董煒，華文，申屠磊璇，周靖皓，王龍飛，王博文

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)快速發(fā)展，負荷水平快速增長，裝機容量不斷增大，網(wǎng)架結構聯(lián)系更加緊密，500 kV及220 kV電壓等級的短路電流水平均逐年攀升，嚴重威脅著電網(wǎng)的安全可靠運行［1-3］。為降低短路電流水平，實際運行中通常采用設備停運、母線分列運行、線路出串運行、電網(wǎng)解環(huán)運行、采用高阻抗設備、變壓器中性點加裝電抗器等措施［4-9］，但這些措施可能會削弱電網(wǎng)網(wǎng)架結構，對電網(wǎng)運行的靈活性、經濟性、供電可靠性以及穩(wěn)定水平存在一定的負面影響［10-11］。因此，如何合理、有效、經濟地限制短路電流水平已經成為電網(wǎng)發(fā)展和電網(wǎng)安全運行亟需解決的問題。

目前，電網(wǎng)短路電流通常按照最大短路電流計算原則校核，以母線短路電流水平是否超過斷路器的遮斷容量為依據(jù)［12-13］，未考慮故障位置、斷路器動作順序、是否有斷路器被拉停等對流過斷路器的實際短路電流的影響，在部分場景下計算結果過于保守，降低了電網(wǎng)運行效率和供電可靠性［14］。因此，精細分析電網(wǎng)故障期間斷路器所需遮斷的短路電流，挖掘斷路器遮斷能力裕度，對提升電網(wǎng)安全性和運行效能具有重要意義。

文獻［14］針對3/2接線方式的500 kV變電站，提出了一種拉停斷路器限制短路電流的原理及選取原則，總結了拉停中斷路器或邊斷路器后，母線故障以及出線故障時流過各斷路器的最大短路電流。文獻［15-17］進一步分析了拉停斷路器對電網(wǎng)結構及安全穩(wěn)定水平的影響。然而現(xiàn)有研究只針對500 kV 變電站進行分析，缺少故障位置、斷路器動作時序等對220 kV 及以下電壓等級雙母雙分段接線變電站短路電流影響的分析，也未考慮單相短路故障時故障相斷路器重合閘過程中斷路器所需遮斷的短路電流，難以滿足短路電流日益增長下精準分析的需求。

對此，本文提出一種基于斷路器支路故障電流的短路電流評估方法。針對220 kV 及以下電壓等級雙母雙分段接線變電站以及500 kV 3/2 接線變電站，分析了不同故障位置、斷路器動作時序、斷路器拉停情況下流過斷路器的短路電流，并提出線路出口單相故障重合閘階段流過斷路器短路電流的計算方法。在此基礎上，分析得到故障下各斷路器所需遮斷的最大短路電流，將短路電流校核標準從母線短路電流不超過斷路器的遮斷容量精準化到故障后流過各斷路器的最大短路電流不超過其遮斷能力。

1 220 kV 及以下電壓等級變電站短路電流精細化校驗方法

220 kV 及以下變電站典型接線方式包括單母線接線、單母線分段、雙母線接線、雙母單分段、雙母雙分段等多種方式。不失一般性，本節(jié)以雙母雙分段接線方式為例，對基于斷路器支路故障電流的短路電流精細化校核方法進行分析，并認為母線故障對地短路電流等于各分支斷路器出口故障時對地短路電流。

典型的雙母雙分段接線方式如圖1所示，記母聯(lián)斷路器為KC1和KC2，母分斷路器為KD1和KD2；出線（含主變，下同）i上靠近所分析變電站的斷路器為本側斷路器KLi1，靠近對側變電站的斷路器稱為對側斷路器KLi2。

圖1 雙母雙分段接線Fig.1 Diagram of dual-bus dual-subsection wiring

根據(jù)變電站故障位置不同所引起短路電流的不同，針對出線故障和母線故障分別進行討論。為便于描述，若無特別指明是針對單相短路故障的分析，則后文中的分析對三相短路故障和單相短路故障均成立。

1.1 變電站出線故障時短路電流分析

若變電站內存在空充線路，則該空充線路出口故障時，出線上斷路器所需遮斷的短路電流即為母線短路電流。

若變電站內不存在空充線路，考慮出線i故障，繼電保護動作下出線i上本側斷路器KLi1和對側斷路器KLi2相繼動作，根據(jù)KLi1和KLi2的動作順序，可以分為兩種情況：

1）本側斷路器KLi1先于對側斷路器KLi2動作。

故障出線i上本側斷路器KLi1最先跳開時，KLi1所需遮斷的短路電流為母線短路電流與故障出線支路短路電流的差值，即：

式中：IK1i為本側斷路器先動作時KLi1所需遮斷的短路電流值；IB為母線短路電流；Ii為出線i的支路短路電流。

由式（1）可以看出，故障出線本側斷路器先動作情況下，故障出線i為支路短路電流最小的出線時，故障出線上本側斷路器所需遮斷的短路電流為各出線故障中的最大值，即：

式中：IK1max為故障出線上本側斷路器先動作情況下斷路器所需遮斷的最大短路電流。

2）本側斷路器KLi1晚于對側斷路器KLi2動作。

出線i本側斷路器KLi1晚于對側斷路器KLi2動作時，KLi1所需遮斷的短路電流為拉停故障出線i時的母線短路電流，即：

式中：IK2i為本側斷路器先動作下KLi1所需遮斷的短路電流值；I′Bi為拉停故障出線i時的母線短路電流。

那么故障出線對側斷路器先動作情況下，變電站內斷路器所需遮斷的最大短路電流IK2max為站內任一線路停運時的母線短路電流的最大值，即：

1.2 變電站母線故障時短路電流分析

若變電站內存在空母線，當空母線發(fā)生故障時，空母線相鄰母聯(lián)斷路器和母分斷路器相繼動作，兩者中后動作的斷路器所需遮斷的短路電流為母線短路電流。

若變電站內不存在空母線，母線發(fā)生故障時，與該段母線相鄰的母聯(lián)斷路器和母分斷路器以及該段母線上各出線本側斷路器將動作。各出線上斷路器KLi1動作時所需遮斷的短路電流為該支路上的短路電流Ii。對于母聯(lián)斷路器和母分斷路器，根據(jù)其與其他斷路器的動作順序，可以分為以下兩種情況：

1）故障母線相鄰的母聯(lián)斷路器或母分斷路器后一個動作的斷路器動作時，故障母線上其他斷路器均未動作。此時，該母聯(lián)斷路器或母分斷路器所需遮斷的短路電流為非故障母線上各支路短路電流之和，即：

式中：Is1為母分斷路器或母聯(lián)斷路器所需遮斷的短路電流；Ij為故障母線上各出線的支路短路電流。

以圖1中正母Ⅱ段故障為例，正母Ⅱ段上各出線本側斷路器以及母聯(lián)斷路器KC2、母分斷路器KD1將動作。假設KC2晚于KD1動作，且KC2動作時正母Ⅱ段上各出線斷路器未動作，此時KC2所需遮斷的最大短路電流為正母Ⅰ段、副母Ⅰ段和副母Ⅱ段上各出線支路短路電流之和。

對比式（2）和式（5）可知，考慮各段母線故障的情況，Is1的最大值一定不大于IK1max。

2）故障母線相鄰的母聯(lián)斷路器或母分斷路器后一個動作的斷路器動作時，故障母線上各出線斷路器部分動作。此時，該母聯(lián)斷路器或母分斷路器所需遮斷的短路電流為拉停已動作設備時的母線短路電流Is2。由式（3）和式（4）可知，Is2的最大值一定不大于IK2max。

1.3 線路單相故障單跳單重階段短路電流分析

在出線i（不含主變）出口發(fā)生單相短路故障時，需要考慮重合閘動作，即故障相斷路器動作、單相重合閘的過程。

若本側斷路器先動作，如圖2（a）所示，單相短路故障時，故障相本側斷路器所需遮斷的短路電流為母線短路電流減去故障支路i的短路電流，即IB-Ii，與IK1i相同。

若故障相對側斷路器先動作，如圖2（b）所示，則此時故障相本側斷路器所需遮斷的短路電流等效于故障相支路跳開時，系統(tǒng)非全相運行情況下的母線的短路電流，如圖2（c）所示。記該短路電流為IK3i，并記各出線故障中IK3i的最大值為IK3max。

圖2 單相故障重合閘階段短路電流計算示意圖Fig.2 Diagram of short-circuit current calculation in single-phase fault reclosing stage

1.4 變電站內斷路器支路最大短路電流分析

綜合上文分析可知，若變電站內存在空母線或者空充線路，則該站內斷路器支路需要遮斷的最大短路電流即為母線短路電流。

若變電站無空充母線或者空充線路，則該站內斷路器支路需要遮斷的最大短路電流出現(xiàn)在變電站出線故障時，具體情況如下：

1）對于三相故障，站內斷路器支路需要遮斷的最大三相短路電流IK為故障出線上本側斷路器先動作情況下的最大短路電流IK1max和故障出線對側斷路器先動作情況下的最大短路電流IK2max中的最大值，即：

2）對于單相故障，站內斷路器支路需要遮斷的最大單相短路電流IK為IK1max、IK2max和單跳單重階段中故障相對側斷路器先動作時的最大短路電流IK3max中的最大值，即：

由此可見，通過精細化計算，可將短路電流校核精準化到故障后流過各斷路器的最大短路電流不超過其遮斷能力，相較于母線短路電流水平以不超過斷路器的遮斷容量為判斷標準，其可以有效釋放短路電流限制裕度，提高電網(wǎng)運行效能。

2 500 kV變電站短路電流精細化校驗方法

500 kV變電站通常采用3/2接線方式，如圖3所示。記串i上母線Ⅰ側的邊開關為Ki1、中開關為Ki2、母線Ⅱ側邊開關為Ki3，母線Ⅰ側、母線Ⅱ側出線分別為出線i和出線n+i。根據(jù)變電站中是否有中斷路器或邊斷路器拉停，分別針對不同故障位置和斷路器動作時序下的最大短路電流進行分析。

圖3 500 kV變電站2/3接線Fig.3 Diagram of three-to-two wiring of a 500 kV substation

2.1 變電站全接線方式最大短路電流分析

當母線發(fā)生故障時，故障母線側的邊斷路器相繼動作，最后跳開的邊斷路器需要承受的短路電流最大，為母線短路電流IB。

因此，變電站中無斷路器拉停時，站內斷路器所需遮斷的最大短路電流為母線短路電流。

2.2 中斷路器拉停時短路電流分析

如圖4 所示，考慮中斷路器Kj2被拉停，對此時的最大短路電流進行分析。

圖4 中斷路器拉停時短路電流分析Fig.4 Short-circuit current analysis when the middle circuit breaker is switched off

2.2.1 變電站出線故障

考慮出線i故障，出線i本側斷路器（邊斷路器Ki1或Ki3和中斷路器Ki2）及對側斷路器將動作。

若本側斷路器先于對側斷路器動作，則本側邊斷路器和中斷路器兩者中后動作的需遮斷的短路電流更大（i=j或i=n+j時，僅邊斷路器Ki1或Ki3動作），為母線短路電流減去故障出線i的支路短路電流，即IK1i=IB-Ii，IK1i的最大值為IK1max。

若本側斷路器晚于對側斷路器動作，則本側邊斷路器和中斷路器兩者中后動作的需遮斷的短路電流更大（i=j或i=n+j時，僅邊斷路器Ki1或Ki3動作），為拉停故障出線i時的母線短路電流，即IK2i=，IK2i的最大值為IK2max。

線路單相故障單跳單重階段短路電流分析與上節(jié)中220 kV 變電站單跳單重階段短路電流的計算方法一致。若本側斷路器先于對側斷路器動作，本側邊斷路器和中斷路器兩者中后動作的需遮斷的短路電流更大（i=j或i=n+j時，僅邊斷路器Ki1或Ki3動作），為母線短路電流減去故障支路i的短路電流，即IB-Ii，與IK1i相同。若故障相本側斷路器晚于對側斷路器動作，則本側邊斷路器和中斷路器兩者中后動作的需遮斷的短路電流更大，等效于故障相支路跳開時系統(tǒng)非全相運行情況下的母線短路電流IK3i。

2.2.2 變電站內母線故障

母線故障后，故障母線側各邊斷路器相繼動作，根據(jù)被拉停中斷路器所在串上邊斷路器的動作時序，可分為兩種情況。下面以母線Ⅰ為例進行分析，假設故障后邊斷路器K11，…，Kn1相繼動作，則有：

1）邊斷路器Kj1最后動作。

邊斷路器Kj1所需遮斷的短路電流為出線j由對側空充、末端發(fā)生故障時的短路電流。倒數(shù)第二個動作的斷路器需要承受的短路電流最大，為母線短路電流IB與出線j支路短路電流之差，即Is1=IB-Ij，Is1的最大值一定不大于IK1max。

2）邊斷路器Kj1非最后動作。

邊斷路器Kj1所需遮斷的短路電流為出線j提供的支路短路電流Ij。最后動作的斷路器所需遮斷的短路電流最大，為出線j拉停時的母線短路電流Is2，Is2的最大值一定不大于IK2max。

2.2.3 中斷路器拉停時站內最大短路電流分析

1）對于三相故障，站內斷路器需要遮斷的最大三相短路電流IK為故障出線上本側斷路器先動作情況下的最大短路電流IK1max和故障出線對側斷路器先動作情況下的最大短路電流IK2max中的最大值，即：

2）對于單相故障，站內斷路器支路需要遮斷的最大單相短路電流IK為IK1max、IK2max和單跳單重階段故障相對側斷路器先動作時的最大短路電流IK3max中的最大值，即：

2.3 邊斷路器拉停時短路電流分析

如圖5 所示，考慮邊斷路器Kj1被拉停，對此時的短路電流進行分析。

圖5 邊斷路器拉停時短路電流分析Fig.5 Short-circuit current analysis when the side circuit breaker is switched off

2.3.1 變電站出線故障

1）故障出線i非出線n+j，出線i本側斷路器（邊斷路器Ki1或Ki3和中斷路器Ki2）及對側斷路器將動作。

若本側斷路器先于對側斷路器動作，則本側邊斷路器和中斷路器兩者中后動作的需遮斷的短路電流更大，為母線短路電流減去故障出線i的支路短路電流，即IB-Ii。特別需要說明的是，當i=j時，即被拉停邊斷路器所在串上出線j故障時，僅中斷路器Kj2動作，所需遮斷的短路電流為IB-Ij。

若本側斷路器晚于對側斷路器動作，則本側邊斷路器和中斷路器兩者中后動作的需遮斷的短路電流更大，為拉停故障出線i時的母線短路電流。特別需要說明的是，當i=j時，僅邊斷路器Ki1（或Ki3）動作，所需遮斷的短路電流為。

2）故障出線i為出線n+j，邊斷路器Kj3和中斷路器Kj2及對側斷路器將動作。

（1）若本側斷路器先于對側斷路器動作。根據(jù)Kj2和Kj3的動作順序又可以分為兩種情況。

若中斷路器Kj2先動作，Kj2所需遮斷的短路電流為出線j的支路短路電流Ij，Kj3所需遮斷的短路電流為拉停出線j后的母線短路電流。

若邊斷路器Kj3先動作，Kj3所需遮斷的短路電流為母線短路電流與出線j和出線n+j支路短路電流的差值，即IB-（Ij+In+j）。Kj2所需遮斷的短路電流為出線j和出線n+j出串運行后出串點的短路電流。

（2）若本側斷路器晚于對側斷路器動作，中斷路器Kj2所需遮斷的短路電流為拉停出線n+j時出線j的支路短路電流，邊斷路器Kj3所需遮斷的短路電流為拉停出線n+j時母線短路電流與出線j支路短路電流的差值。

線路單相故障單跳單重過程中的分析與中斷路器拉停時的分析方法一致，故障相本側斷路器晚于對側斷路器動作時，斷路器所需遮斷的短路電流等效于故障相支路跳開時系統(tǒng)非全相運行情況下的母線短路電流。

2.3.2 變電站內母線故障

母線故障后，假設故障母線側各邊斷路器相繼動作，根據(jù)故障母線的不同，可分為兩種情況。

1）被拉停邊斷路器側母線故障。

被拉停邊斷路器Kj1側母線故障，即母線I 故障時，斷路器Ki1（i=1，…，n，i≠j）相繼動作，最后一個動作的斷路器所需遮斷的短路電流為母線短路電流。

2）被拉停邊斷路器Kj1對側母線故障。

被拉停邊斷路器Kj1對側母線故障，即母線Ⅱ故障時，斷路器Ki3（i=1，…，n）相繼動作。

若Kj3最后動作，則Kj3所需遮斷的短路電流為第j串上出線j和出線n+j提供的短路電流之和，即Ij+In+j。倒數(shù)第二個動作的斷路器所需遮斷的短路電流最大，為母線短路電流與第j串上出線支路短路電流的差值，即IB-（Ij+In+j）。

若Kj3非最后動作，Kj3所需遮斷的短路電流同樣為第j串上出線j和出線n+j提供的短路電流之和，即Ij+In+j。最后一個動作的斷路器所需遮斷的短路電流最大，為出線j和出線n+j在站內出串后的母線短路電流。

2.3.3 邊斷路器拉停時站內最大短路電流分析

綜上，變電站邊斷路器拉停時，站內斷路器所需遮斷的最大短路電流為母線短路電流，此時故障為被拉停邊斷路器側母線故障。

由此可見，如果考慮通過拉停邊斷路器的方式來限制短路電流，則還需要至少拉開另一側母線的一個邊斷路器［14-15］。

3 算例分析

本章采用第1章和第2章中所提的基于斷路器支路故障電流的短路電流評估方法分別對220 kV和500 kV 變電站進行實例分析，將短路電流計算精準到故障后流過各斷路器的最大短路電流不超過其遮斷能力，以驗證分析方法的有效性。

3.1 220 kV變電站短路電流分析

以如圖1 所示某雙母雙分段接線的220 kV 變電站為例，該變電站具有10 回出線，不存在空充母線和空充線路，其母線及各支路短路電流如表1所示。

分別計算每條出線本側斷路器先動作時所需遮斷的最大短路電流IK1i、對側斷路器先動作時所需遮斷的最大短路電流IK2i以及線路單相故障時重合閘階段的單相短路電流，結果列于表1，可以看出：

表1 某220 kV變電站各支路及斷路器不同動作時序下短路電流Table 1 Short-circuit current of each branch circuit and circuit breaker in different action sequences of a 220 kV substation kA

1）出線故障本側斷路器先動作時所需遮斷的最大三相短路電流為46.6 kA，所需遮斷的最大單相短路電流為43.5 kA。

2）出線故障對側斷路器先動作時所需遮斷的最大三相短路電流為49.1 kA，所需遮斷的最大單相短路電流為45.6 kA。

3）線路單相故障重合閘階段所需遮斷的最大單相短路電流為45.5 kA。

綜合以上分析，可得所需遮斷的最大三相短路電流為max（IK1i，IK2i）=IK27=49.1 kA，即出線7發(fā)生三相短路故障對側斷路器先動作時本側斷路器KL71所遮斷的三相短路電流。所需遮斷的最大單相短路電流為max（IK1i，IK2i，IK3i）=IK22=45.6 kA，即出線2發(fā)生單相短路故障對側斷路器先動作時本側斷路器KL21所遮斷的單相短路電流。

對比母線三相、單相短路電流分別為49.5 kA、46.2 kA，利用本文所提精細化評估方法，將三相、單相短路電流精確到故障后的斷路器實際所需遮斷的三相短路電流和單相短路電流分別為49.1 kA、45.6 kA，有效釋放了短路電流限制裕度，提高了電網(wǎng)運行效能。

3.2 500 kV變電站短路電流分析

某500 kV 變電站接線及母線短路電流、各支路短路電流如圖6所示，其三相和單相短路電流分別為62.5 kA和63.4 kA，逼近和超過63 kA的斷路器遮斷能力。考慮通過拉停中斷路器K42的方式來限制該變電站的短路電流水平，利用第2章所提方法對拉停K42后的短路電流進行分析。

圖6 某500 kV變電站接線及短路電流Fig.6 Wiring and short-circuit current of a 500 kV substation

1）變電站內母線故障。

（1）I母故障時，邊斷路器K11-K41動作。若K41最后動作，則除K41外的最后一個邊斷路器所需遮斷的短路電流最大，為母線短路電流減去出線4所提供的支路短路電流，即所需遮斷的三相和單相短路電流分別為50.5 kA和48.8 kA。

若K41非最后動作，則最后一個動作的邊斷路器所需遮斷的短路電流最大，為拉停出線4時的母線短路電流，通過計算得到，三相短路電流和單相短路電流分別為53.2 kA和51.7 kA。

（2）Ⅱ母故障時，邊斷路器K13-K43動作。若K43最后動作，則除K43外的最后一個邊斷路器所需遮斷的短路電流最大，為母線短路電流減去出線8所提供的支路短路電流，即所需遮斷的三相和單相短路電流分別為50.8 kA和53.1 kA。

若K43非最后動作，則最后一個動作的邊斷路器所需遮斷的短路電流最大，為拉停出線8時的母線短路電流，通過計算得到，三相短路電流和單相短路電流分別為58.1 kA和59.3 kA。

2）變電站出線故障。

分別計算每條出線本側斷路器先動作時所需遮斷的最大短路電流IK1i、對側斷路器先動作時所需遮斷的最大短路電流IK2i以及線路單相故障時重合閘階段的單相短路電流IK3i，結果如表2 所示，可以看出：

表2 某500 kV變電站各支路及斷路器不同動作時序下短路電流Table 2 Short-circuit current of each branch circuit and circuit breaker in different action sequences of a 500 kV substation kA

（1）出線故障本側斷路器先動作時所需遮斷的最大三相短路電流為54.9 kA，所需遮斷的最大單相短路電流為56.8 kA。

（2）出線故障對側斷路器先動作時所需遮斷的最大三相短路電流為58.5 kA，所需遮斷的最大單相短路電流為59.5 kA。

（3）線路單相故障重合閘階段所需遮斷的最大單相短路電流為60 kA。

根據(jù)以上分析，可得所需遮斷的最大三相短路電流為max（IK1i，IK2i）=IK23=58.5 kA，即出線3發(fā)生三相短路故障且對側斷路器先動作時，本側邊斷路器K31和中斷路器K32兩者中后動作的一個所遮斷的三相短路電流。所需遮斷的最大單相短路電流為max（IK1i，IK2i，IK3i）=IK31=60 kA，即出線1發(fā)生單相故障，單跳單重階段對側斷路器先動作時，本側邊斷路器K11和中斷路器K12兩者中后動作的一個所遮斷的單相短路電流。

綜上，拉停中斷路器K42后，各種故障下斷路器所需遮斷的最大短路電流為60 kA，低于63 kA的遮斷能力，實現(xiàn)了短路電流的有效抑制。

4 結語

本文提出了一種基于斷路器支路故障電流的短路電流評估方法。從不同故障位置、斷路器不同動作時序、是否有斷路器拉停、線路單相故障單跳單重階段等多方面對220 kV 雙母雙分段接線變電站和500 kV 3/2 接線變電站的短路電流進行分析，明確了故障后站內斷路器所需遮斷的最大短路電流，將短路電流校核標準精準化到故障后流過各斷路器的最大短路電流不超過其遮斷能力。

1）對于存在空母線或者空充線路的220 kV 雙母雙分段接線變電站，以及全接線方式下和單一邊斷路器拉停時的500 kV 3/2 接線變電站，站內斷路器所需遮斷的最大短路電流為母線短路電流。

2）對于不存在空母線或者空充線路的220 kV雙母雙分段接線變電站，以及中斷路器拉停時的500 kV 3/2 接線變電站，三相故障時站內斷路器支路需要遮斷的最大三相短路電流為本側斷路器先動作情況下的最大短路電流和對側斷路器先動作情況下的最大短路電流兩者中的最大值；單相故障時，站內斷路器支路需要遮斷的最大單相短路電流為本側斷路器先動作情況下的最大短路電流、對側斷路器先動作情況下的最大短路電流以及單跳單重階段故障相對側斷路器先動作時的最大短路電流三者中的最大值。

3）單跳單重階段，本側斷路器先動作時，故障相本側斷路器所需遮斷的短路電流為母線短路電流與故障支路短路電流的差值；故障相對側斷路器先動作時，故障相本側斷路器所需遮斷的短路電流等效于故障相支路跳開時，系統(tǒng)非全相運行情況下的母線短路電流。