論變電站站用變壓器保護(hù)用電流互感器的配置

　　摘 要：隨著電力系統(tǒng)短路容量的不斷增加，出現(xiàn)單臺(tái)主設(shè)備容量遠(yuǎn)小于系統(tǒng)短路容量的情況越來(lái)越多，在220kV變電站內(nèi)最常見(jiàn)的就是35kV站用變回路，其保護(hù)用電流互感器變比選擇已經(jīng)成為了一個(gè)突出的問(wèn)題，為保證電流互感器能夠可靠工作，變比不能選的太小，也不能太大。本文通過(guò)分析給出了合理選擇電流互感器參數(shù)的一些建議。
　　關(guān)鍵詞：鐵芯飽和 電流互感器變比 光學(xué)電流互感器
　　中圖分類號(hào)：TM63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2012）09（a）-0119-02
　　一般的保護(hù)級(jí)電流互感器參數(shù)選擇，是在故障時(shí)通過(guò)互感器的最大短路電流不應(yīng)超過(guò)其準(zhǔn)確限值電流，在該電流下互感器的復(fù)合誤差不超過(guò)規(guī)定值。隨著系統(tǒng)容量不斷擴(kuò)大，變電站低壓側(cè)系統(tǒng)短路電流越來(lái)越大，某些特殊負(fù)荷（如35kV站用變）正常工作電流較小，在這些設(shè)備出口短路時(shí)（短路位置如圖1所示），短路電流可能達(dá)到正常工作電流的數(shù)千倍，電流互感器額定一次電流通常按負(fù)荷電流選擇，以便于測(cè)量和保護(hù)整定。這樣確定的互感器在短路時(shí)需要承受數(shù)千倍的短路電流，鐵芯可能嚴(yán)重飽和而影響其傳變特性。若電流互感器按在短路故障時(shí)不飽和條件選擇，則電流互感器額定一次電流將遠(yuǎn)大于負(fù)荷電流且需具有較高準(zhǔn)確限值系數(shù)，這將造成電流互感器投資增加以及保護(hù)整定計(jì)算困難、測(cè)量精度難以保證，這在正常負(fù)荷電流較小的回路的電流互感器的選擇始終是一對(duì)矛盾。致使設(shè)備選擇面臨兩難的局面。
　　1 站用變保護(hù)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題
　　通常220KV變電站共配置2臺(tái)容量315kVA的35kV站用干式變壓器負(fù)責(zé)給全站交流負(fù)荷供電（如圖1所示）。
　　1.1 變比選擇過(guò)小可能引起保護(hù)拒動(dòng)
　　按額定容量計(jì)算，站變高壓側(cè)一次額定電流為5.2A，這是按變壓器滿載計(jì)算出的數(shù)據(jù)，實(shí)際工作電流還要小。若僅按負(fù)荷電流的大小來(lái)確定保護(hù)級(jí)電流互感器的變比，對(duì)于35kV側(cè)的電流互感器，選擇10/5A的變比就足夠了，但35kV系統(tǒng)的短路電流水平很高（約20kA），如果當(dāng)電流互感器和站變高壓側(cè)繞組之間發(fā)生短路時(shí)，則短路電流倍數(shù)高達(dá)2000倍，在此電流的作用下鐵芯嚴(yán)重飽和，CT的二次繞組傳變的電流波形極度畸變，一次電流大部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F芯勵(lì)磁電流，以維持磁通的平衡，嚴(yán)重時(shí)二次側(cè)只能產(chǎn)生波形很窄的尖脈沖電流（如圖2所示）。
　　而目前的微機(jī)保測(cè)一體化裝置的采樣頻率較低，都是利用一定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)窗內(nèi)的若干個(gè)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算電流的大小，如果二次側(cè)電流波形畸變成很窄的尖脈沖，在一個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi)可能僅采樣到少量幾個(gè)點(diǎn)的真實(shí)故障數(shù)據(jù)，其他各點(diǎn)采樣值均接近于零，這樣計(jì)算出來(lái)的故障電流肯定偏小，難于保證過(guò)電流元件能正確可靠的動(dòng)作，有可能造成站用變壓器的電流速斷保護(hù)及定時(shí)限過(guò)流保護(hù)拒動(dòng)的事故。保護(hù)裝置拒動(dòng)后，只能主變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作切除故障，擴(kuò)大了停電范圍，失去了動(dòng)作的選擇性。近年來(lái)在35kV系統(tǒng)中，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)在電流保護(hù)計(jì)算靈敏度很高的情況下，發(fā)生保護(hù)拒動(dòng)的事故。
　　因此僅采用按負(fù)荷電流的大小確定保護(hù)級(jí)電流互感器的變比參數(shù)在實(shí)際工程中是不可行的，還必須同時(shí)考慮保護(hù)安裝處可能出現(xiàn)的最大短路電流和互感器的負(fù)載能力與飽和倍數(shù)來(lái)確定電流互感器的變比。
　　1.2 變比選擇過(guò)大造成保護(hù)整定困難
　　考慮到35kV系統(tǒng)側(cè)的短路水平，增大電流互感器的變比，實(shí)際變比選擇了800/5A，但增大變比則可能會(huì)產(chǎn)生如下問(wèn)題。
　　（1）由于電流互感器的變比過(guò)大，造成實(shí)際二次電流過(guò)小，不利于電流互感器二次回路和繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行監(jiān)視，使電流互感器二次斷線難以檢測(cè)。
　?。?）目前國(guó)內(nèi)主要繼電保護(hù)廠商的站變保測(cè)一體化裝置的電流保護(hù)啟動(dòng)元件的整定值范圍一般為0.5～100A（CT的二次側(cè)電流為5A時(shí)），而變比為800/5A時(shí)。高壓側(cè)二次額定電流為0.0325A，就算高壓側(cè)過(guò)流，過(guò)流保護(hù)的電流定值無(wú)法達(dá)到0.5A。
　　在我院設(shè)計(jì)的220kV變電站中已出現(xiàn)數(shù)例因站變高壓側(cè)變比選擇過(guò)大而造成保護(hù)整定計(jì)算困難的問(wèn)題，最終不得不抬高定值降低靈敏度的方法解決.
　　2 配置電流互感器應(yīng)注意的一些問(wèn)題
　　對(duì)于站用變壓器的容量遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的短路容量的情況，出現(xiàn)大的短路電流流過(guò)CT的情況完全超出了其正常工作范圍，單靠改進(jìn)二次保測(cè)裝置來(lái)適應(yīng)這種不正常狀況并非長(zhǎng)久之計(jì)。
　　2.1 限制一次短路電流水平
　　一次系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)法限制短路電流水平，新建變電站的低壓側(cè)可采取裝設(shè)限流電抗器或主變低壓側(cè)分列運(yùn)行的方式來(lái)限制短路電流，使站變高壓出口短路時(shí)的電流不至于過(guò)大，以某220kV變電站為例在主變低壓側(cè)兩段母線并列運(yùn)行時(shí)的短路電流為27kA，而采取分列運(yùn)行時(shí)短路電流水平可以限制在20kA左右，此方法無(wú)需增加設(shè)備簡(jiǎn)單有效；采用加裝限流電抗器的方式，雖然可以將短路水平降至預(yù)期水平，但是需要增加設(shè)備投資及變電所的占地面積，目前已投運(yùn)的220kV變電站低壓側(cè)很少有采取裝設(shè)串聯(lián)電抗器來(lái)限制短路電流水平的，具體工程應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而采取相應(yīng)的措施。
　　2.2 選用準(zhǔn)確限值系數(shù)高的設(shè)備
　　可以與生產(chǎn)廠家協(xié)商，選擇準(zhǔn)確限值系數(shù)更大的電流互感器，這樣可以降低電流互感器一次額定電流，以滿足保測(cè)裝置的測(cè)量精度的要求，經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)電流互感器制造水平現(xiàn)狀的調(diào)研，以容量315kVA變壓器為例，當(dāng)選用準(zhǔn)確級(jí)為5P80的電流互感器時(shí)，變比可以選擇250/5A，此時(shí)額定準(zhǔn)確限值一次電流為80×250=20kA>18.98kA 滿足短路時(shí)的測(cè)量誤差小于5%的要求。但是要使短路電流達(dá)到額定電流80倍而準(zhǔn)確度不變，要求二次電流隨一次電流成正比變化。這樣，必須電流互感器鐵芯中的磁通不能達(dá)到飽和，更不能過(guò)飽和。為滿足這一要求，鐵芯材料的導(dǎo)磁性要非常好，且鐵芯截面要做的非常大才可以。尤其二次容量要求大時(shí)，鐵芯更應(yīng)如此，如要求達(dá)30VA或者更大，按上述要求生產(chǎn)出的電流互感器，其體積非常大，不適合在35kV開(kāi)關(guān)柜狹小的空間內(nèi)安裝。
　　2.3 減小電流互感器的二次負(fù)載
　　相關(guān)試驗(yàn)表明[3]CT的二次側(cè)負(fù)載對(duì)保護(hù)能否正確動(dòng)作有著決定性的影響，當(dāng)CT的二次負(fù)載接近等于零時(shí)，即使一次側(cè)電流很大，CT也不會(huì)飽和。實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)盡可能的減小CT二次側(cè)的負(fù)載。
　　目前微機(jī)保護(hù)的交流電流回路的功率消耗在二次額定電流為5A時(shí)不超過(guò)1VA/相；額定電流為1A時(shí)不超過(guò)0.5VA/相，可以忽略不計(jì)。CT的負(fù)載主要是二次連接電纜的電阻，將保護(hù)裝置下放就地安裝，大大縮短了二次電纜長(zhǎng)度，減小了互感器的負(fù)載，減小了CT飽和的幾率。
　　因功耗正比于電流的平方，將二次額定電流從5A降至1A，在負(fù)載阻抗不變的情況下，相應(yīng)的二次回路功耗降低了25倍，互感器不容易飽和。但減小了CT的二次額定電流也會(huì)對(duì)保護(hù)裝置產(chǎn)生負(fù)面影響，二次電流減小后，則須提高保護(hù)的靈敏度，同時(shí)考慮設(shè)備價(jià)格時(shí)，在CT一次額定電流不是很大的情況下，二次額定電流選用5A為宜。
　　2.4 采用新型電流互感器
　　隨著智能變電站建設(shè)的全面開(kāi)展，基于法拉第磁光效應(yīng)原理光學(xué)電流互感器OCT和數(shù)字式保測(cè)裝置得到了廣泛的應(yīng)用。OCT不含鐵芯，它在一次特大電流下不會(huì)有飽和的問(wèn)題，在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)能保持良好的線性特性，因而其二次側(cè)能正確地反映一次電PjOV23eAVSlUmCelr/Dgi2HZ06zRBj4Xc0CNS5dVZLw=流的數(shù)值，從幾安培的小電流到大至數(shù)十千安的電流均能準(zhǔn)確測(cè)量從而提高了保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，從而很好的解決了站用變壓器高壓側(cè)電流互感器的選擇問(wèn)題。但由于制造工藝和造價(jià)的限制，光CT并未得到全面的應(yīng)用。
　　3 實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)計(jì)算
　　目前已有人專門做了試驗(yàn)研究[3]，以探究電流互感器嚴(yán)重飽和時(shí)二次側(cè)所接繼電保護(hù)裝置能否正確動(dòng)作的問(wèn)題，大量試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于反應(yīng)電流有效值、平均值的繼電保護(hù)，如整定值不超過(guò)互感器準(zhǔn)確限值電流，即在互感器飽和前能保證動(dòng)作，則電流繼續(xù)增大的過(guò)飽和情況下仍能保證保護(hù)可靠動(dòng)作，而對(duì)于微機(jī)保護(hù)能否正確動(dòng)作是和每個(gè)周波的采樣點(diǎn)數(shù)有很大關(guān)系，當(dāng)微機(jī)保護(hù)采樣率為每周波36點(diǎn)，能保證保護(hù)可靠動(dòng)作。當(dāng)采樣頻率為每周波12點(diǎn)時(shí)，建議過(guò)飽和系數(shù)不超過(guò)6.5。當(dāng)采樣頻率為每周波18點(diǎn)時(shí)，建議過(guò)飽和系數(shù)不超過(guò)13[3]。
　　由上述試驗(yàn)結(jié)果可知在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中并不需要要求CT在短路電流下完全不飽和。
　　下面以某具體工程為例說(shuō)明設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。
　　站用變?nèi)萘?15kVA，額定電壓38.5/0.4kV，UK%=6.5站用變高壓側(cè)出口短路電流為Isa=20kA；站用變壓器保測(cè)裝置選用南瑞繼保RCS9621型，每周波采樣24點(diǎn)，電流互感器變比選擇200/5A、5P20級(jí)，二次額定容量10VA，3s熱穩(wěn)定電流50kA，動(dòng)穩(wěn)定電流125kA。
　　（1）計(jì)算過(guò)飽和系數(shù)為Ksa=Isa/（Kalf×Ipn）=5，在試驗(yàn)結(jié)果要求的范圍之內(nèi)，雖然在一次側(cè)20kA的電流作用下CT會(huì)飽和，但是能保證保護(hù)可靠動(dòng)作。
　?。?）二次負(fù)載校驗(yàn)，保護(hù)裝置功耗按0.1VA，接觸電阻0.1Ω，二次聯(lián)接電纜按長(zhǎng)度為2m，4mm2的銅導(dǎo)線.計(jì)算二次實(shí)際負(fù)載為2.82VA<10VA。
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　35kV站用變高壓側(cè)出口的短路電流很大。為了保證在高壓側(cè)出口發(fā)生短路故障時(shí)不至于造成CT嚴(yán)重飽和，確保電流互感器可靠工作，CT的變比不能選得太小。但由于站用變壓器容量相對(duì)較小，高壓側(cè)正常工作電流很小。因而CT的變比又不能選得太大。太大會(huì)導(dǎo)致CT的二次側(cè)電流很小，從而直接影響保護(hù)裝置交流的采樣精度和整定。然而對(duì)于這種情況，我們希望能選用變比既能保證過(guò)負(fù)荷時(shí)測(cè)量精度的要求，又能在出現(xiàn)大短路電流時(shí)也能實(shí)現(xiàn)電流的正確傳變的電流互感器，這就希望能制造出小變比、高準(zhǔn)確限值系數(shù)、高動(dòng)、熱穩(wěn)定性、體積小的電流互感器。由于受到制造能力的限制，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還沒(méi)有符合要求的相關(guān)產(chǎn)品。但文獻(xiàn)[3]的試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際工程中尤其是出口短路時(shí)是允許CT飽和的，保護(hù)的采樣頻率滿足要求，就能保證正確動(dòng)作。
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