大型發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)用電流互感器選型及其應(yīng)用研究

洪德全

（東莞中電第二熱電有限公司）

摘 要：大型發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)用電流互感器的選型對(duì)發(fā)電機(jī)變壓器組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的作用和意義，對(duì)大型發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)用電流互感器使用的現(xiàn)狀以及存在的問題進(jìn)行了闡述，提出了電流互感器選型的原則與相關(guān)技術(shù)參數(shù)計(jì)算方法，以期為電流互感器的選型提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：大型發(fā)電機(jī)變壓器組；電流互感器；問題；選型

1引言

大型發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)用電流互感器的選擇對(duì)于大型發(fā)電機(jī)變壓器組的正常、穩(wěn)定與安全運(yùn)行具有十分重要的意義。電流互感器選型最為關(guān)鍵的因素是電流互感器的暫態(tài)問題，目前大型發(fā)電機(jī)變壓器組低壓側(cè)保護(hù)使用到的電流互感器一般包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者是IEC標(biāo)準(zhǔn)選用的5P20或者是10P20級(jí)的電壓互感器。此外也有按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的以C-800為代表的電流互感器。當(dāng)選擇5P20或者10P20型的電流互感器時(shí)，當(dāng)其準(zhǔn)確限值系數(shù)為20時(shí)，電流互感器的綜合誤差較小不會(huì)超過(guò)5%?；ジ袝r(shí)的二次負(fù)荷一般為50W，該環(huán)節(jié)沒有涉及互感器的暫態(tài)問題。C類的電流互感器是在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)下規(guī)定的具有較低漏磁的互感器，該標(biāo)準(zhǔn)中要求互感器在20倍以上的額定電流的情況下變比誤差在10%以內(nèi)，在C800型的電流互感器在額定電流20倍的負(fù)荷下其二次端子的額定電壓為800V，負(fù)荷為8歐姆其負(fù)荷值與我國(guó)200W的標(biāo)準(zhǔn)一致，這是目前美國(guó)電流互感器標(biāo)準(zhǔn)中容量最大的互感器型號(hào)。該型互感器沒有考慮電流互感器的暫態(tài)問題，是通過(guò)增大電流互感器的容量在有效的克服暫態(tài)的影響。電流互感器是發(fā)電機(jī)變壓器組的差動(dòng)保護(hù)裝置的組成部分，對(duì)于發(fā)電機(jī)兩側(cè)的互感器有一定的要求，需要兩側(cè)的電流互感器不僅要型號(hào)匹配還要負(fù)荷匹配，但是在實(shí)際情況下卻很難做到這一點(diǎn)。有些科研人員通過(guò)在發(fā)電機(jī)的低壓側(cè)采用TPY型的傳感器來(lái)使得兩側(cè)的互感器匹配，但是兩側(cè)參數(shù)計(jì)算與選擇較為復(fù)雜，加之改造后的電壓和電流互感器的重量和體積都比較大，因而沒有得到普遍的應(yīng)用。

2大型發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)用電流互感器選型存在的問題

2.1暫態(tài)飽和

在大型的發(fā)電機(jī)變壓器回路發(fā)生故障時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)時(shí)間參數(shù)過(guò)大的現(xiàn)象，約為200ms到300ms之間。如果在這個(gè)時(shí)候短路的電流出現(xiàn)了非周期性的分量的時(shí)候，就會(huì)造成電流互感器的鐵芯出現(xiàn)嚴(yán)重的飽和，這種現(xiàn)象稱為暫態(tài)飽和。為了避免出現(xiàn)這種情況需要增加互感器中鐵芯的面積。在我國(guó)電力系統(tǒng)中TPY型的電流互感器已經(jīng)得到了非常普遍的應(yīng)用。且有效的消除了暫態(tài)的影響。一般500kv的電力系統(tǒng)一次側(cè)的時(shí)間常數(shù)約為100ms作用，互感器暫態(tài)的面積系數(shù)小于20，在歐洲一些國(guó)家也曾用TPY型的互感器來(lái)避免暫態(tài)的影響，尤其是對(duì)于暫態(tài)問題比較嚴(yán)重的大型機(jī)組，不能夠忽視互感器的暫態(tài)飽和問題。由于大型機(jī)組的外部穩(wěn)態(tài)短路電流較小，這十分有利于選擇電流互感器，通常情況下大型發(fā)電機(jī)組的暫態(tài)的阻抗約為20%，大型發(fā)電機(jī)組升壓變壓器的短路阻抗約為14%，發(fā)電機(jī)組外部的短路電流約為其額定電流的3倍。如果在發(fā)電機(jī)出口處存在斷路器那么考慮到發(fā)電機(jī)出口的短路，那么通過(guò)發(fā)電機(jī)或者是變壓器的短路電流就會(huì)達(dá)到額定電流的5-7倍。如果要選擇的電流互感器的額定電流稍微大于機(jī)組的額定電流，那么短路電流就約為電流互感器額定電流的3-5倍左右。而目前市場(chǎng)所具有型號(hào)的電流互感器均無(wú)法達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)。

2.2剩磁影響

在電流互感器發(fā)生嚴(yán)重飽和的情況下，都會(huì)有剩磁的存在，剩磁一般都在80%的水平以下，其分布是隨機(jī)的。在互感器正常運(yùn)行的情況下，互感器的磁通密度發(fā)生變化的幅度較小，且難以有效的消除。并且剩磁的存在加劇了互感器的飽和，且在當(dāng)前的技術(shù)條件下難以實(shí)現(xiàn)對(duì)剩磁的有效控制，差動(dòng)保護(hù)可以使得發(fā)電機(jī)變壓器組兩側(cè)的互感器特性完全一致，但是由于剩磁的存在一般還會(huì)造成一定程度的差流。

2.3兩側(cè)互感器特性難以匹配

在機(jī)組的高壓側(cè)一般選擇的是TPY型的電流互感器，而在低壓側(cè)一般選用的是5P20或者是C-800，這使得機(jī)組高壓和低壓側(cè)的電流互感器的特性難以實(shí)現(xiàn)有效的匹配，這給機(jī)組實(shí)現(xiàn)有效的差動(dòng)保護(hù)帶來(lái)了很大的困難。

2.4難以與新型的繼電保護(hù)裝置匹配

很多相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的故障進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了很多新型的繼電保護(hù)裝置，這對(duì)于大型發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是十分必要的，但是這些繼電保護(hù)裝置能夠正常工作的前提是故障電流能夠準(zhǔn)確的傳遞，而當(dāng)前所選擇的電流互感器則很難實(shí)現(xiàn)這一基本的要求。

3電流互感器選型原則

電流互感器的選型要根據(jù)電流互感器的選擇與計(jì)算導(dǎo)則，導(dǎo)則中充分考慮到了各種情況，對(duì)于300MW到600MW之間的大型發(fā)電機(jī)組在選擇電流互感器的過(guò)程中必須要考慮電流互感器的暫態(tài)特性，因而一般選擇TPY型的電流互感器。這種互感器的剩磁系數(shù)一般小于10%，并且穩(wěn)態(tài)短路電流倍數(shù)以及暫態(tài)面積系數(shù)都能夠滿足實(shí)際的需求，從而能夠有效的解決由于非周期短路電流分量以及剩磁所導(dǎo)致的互感器暫態(tài)飽和的問題。有些學(xué)者采用飽和特性以及制動(dòng)特性和相位比較等來(lái)預(yù)防勿動(dòng)，但是這些措施在很大程度上犧牲了系統(tǒng)的靈敏度，因而存在一定的局限性。通過(guò)采用TPY型的互感器，并通過(guò)結(jié)合發(fā)電機(jī)組實(shí)際的工作情況來(lái)確定相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，雖然在重量和體積上有一定的增大，但是基本還是可以接受的。對(duì)于200MW以下的發(fā)電機(jī)組，相應(yīng)的電流互感器應(yīng)降低相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和需求，可以采用5P或者是5PR型的電流互感器。通過(guò)穩(wěn)態(tài)限值來(lái)為暫態(tài)留下一定的裕度，且通過(guò)實(shí)際的計(jì)算發(fā)現(xiàn)即使是選擇5P20型的電流互感器也能夠滿足要求，但是必須要采取一定的措施來(lái)減緩暫態(tài)飽和的影響，考慮到剩磁最好選擇PR型的電流互感器將剩磁系數(shù)控制在10%以下。

4互感器選型中的參數(shù)計(jì)算

在計(jì)算的過(guò)程中需要考慮留有一定的裕度，假設(shè)故障清除的時(shí)間為100ms，斷路器失靈的故障由于極少發(fā)生故而不考慮在內(nèi)，作為電流互感器選型的條件，根據(jù)對(duì)電流互感器的變比、穩(wěn)態(tài)短路電流倍數(shù)、一次與二次時(shí)間常數(shù)、暫態(tài)面積系數(shù)、暫態(tài)總倍數(shù)、暫態(tài)誤差以及短路熱電聯(lián)和額定負(fù)荷以及二次繞組的計(jì)算，可以得到如下表所示的建議的電流互感器參數(shù)如表1所示，其中s為互感器容量，k為互感器變比，kssc為穩(wěn)態(tài)短路電流倍數(shù)， ，

和為一次二次時(shí)間常數(shù)，ktd為暫態(tài)面積系數(shù)，kssektd為暫態(tài)總倍數(shù)， 為暫態(tài)誤差，Ith為短路熱電流，SzN為額定負(fù)荷，Rct為二次繞組。且根據(jù)表1中所建議的參數(shù)結(jié)合大型的發(fā)電機(jī)組的實(shí)際情況來(lái)對(duì)TPY型號(hào)的電流互感器進(jìn)行了研制，并且對(duì)TPY型傳感器進(jìn)行了測(cè)試工作，實(shí)踐證明TPY型的電流互感器技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)符合表1中所規(guī)定的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的要求。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)用電流互感器應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問題的深入研究，提出了電流互感器選擇的原則需要考慮到互感器的暫態(tài)特性、符合以及剩磁因素，并且結(jié)合目前市面上所具有的幾種電流互感器對(duì)其中的重要的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，提出了電流互感器建議的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，并以該參數(shù)指標(biāo)為基礎(chǔ)對(duì)TPY型的電流傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研發(fā)，且進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試，TPY測(cè)試的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)結(jié)果均滿足相應(yīng)的需求。

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