源及特高壓交直流饋入電力至220 kV 電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)，又要在穩(wěn)態(tài)調(diào)壓、故障后暫態(tài)穩(wěn)定及中長期動態(tài)穩(wěn)定中全面支撐，因此500 kV 主網(wǎng)架的安全可靠運(yùn)行對特高壓混聯(lián)大電網(wǎng)至關(guān)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(shù)和運(yùn)行條件成熟、供電可靠性高、運(yùn)行方式靈活等特點，在我國跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)以及實現(xiàn)清潔能源大范圍優(yōu)化配置中發(fā)揮了重要作用，對其關(guān)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(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大幅變化、系統(tǒng)阻抗大幅降低而造成的潮流分布不均衡降低輸電能力、穩(wěn)定特性降低及繼電保護(hù)不適應(yīng)等問題，逐漸成為國內(nèi)外電力工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注點[9-13]。

文獻(xiàn)[14]針對3/2接線方式在一次設(shè)備或開關(guān)處于檢修方式下，發(fā)生某些故障模式可能會造成多個設(shè)備停電的風(fēng)險，基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊捅Ｗo(hù)動作邏輯的設(shè)備風(fēng)險在線辨識技術(shù)，實現(xiàn)了一次設(shè)備或開關(guān)檢修后自動識別出具有N-2以上停電設(shè)備的潛在故障模式。文獻(xiàn)[15]針對3/2接線方式發(fā)生死區(qū)故障時斷路器的切除范圍擴(kuò)大的問題，分析了在不同保護(hù)CT配置方式下的死區(qū)故障的特點，提出了一種死區(qū)故障隔離與誤切元件快速恢復(fù)的方法，可快速恢復(fù)切除死區(qū)故障時的誤切斷路器，從而顯著提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。文獻(xiàn)[16]結(jié)合鹽都變3/2 斷路器接線方式的現(xiàn)場實際和典型操作票內(nèi)容，從操作順序上給出合理步驟，可避免帶負(fù)荷拉、合隔離開關(guān)誤操作。文獻(xiàn)[17]針對3/2接線系統(tǒng)故障診斷時容易誤判的情況，提出一種計及死區(qū)故障的Petri網(wǎng)故障診斷方法，通過邏輯辨識死區(qū)故障和時序約束檢查斷路器及其保護(hù)，對診斷模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行修正，提高了診斷的準(zhǔn)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(yùn)行特性的文獻(xiàn)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(jìn)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(jìn)行了分析，并以實際廠站算例進(jìn)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(yōu)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(wǎng)中根據(jù)廠站的位置和功能不同，大致有2～8串構(gòu)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(yōu)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(yùn)行狀態(tài)并形成環(huán)路，每條線路均由2臺斷路器供電，正常運(yùn)行方式下有效保證了每條出線的運(yùn)行可靠性，任一臺斷路器偷跳或停用均不影響出線正常運(yùn)行。

2）運(yùn)行方式靈活。運(yùn)行設(shè)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(yùn)且不影響線路或變壓器運(yùn)行，任一母線停用均不影響線路或變壓器運(yùn)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(yùn)行。

圖1 典型一臺半斷路器廠站示意圖

3）運(yùn)行操作簡單。母線轉(zhuǎn)停運(yùn)、備用及運(yùn)行等狀態(tài)僅需操作母線側(cè)斷路器及隔離開關(guān)，出線轉(zhuǎn)以上方式也僅需操作出線所連斷路器及隔離開關(guān)。

4）可通過拉停斷路器限制短路電流，具備操作簡單、應(yīng)急性強(qiáng)、普及性廣及節(jié)省投資等特點?？赏ㄟ^拉停部分?jǐn)嗦菲鲝?qiáng)制改變站內(nèi)環(huán)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(fēng)險

一臺半斷路器接線方式主要是加強(qiáng)了廠站內(nèi)所有出線及母線的電氣聯(lián)系，對整個電網(wǎng)而言一個廠站聚合為一個節(jié)點，優(yōu)點較為明顯。但由于電氣聯(lián)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(cè)母線所連的多回同桿并架出線同時跳閘等故障造成主網(wǎng)架明顯削弱的風(fēng)險，容易造成潮流疏散能力及暫態(tài)穩(wěn)定特性下降等情況，以下分別說明。

2.1 任一母線停運(yùn)后另一母線跳閘風(fēng)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(yùn)行，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較大，實際運(yùn)行中主要有以下常見風(fēng)險：

1）潮流疏散困難。變電站所有支路出串后系統(tǒng)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(chǎn)生潮流分布不均衡甚至反向，進(jìn)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(lián)絡(luò)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(zhuǎn)移至線路5。極端情況下，若1 號變壓器初始功率為上網(wǎng)，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(dǎo)致線路5 和線路1 過載，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）暫態(tài)穩(wěn)定性大幅變化。一回母線停用后若另一回跳閘，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(tài)功角及電壓變化劇烈，甚至超出系統(tǒng)極限而失穩(wěn)。另外，所有支路出串后系統(tǒng)等值阻抗增大，若連續(xù)發(fā)生其它故障也可能進(jìn)一步突破穩(wěn)定極限而失穩(wěn)。

2.2 母線停運(yùn)后對側(cè)同桿線路跳閘風(fēng)險

以圖1 所示變電站為例，若Ⅰ母線停用方式下對側(cè)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(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較大，實際運(yùn)行中主要有以下常見風(fēng)險：

1）潮流疏散困難。4 回出線同時斷開過程中潮流大幅轉(zhuǎn)移至其它線路及變壓器，斷開后系統(tǒng)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(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）暫態(tài)穩(wěn)定性大幅變化。一回母線停用后若對側(cè)同桿并架線路同時跳閘，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大幅變化，暫態(tài)功角及電壓變化劇烈，甚至超出系統(tǒng)穩(wěn)定極限而失穩(wěn)。故障后系統(tǒng)等值阻抗變大，若相繼發(fā)生其它故障也可能進(jìn)一步突破穩(wěn)定極限而失穩(wěn)。

3 拉停斷路器限制短路電流影響分析

近年來，隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐步加強(qiáng)，短路電流超標(biāo)問題凸顯，另外由于目前500 kV 主網(wǎng)廠站中還存在同一廠站內(nèi)多組遮斷容量為50 kA和63 kA斷路器混聯(lián)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(jī)方式等措施又會不同程度削弱網(wǎng)架或降低運(yùn)行方式的靈活性，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降，可能影響500 kV主網(wǎng)架安全。

相對于以上以削弱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(yōu)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?yōu)槌跏紡S站短路電流減去拉停串對側(cè)出線的短路貢獻(xiàn)電流，拉停任一完整串的邊斷路器可將任一出線側(cè)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?yōu)槌跏紡S站短路電流減去拉停串對側(cè)出線的短路貢獻(xiàn)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(biāo)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(cè)短路電流達(dá)到51.7 kA，超過斷路器可遮斷電流50 kA。

圖2 變電站結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 變壓器出口側(cè)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(xiàn)的短路電流遠(yuǎn)小于線路貢獻(xiàn)的短路電流，因此分析時主要考慮變壓器出線側(cè)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(cè)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(cè)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(jìn)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(cè)短路電流達(dá)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(yùn)行，避免采取停機(jī)、加裝串抗等措施帶來的降低穩(wěn)定性、增加投資以及大負(fù)荷方式下限制開機(jī)而影響供電能力等影響，需要根據(jù)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(yùn)行，短路電流超標(biāo)較多時可采取此措施。

以圖2 廠站為例，若采取停機(jī)措施，則至少需要停4 臺及以上裝機(jī)容量為600 MW 及以上的機(jī)組，可能導(dǎo)致大負(fù)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(lián)電抗器的措施，則會降低電網(wǎng)穩(wěn)定性并增加投資。相比之下，拉停斷路器具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)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(wǎng)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(biāo)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(biāo)幅度過大，可能無法降低至斷路器可遮斷容量之內(nèi)，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(jù)上述分析結(jié)果，并結(jié)合實際電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗，針對一臺半斷路器廠站規(guī)劃及建設(shè)提出如下原則和建議?？傮w原則：全接線及檢修方式下，發(fā)生N-1 或N-2 故障后，應(yīng)最大限度保持電網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(huán)網(wǎng)而產(chǎn)生大范圍潮流轉(zhuǎn)移；末端應(yīng)與主網(wǎng)之間至少應(yīng)保持一個通道，避免末端解列影響供電；應(yīng)避免多臺變壓器同時斷開或環(huán)網(wǎng)運(yùn)行；應(yīng)避免大容量發(fā)電廠全停。同時配串方案還應(yīng)統(tǒng)籌考慮短路電流、本期規(guī)劃、遠(yuǎn)期規(guī)劃及過渡方案等內(nèi)容。

主要配串建議如下，實際規(guī)劃實施中需要統(tǒng)籌考慮，根據(jù)實際情況突出重點，舍小保大。

1）同一串應(yīng)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(yīng)盡量安排在不同串，以避免出串后2 條線路形成環(huán)網(wǎng)，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(huán)網(wǎng)而造成輸電通道能力大幅降低。

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

4）變壓器支路應(yīng)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(yīng)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(wǎng)而引起220 kV 電網(wǎng)過載。

6）同一變電站內(nèi)的變壓器通常下供相同片區(qū)負(fù)荷，不同變壓器應(yīng)接入不同串以避免出串后多臺變壓器兩兩形成環(huán)網(wǎng)，不同變壓器不應(yīng)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(yùn)后，對側(cè)同桿線路同時跳閘導(dǎo)致多臺變壓器同時斷開。主要是防止多臺變壓器形成環(huán)網(wǎng)或同時斷開而造成地區(qū)下網(wǎng)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(yuǎn)期規(guī)劃限制，應(yīng)盡量將次要輸電線路配至“半串”。

8）與末端局部電網(wǎng)相連線路不應(yīng)配在一串，以避免出串后這些線路兩兩形成環(huán)網(wǎng)，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(huán)網(wǎng)而造成末端廠站供電能力大幅降低。

9）單個廠站串?dāng)?shù)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(biāo)，又可避免雙母線同時失去后電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劇烈變化及系統(tǒng)阻抗大幅降低而造成穩(wěn)定性降低。

7 結(jié)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(yōu)點及面臨的問題進(jìn)行了分析，并結(jié)合實際電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗，針對規(guī)劃及建設(shè)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(jìn)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(jié)論以下：

1）一臺半斷路器主接線方式具備技術(shù)和運(yùn)行條件成熟、供電可靠性高、運(yùn)行方式靈活等特點，適合于構(gòu)建500 kV主網(wǎng)架。

2）一臺半斷路器接線方式加強(qiáng)了廠站內(nèi)所有出線及母線的電氣聯(lián)系，使得一個廠站聚合為一個節(jié)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(cè)多回同桿并架出線同時跳閘等故障造成主網(wǎng)架明顯削弱的風(fēng)險，容易造成潮流疏散、暫態(tài)穩(wěn)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(yōu)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具備較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性及推廣價值。

4）新500 kV 廠站的規(guī)劃、建設(shè)以及現(xiàn)有廠站改擴(kuò)建過程中應(yīng)充分考慮內(nèi)部配串的合理性，避免故障后輸變電通道能力大降低。