電流互感器在500 kV 變電站的應(yīng)用

葉晴煒

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650051)

0 前言

作為骨干網(wǎng)架的超高壓系統(tǒng)，近年來(lái)不斷發(fā)展擴(kuò)大，對(duì)繼電保護(hù)動(dòng)作的正確性要求越來(lái)越高，對(duì)電流互感器的準(zhǔn)確性也提出了更嚴(yán)格要求。目前在云南電網(wǎng)500 kV 系統(tǒng)中，TPY 電流互感器已獲得廣泛的使用，本文針對(duì)500 kV 變電站結(jié)合具體工程，詳細(xì)闡述了TPY 電流互感器的選擇和配置，并對(duì)其在短路故障情況下的暫態(tài)特性是否滿足系統(tǒng)要求進(jìn)行了校驗(yàn)。

1 TPY 電流互感器的配置

500 kV 變電站一般都是電力系統(tǒng)的樞紐變電站，其地位和作用極其重要，設(shè)計(jì)需要突出考慮可靠性和穩(wěn)定性，因此變電站的500 kV 配電裝置基本均采用3/2 斷路器接線。由于3/2 接線的保護(hù)比較復(fù)雜，對(duì)TPY 電流互感器的配置要求很高，稍有不慎極易造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，因此重點(diǎn)需要遵循以下原則［1］:

1)電流互感器的類型、二次繞組的數(shù)量和準(zhǔn)確級(jí)應(yīng)滿足繼電保護(hù)的要求;

2)保護(hù)用電流互感器二次繞組應(yīng)合理分配，避免出現(xiàn)主保護(hù)的死區(qū)，同時(shí)保證保護(hù)范圍最大化。接入保護(hù)的互感器二次繞組的分配，應(yīng)注意避免當(dāng)一套保護(hù)停用時(shí)，出現(xiàn)被保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作死區(qū);

3)對(duì)配電裝置采用3/2 接線，獨(dú)立式電流互感器每串宜配置三組，每組的二次繞組數(shù)量按工程需要確定。

由于P 類電流互感器的準(zhǔn)確限值是由一次電流為穩(wěn)態(tài)對(duì)稱電流時(shí)的復(fù)合誤差或勵(lì)磁特性拐點(diǎn)來(lái)確定的，而TPY 電流互感器的準(zhǔn)確限值是考慮一次電流中同時(shí)具有周期分量和非周期分量，并按某種規(guī)定的暫態(tài)工作循環(huán)時(shí)的峰值誤差來(lái)確定的，適用于考慮短路電流中非周期分量暫態(tài)影響的情況。500 kV 系統(tǒng)一次時(shí)間常數(shù)較大，短路電流中非周期分量衰減較慢，一旦電流互感器暫態(tài)飽和可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，因此云南電網(wǎng)明確要求500 kV 線路和變壓器保護(hù)應(yīng)選用TPY 電流互感器。而母線差動(dòng)保護(hù)由于采用必要的減輕互感器暫態(tài)飽和影響的措施，具有抗暫態(tài)飽和的能力，保護(hù)一般選用P 級(jí)電流互感器即可。此外TPY 電流互感器在從飽和到剩磁狀態(tài)的轉(zhuǎn)換期間，由于磁阻、儲(chǔ)能以及磁通變化量的不同，二次回路的電流值較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，故不宜用于斷路器失靈保護(hù)［2］，應(yīng)選用P 級(jí)電流互感器。

綜合考慮上述電流互感器的配置原則，對(duì)于3/2 接線，電流互感器的二次繞組數(shù)量可按797配置，即兩個(gè)邊開(kāi)關(guān)電流互感器按7 個(gè)級(jí)次(其中TPY 級(jí):2 個(gè);5P 級(jí):3 個(gè);0.5S 級(jí):1 個(gè);0.2S 級(jí):1 個(gè))，中開(kāi)關(guān)電流互感器按9 個(gè)級(jí)次配置［3］，見(jiàn)圖1。

圖1 3/2 接線的電流互感器二次繞組配置圖

2 TPY 電流互感器的參數(shù)選擇

TPY 電流互感器分別從一次參數(shù)和二次參數(shù)兩方面進(jìn)行選擇。

2.1 一次參數(shù)

1)額定一次電流(Ipn):TPY 電流互感器應(yīng)根據(jù)一次設(shè)備的額定電流或最大工作電流選擇適當(dāng)?shù)念~定一次電流，可根據(jù)斷路器或隔離開(kāi)關(guān)的額定電流確定。

2)額定對(duì)稱短路電流倍數(shù)(Kssc):一般選用10、15、20、25、30、40、50，需要根據(jù)系統(tǒng)電氣一次專業(yè)提供的額定一次短路電流 (Ipsc)確定，Kssc=Ipsc/ Ipn。

3)一次時(shí)間常數(shù)(Tp):以ms 表示的標(biāo)準(zhǔn)值為40、60、80、100、120，由系統(tǒng)電氣一次專業(yè)確定，500 kV 系統(tǒng)一般約100 ms。

2.2 二次參數(shù)

1)額定二次電流(Isn):標(biāo)準(zhǔn)值有1 A 和5 A 兩類，對(duì)于新建的500 kV 變電站應(yīng)選用1 A。

2)額定二次容量(Sb):TPY 電流互感器的負(fù)荷通常由兩部分組成:一部分是所連接的保護(hù)裝置，另一部分是連接導(dǎo)線和接觸電阻。500 kV變電站一般選用的額定二次容量為12 VA (12 Ω)。

3)二次回路時(shí)間常數(shù)(Ts):一般根據(jù)互感器特性要求由制造廠家優(yōu)化確定。由于二次回路時(shí)間常數(shù)與回路總電阻成反比，當(dāng)實(shí)際二次負(fù)荷(Rb)不同于額定二次負(fù)荷(Rbn)時(shí)，實(shí)際的二次回路時(shí)間常數(shù)

Rct為電流互感器二次繞組的電阻，Tsn為額定二次時(shí)間常數(shù)。

3 TPY 電流互感器的校驗(yàn)

影響電流互感器性能的最重要因素是鐵芯飽和，由于500 kV 系統(tǒng)一次時(shí)間常數(shù)很大，短路電流中的非周期分量衰減緩慢，容易導(dǎo)致互感器的鐵芯嚴(yán)重飽和而使傳變特性變差，二次線圈的電流輸出不能真實(shí)反應(yīng)一次側(cè)的電流變化，引起區(qū)外故障的保護(hù)誤動(dòng)。TPY 電流互感器鐵芯中帶有氣隙，磁阻較大，能夠很好地解決鐵芯飽和問(wèn)題，同時(shí)控制剩磁不大于飽和磁通的10%，有利于C－O－C－O 工作循環(huán)的準(zhǔn)確限值，適用于采用重合閘的線路保護(hù)。

下面以云南某500 kV 變電站為例，分別對(duì)500 kV 線路保護(hù)用TPY 電流互感器在暫態(tài)工況下的各種工作循環(huán)進(jìn)行暫態(tài)特性和限制剩磁校驗(yàn)。根據(jù)系統(tǒng)電氣一次提供的有關(guān)數(shù)據(jù):變電站500 kV 系統(tǒng)遠(yuǎn)景年最大短路電流Ip=47.359 kA，一次回路時(shí)間常數(shù)Tp=100 ms。

電流互感器的電流比為2500/1。根據(jù)電流互感器二次回路阻抗測(cè)試并考慮適當(dāng)裕度，外接負(fù)荷為Rb=7 Ω，保護(hù)校驗(yàn)系數(shù):Kpcf=47 359/2 500=18.94。

工作循環(huán)時(shí)間的選取:C－O，t 取100 ms(一般保護(hù)故障切除時(shí)間)或250 ms (斷路器失靈保護(hù)故障切除時(shí)間);C－O－C－0，t＇=100 ms，tfr=500 ms，t＇＇取40 ms (保護(hù)動(dòng)作時(shí)間)或100 ms (包括斷路器動(dòng)作故障切除時(shí)間)。

3.1 驗(yàn)算電流互感器

2 500/1A;KSSC=20;TP=100 ms;Rct=3.5 Ω;Rbn=12 Ω;Tsn=0.8 s;互感器額定工作循環(huán)取C－100 ms－O－500 ms－C－40 ms－O。

Ktd根據(jù)公式，按電流互感器給定的兩次通電工作循環(huán)代入有關(guān)參數(shù)求得:

由此求出電流互感器額定等效二次極限電動(dòng)勢(shì)為:

3.2 驗(yàn)算等效二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

由實(shí)際二次負(fù)荷7 Ω，求得實(shí)際二次時(shí)間常數(shù)Ts為:

a)C－O 工作循環(huán):按t=100 ms，求暫態(tài)面積系數(shù)及等效二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

b)C－O 工作循環(huán):按t=250 ms，求暫態(tài)面積系數(shù)及等效二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

c)C－O－C－0 工作循環(huán):t＇=100 ms，trf=500 ms，t＇＇=100 ms，求暫態(tài)面積系數(shù)及等效二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

3.3 檢驗(yàn)暫態(tài)誤差

對(duì)應(yīng)TPY 電流互感器，還應(yīng)校驗(yàn)實(shí)際工作的暫態(tài)誤差。取上述最大的，時(shí)間二次時(shí)間常數(shù)Ts=1.18 s，根據(jù)公式，符合不超出10%的要求。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

由以上計(jì)算結(jié)果可知，選用上述規(guī)范的TPY電流互感器在各種工作循環(huán)中的等效二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均不大于其額定等效二次極限電動(dòng)勢(shì)Eal，在各種工作循環(huán)中均不會(huì)飽和，并且暫態(tài)誤差未超過(guò)限值(10%)，滿足實(shí)際工程要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

TPY 電流互感器的選擇和配置是一個(gè)復(fù)雜且系統(tǒng)的工作，需要電氣一、二次專業(yè)密切配合，綜合考慮各方面因素的影響。在電流互感器的參數(shù)確定以后，需要通過(guò)現(xiàn)有互感器參數(shù)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行等效二次極限電動(dòng)勢(shì)及暫態(tài)誤差的計(jì)算來(lái)校驗(yàn)是否滿足要求。不能依靠增加電流互感器的額定二次容量來(lái)提高互感器的額定等效二次極限電動(dòng)勢(shì)，一方面這樣會(huì)造成電流互感器價(jià)格的顯著上升，另一方面由于受到空間的限制，特別是GIS、HGIS 等緊湊式組合電器，鐵芯無(wú)法做到較大截面，額定二次容量不可能有較大增加。提高電流互感器抗暫態(tài)飽和的能力可以從限制一次短路電流、增大電流互感器變比、減小電流互感器的二次負(fù)載等方面綜合考慮，以保證繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的正確性，確保電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部.南方電網(wǎng)220 kV～500 kV 電網(wǎng)裝備技術(shù)導(dǎo)則［S］.2012.

［2］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T866－2004 電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

［3］云南電網(wǎng)公司.QB/YW110－01－2009 電氣設(shè)備裝備技術(shù)導(dǎo)則［S］.2009.