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【摘要】钢厂自供电系统随着主体工程扩建而不断扩容。扩容后原系统中的220kV和110kV GIS开关的分断能力必须经过严格的校验。如果系统短路电流中的直流分量超标，将导致开关无法及时切断故障点，甚至可能扩大故障范围。
【关键词】供电系统；GIS开关；短路电流；交流分量；直流分量
一、前言
华东地区某钢厂始建于上世纪中国改革开放的初期，后经过一、二、三期工程的建设，形成了年产1600万吨钢的规模。配套的供电系统由一期系统（包括二期，以下同）和三期系统组成，主要电压等级有220kV、110kV、10kV、3kV等。一期系统1982年投运，三期系统1996年投运。当前，一期系统、三期系统各变电所负荷均已接近满载，变电所内可扩建、改造的场地非常有限。另外，因华东电力系统不断发展、扩大，接入市电电网220kV系统PCC点短路电流已远大于40kA（实际已近50kA），一受电变电所220kV GIS开关已不适应短路电流要求，在三期工程时，已由31.5kA经改造后达40kA，无法实现再增容；如实施就地更新改造，其周期长、安全可靠性差。
原有供电系统单线系统图参见附图1。
在钢厂的建设之初，鉴于钢厂负荷巨大，且其自身安全生产的要求高，同时为减轻对整个市电电网的负荷压力，合理平衡钢厂内部各类煤气、蒸汽等动力资源，与主体炼钢、轧钢工程配套，先后建设了1-3#掺烧高炉煤气的350 MW/台燃煤发电机组和1台全烧高炉煤气的159 MW CCPP发电机组。到本世纪初，钢厂的最大计算负荷约为120万kW，基本与其自发电能力相当。
本世纪初，公司制定了新一轮的发展规划，将总钢产能提升到1800万吨，且大幅提高了高附加值产品的比例。为此，相应增加了近50万kW的用电负荷。要实现所有新增负荷高安全可靠性的供电，原有系统容量已无法满足要求，必须进行扩容改造。系统扩容后原系统中的220kV和110kV SF6 GIS的分断能力是否能适应改造后系统的短路容量是一个不容忽视的问题。因为，一旦发生短路故障，若GIS开关不能针对性地将故障点从系统中及时切除，将给供电系统及整个钢厂的安全运行带来灾难性的后果。
扩容方案的设计不仅要兼顾原有电力系统设备的能力，更重要的是必须统筹兼顾钢厂现有用电设备的安全稳定运行和预留未来发展的合理配置。
经过反复多次技术经济比较，方案方才基本确定，即增建三受电变电所和新设一台掺烧高炉煤气的350 MW 4#发电机组。三受电变电所的220kV电源，由原送一受电变电所的三回220kV架空电源线倒入，而一受电变电所则改由三受电变电所供电；原一受电变电所220kV GIS拆除，其两台主变压器接线方式改为线路变压器组；新增4#发电机接入二受电变电所。
初步确定的扩容改造系统主接线图见附图2。
该方案技术上是否切实可行，关键就取决于在最大运行方式下系统的短路容量是否超过了原有设备的能力；若超过，则原有设备如何以最小的改动来适应新系统的运行要求。
二、短路容量计算
在前期方案比较时进行的初步计算基础上，需针对确定的方案再次进行短路电流的计算，以便校核现有设备的能力并确定新增设备的额定容量。在着手短路电流计算前，经过反复研讨、简化，最终确立了以下几个前提条件：
钢厂负荷中，所有同步电机按照故障时一半容量处于发电状态进行计算。
钢厂10kV及以下电压等级、容量在1000kW以下的异步电动机多达数千台，在220kV和110kV系统故障时其反馈电流不计入。主要有鉴于这些异步机与短路点之间的电气距离至少经过一次变压，其短路电流对故障点贡献衰减非常快，因而可忽略不计。
原有发电机机组（含高炉余压发电、干熄焦CDQ发电）、大型同步机（如高炉鼓风机、制氧机等）的电气参数按照原系统条件，不做调整；但6#制氧机从二受电变电所改自三受电变电所供电；新增其他负荷按区域分配；4#發电机的升压变压器阻抗比原3套机组适当提高，以降低系统短路容量，暂定18%。
原系统中的220kV和110kV SF6 GIS设定的开断动作时间为70 mS。若校验通不过，则可考虑适当延长至90mS。
系统的运行方式：最大方式考虑厂内发电机、同步电动机、异步电动机全部投入运行，三受电变电所和二受电变电所间的220kV联络线运行。
华东电力系统的最大运行方式由电力公司确定为：在新建某电厂2台100MW燃机投产后（2006～2007年）且给钢厂供电的区域变电所为单片运行时，系统对钢厂提供的短路电流为边界条件（即220kV电网侧最大短路容量，值为19000MVA，远景分片运行后将降低）。
计算最大方式下二受电和三受电变电所220kV母线及一受电变电所、二受变电所、中央变电所、2轧钢变电所和三受电变电所110kV母线短路电流及分支电流；
计算在0秒、0.041秒、0.07秒、0.09秒，∞秒时各短路电流的交流和直流分量。远景大方式计算各级母线0秒交流周期分量（包含分支电流）。
三、设备能力的校核
钢厂原供电系统设备的分段能力如下：
一受电220kV和110kV GIS、中央变和二轧钢变的110kV GIS以及二受电的110kV GIS开关的开断能力均为40KA，二受电220kV GIS开关的开断能力为50KA。
根据日本电气学会JEC-181（国际电工学会IEC也有类似的规定）的有关规定，高压断路器的断流容量用切断短路电流的交流分量有效值来表示；同时，由于短路电流中含有直流分量，因而在核算开关能力时还需考虑直流分量的限制，这种限制用直流分量的百分比表示，具体为：
直流分量%=短路电流中的直流分量/*交流分量 而开关将短路电流从系统中切除的时间只能发生在每隔半个周波、短路电流中交流分量过零点的时刻。在开关开断的时刻，短路电流中的直流分量只有小于某个限值，才能在第一次交流分量过零点时成功熄弧，从而将短路点从系统中切除。
若超过该限值，则开关在分断时将无法熄弧，从而可能引起重复拉狐、系统故障电压振动上升，最终将导致设备绝缘经受很大的考验甚至被击穿。
GIS开关切断短路电流的时间是指在过电流保护继电器动作后，开关的动触头离开静触头的时间（一般称为开极时间）与燃弧时间（交流分量过零点时熄弧）之和。
开关本身的动作时间在设备制作完成后就完全确定了。钢厂原有一期供电系统中的220kV和110kV GIS基本为3周波（按照50Hz的系统频率，加上过电流保护速断继电器的动作时间10mS，对应于短路电流计算表中的0.07秒），而三期系统中的二受电和二轧钢变为2周波开断时间（对应于短路电流计算表中的0.04秒）。当然，任何设备的额定能力在设计、制造时都留有20%左右的裕量，比如2周波GIS的实际开断直流分量的能力在型式实验时基本多在57%以上。
根据前述短路电流计算结果和设备的分断能力，钢厂扩容后，原有系统中的220kV和110kV GIS开断能力校验结果如下：
从上表中可以看出，通过新建三受电变电所，将原一受电变电所的220kV电源转接到三受电，调高4#发电机的升压变压器短路阻抗后，原钢厂内高压供电系统设备的分断容量基本在设备的能力范围之内；个别系统的设备若不能满足要求，则可通过适当延后开关的开断时点来达成。
根据短路电流计算的结果，最终选定三受电变电所新增220kV和110kV GIS的额定短路电流开断能力分别为50KA和40KA。
四、结论与建议
高压系统220kV和110kV GIS的開断能力是一个综合指标，不但要看短路电流中交流分量，还要校验其中的直流分量。
任何一个制造型企业，其发展的历程基本都是从一个相对小的规模起步，经过几年的生产运行后，会不断扩大规模。这一点应该在建厂初期就要做好长远规划，最起码在可能的地域范围内对未来总体布局要有基本蓝图。配套的公用工程也应随之做系统的安排。自供电系统中设备功能规格的确定必须要留有一定的裕量，即便因其所引起的投资增加过大而一时无法考虑，则也应设法给后期留有改造的可能。
【关键词】供电系统；GIS开关；短路电流；交流分量；直流分量
一、前言
华东地区某钢厂始建于上世纪中国改革开放的初期，后经过一、二、三期工程的建设，形成了年产1600万吨钢的规模。配套的供电系统由一期系统（包括二期，以下同）和三期系统组成，主要电压等级有220kV、110kV、10kV、3kV等。一期系统1982年投运，三期系统1996年投运。当前，一期系统、三期系统各变电所负荷均已接近满载，变电所内可扩建、改造的场地非常有限。另外，因华东电力系统不断发展、扩大，接入市电电网220kV系统PCC点短路电流已远大于40kA（实际已近50kA），一受电变电所220kV GIS开关已不适应短路电流要求，在三期工程时，已由31.5kA经改造后达40kA，无法实现再增容；如实施就地更新改造，其周期长、安全可靠性差。
原有供电系统单线系统图参见附图1。
在钢厂的建设之初，鉴于钢厂负荷巨大，且其自身安全生产的要求高，同时为减轻对整个市电电网的负荷压力，合理平衡钢厂内部各类煤气、蒸汽等动力资源，与主体炼钢、轧钢工程配套，先后建设了1-3#掺烧高炉煤气的350 MW/台燃煤发电机组和1台全烧高炉煤气的159 MW CCPP发电机组。到本世纪初，钢厂的最大计算负荷约为120万kW，基本与其自发电能力相当。
本世纪初，公司制定了新一轮的发展规划，将总钢产能提升到1800万吨，且大幅提高了高附加值产品的比例。为此，相应增加了近50万kW的用电负荷。要实现所有新增负荷高安全可靠性的供电，原有系统容量已无法满足要求，必须进行扩容改造。系统扩容后原系统中的220kV和110kV SF6 GIS的分断能力是否能适应改造后系统的短路容量是一个不容忽视的问题。因为，一旦发生短路故障，若GIS开关不能针对性地将故障点从系统中及时切除，将给供电系统及整个钢厂的安全运行带来灾难性的后果。
扩容方案的设计不仅要兼顾原有电力系统设备的能力，更重要的是必须统筹兼顾钢厂现有用电设备的安全稳定运行和预留未来发展的合理配置。
经过反复多次技术经济比较，方案方才基本确定，即增建三受电变电所和新设一台掺烧高炉煤气的350 MW 4#发电机组。三受电变电所的220kV电源，由原送一受电变电所的三回220kV架空电源线倒入，而一受电变电所则改由三受电变电所供电；原一受电变电所220kV GIS拆除，其两台主变压器接线方式改为线路变压器组；新增4#发电机接入二受电变电所。
初步确定的扩容改造系统主接线图见附图2。
该方案技术上是否切实可行，关键就取决于在最大运行方式下系统的短路容量是否超过了原有设备的能力；若超过，则原有设备如何以最小的改动来适应新系统的运行要求。
二、短路容量计算
在前期方案比较时进行的初步计算基础上，需针对确定的方案再次进行短路电流的计算，以便校核现有设备的能力并确定新增设备的额定容量。在着手短路电流计算前，经过反复研讨、简化，最终确立了以下几个前提条件：
钢厂负荷中，所有同步电机按照故障时一半容量处于发电状态进行计算。
钢厂10kV及以下电压等级、容量在1000kW以下的异步电动机多达数千台，在220kV和110kV系统故障时其反馈电流不计入。主要有鉴于这些异步机与短路点之间的电气距离至少经过一次变压，其短路电流对故障点贡献衰减非常快，因而可忽略不计。
原有发电机机组（含高炉余压发电、干熄焦CDQ发电）、大型同步机（如高炉鼓风机、制氧机等）的电气参数按照原系统条件，不做调整；但6#制氧机从二受电变电所改自三受电变电所供电；新增其他负荷按区域分配；4#發电机的升压变压器阻抗比原3套机组适当提高，以降低系统短路容量，暂定18%。
原系统中的220kV和110kV SF6 GIS设定的开断动作时间为70 mS。若校验通不过，则可考虑适当延长至90mS。
系统的运行方式：最大方式考虑厂内发电机、同步电动机、异步电动机全部投入运行，三受电变电所和二受电变电所间的220kV联络线运行。
华东电力系统的最大运行方式由电力公司确定为：在新建某电厂2台100MW燃机投产后（2006～2007年）且给钢厂供电的区域变电所为单片运行时，系统对钢厂提供的短路电流为边界条件（即220kV电网侧最大短路容量，值为19000MVA，远景分片运行后将降低）。
计算最大方式下二受电和三受电变电所220kV母线及一受电变电所、二受变电所、中央变电所、2轧钢变电所和三受电变电所110kV母线短路电流及分支电流；
计算在0秒、0.041秒、0.07秒、0.09秒，∞秒时各短路电流的交流和直流分量。远景大方式计算各级母线0秒交流周期分量（包含分支电流）。
三、设备能力的校核
钢厂原供电系统设备的分段能力如下：
一受电220kV和110kV GIS、中央变和二轧钢变的110kV GIS以及二受电的110kV GIS开关的开断能力均为40KA，二受电220kV GIS开关的开断能力为50KA。
根据日本电气学会JEC-181（国际电工学会IEC也有类似的规定）的有关规定，高压断路器的断流容量用切断短路电流的交流分量有效值来表示；同时，由于短路电流中含有直流分量，因而在核算开关能力时还需考虑直流分量的限制，这种限制用直流分量的百分比表示，具体为：
直流分量%=短路电流中的直流分量/*交流分量 而开关将短路电流从系统中切除的时间只能发生在每隔半个周波、短路电流中交流分量过零点的时刻。在开关开断的时刻，短路电流中的直流分量只有小于某个限值，才能在第一次交流分量过零点时成功熄弧，从而将短路点从系统中切除。
若超过该限值，则开关在分断时将无法熄弧，从而可能引起重复拉狐、系统故障电压振动上升，最终将导致设备绝缘经受很大的考验甚至被击穿。
GIS开关切断短路电流的时间是指在过电流保护继电器动作后，开关的动触头离开静触头的时间（一般称为开极时间）与燃弧时间（交流分量过零点时熄弧）之和。
开关本身的动作时间在设备制作完成后就完全确定了。钢厂原有一期供电系统中的220kV和110kV GIS基本为3周波（按照50Hz的系统频率，加上过电流保护速断继电器的动作时间10mS，对应于短路电流计算表中的0.07秒），而三期系统中的二受电和二轧钢变为2周波开断时间（对应于短路电流计算表中的0.04秒）。当然，任何设备的额定能力在设计、制造时都留有20%左右的裕量，比如2周波GIS的实际开断直流分量的能力在型式实验时基本多在57%以上。
根据前述短路电流计算结果和设备的分断能力，钢厂扩容后，原有系统中的220kV和110kV GIS开断能力校验结果如下：
从上表中可以看出，通过新建三受电变电所，将原一受电变电所的220kV电源转接到三受电，调高4#发电机的升压变压器短路阻抗后，原钢厂内高压供电系统设备的分断容量基本在设备的能力范围之内；个别系统的设备若不能满足要求，则可通过适当延后开关的开断时点来达成。
根据短路电流计算的结果，最终选定三受电变电所新增220kV和110kV GIS的额定短路电流开断能力分别为50KA和40KA。
四、结论与建议
高压系统220kV和110kV GIS的開断能力是一个综合指标，不但要看短路电流中交流分量，还要校验其中的直流分量。
任何一个制造型企业，其发展的历程基本都是从一个相对小的规模起步，经过几年的生产运行后，会不断扩大规模。这一点应该在建厂初期就要做好长远规划，最起码在可能的地域范围内对未来总体布局要有基本蓝图。配套的公用工程也应随之做系统的安排。自供电系统中设备功能规格的确定必须要留有一定的裕量，即便因其所引起的投资增加过大而一时无法考虑，则也应设法给后期留有改造的可能。