小型供熱發(fā)電機(jī)組擴(kuò)容后電流互感器的選擇

鄭婉珍

（福建省石獅熱電有限責(zé)任公司，福建 泉州 362700）

某熱電廠3臺(tái)發(fā)電機(jī)分別于1998年、2000年、2001年投運(yùn)，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組容量為6MW。隨著工業(yè)區(qū)供熱負(fù)荷的增加，為滿足供熱需求，于2014年—2017年分別對(duì)鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造。此次升級(jí)改造將其中1臺(tái)發(fā)電機(jī)——3號(hào)發(fā)電機(jī)容量由6MW擴(kuò)容為22MW，升級(jí)改造后總發(fā)電裝機(jī)規(guī)模由原來的3×6MW增加為（2×6+22）MW。升級(jí)改造后總發(fā)電容量增加，系統(tǒng)短路電流相應(yīng)增加。

改造前的10kV配電柜均無法達(dá)到熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定的要求，故此次升級(jí)改造全部予以更改。新開關(guān)柜內(nèi)電流互感器選型未充分考慮系統(tǒng)短路時(shí)的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定，在運(yùn)行不到1年的時(shí)間里，其中1臺(tái)廠用變壓器高壓側(cè)10kV側(cè)配電柜開關(guān)下部電流互感器燒毀，造成三相短路故障。文章通過分析造成電流互感器燒毀原因，從設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)選型、制造環(huán)節(jié)采取防范措施，從源頭保證設(shè)備本質(zhì)安全。

1 問題分析

1.1 升級(jí)改造前后短路電流對(duì)比

因系統(tǒng)短路故障類型中，三相短路短路電流最大，危害也最嚴(yán)重，故文章均以三相短路來分析，之后不再特別說明。

升級(jí)改造前的系統(tǒng)短路電流短路點(diǎn)示意圖及等值阻抗圖如圖1所示，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖1 升級(jí)改造前的系統(tǒng)短路電流短路點(diǎn)示意圖及等值阻抗圖

表1 升級(jí)改造前的系統(tǒng)短路電流計(jì)算結(jié)果表

升級(jí)改造后的系統(tǒng)短路電流短路點(diǎn)示意圖及等值阻抗圖如圖2所示，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖2 升級(jí)改造后的系統(tǒng)短路電流短路點(diǎn)示意圖及等值阻抗圖

表2 升級(jí)改造后的系統(tǒng)短路電流計(jì)算結(jié)果表

從表1和表2對(duì)比可以看出，升級(jí)改造前后10kV母線三相短路時(shí)，短路電流周期分量起始有效值由20.99kA上升到29.2297kA，短路電流沖擊值由56.45kA上升到77.50kA，改造前的10kV配電柜均無法達(dá)到熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定的要求，故此次升級(jí)改造全部予以更改。

1.2 電流互感器選型

（1）電流互感器一次參數(shù)選擇。電氣設(shè)備的選型，應(yīng)選擇系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下的三相短路電流（即最嚴(yán)重故障狀態(tài)、最大故障電流）作為校驗(yàn)電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行能力，考察電氣設(shè)備對(duì)短路電流承受能力的指標(biāo)主要有額定動(dòng)穩(wěn)定電流和額定熱穩(wěn)定電流。10kV配電柜一次設(shè)備選擇時(shí)，一次參數(shù)除了額定值一定要滿足相關(guān)要求以外，額定熱穩(wěn)定電流和額定動(dòng)穩(wěn)定電流還要滿足系統(tǒng)短路熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定的要求，電流互感器也是如此。

電流互感器選型時(shí)，其額定熱穩(wěn)定電流應(yīng)大于10kV母線三相短路時(shí)短路電流周期分量起始有效值29.2297kA，額定動(dòng)穩(wěn)定電流應(yīng)大于10kV母線三相短路時(shí)短路電流沖擊值77.50kA，依據(jù)《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》（DL/T 866—2015），10kV開關(guān)柜上的電流互感器額定短時(shí)熱電流應(yīng)選31.5kA，額定動(dòng)穩(wěn)定電流宜為額定短時(shí)熱電流的2.5倍，選80kA才符合要求。

（2）電流互感器二次參數(shù)選擇。電流互感器的精度等級(jí)是硬性要求，一定要滿足，變比可以靠抽頭來改變，這里不詳敘。下面重點(diǎn)分析電流互感器的額定二次電流和額定容量。

改造前3臺(tái)發(fā)電機(jī)于2000年左右投運(yùn)，設(shè)計(jì)院對(duì)電流互感器選型按當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，二次額定電流按5A設(shè)計(jì)，這就造成全廠電流互感器二次額定容量較大。

電流互感器的二次負(fù)荷可以用阻抗Z2（Ω）或容量S（VA）表示。二者之間的關(guān)系為：

式中：S2為電流互感器二次容量，VA；I2為電流互感器二次電流，A；Z2為電流互感器二次負(fù)荷，Ω。

下面以計(jì)算電流互感器二次容量舉例說明。

首先確定電流互感器二次阻抗。依據(jù)《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》（DL/T 866—2015），保護(hù)用電流互感器繞組所在回路的二次阻抗按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Krc為繼電器阻抗換算系數(shù)；Zr為繼電器電流線圈阻抗（對(duì)于數(shù)字繼電器可忽略電抗，僅計(jì)及電阻Rr），Ω；Klc為連接導(dǎo)線阻抗換算系數(shù)，計(jì)算連接導(dǎo)線負(fù)荷時(shí)，忽略導(dǎo)線電感，僅計(jì)及導(dǎo)線電阻，可取1；Rl為連接導(dǎo)線電阻，Ω；Rc為接觸電阻，取0.05～0.1Ω。

因現(xiàn)在都是采用微機(jī)保護(hù)裝置，I22∑KrcZr取微機(jī)保護(hù)裝置單相消耗容量，電流互感器二次額定電流為5A單相消耗容量0.25VA，電流互感器二次額定電流為1A單相消耗容量0.15VA。接觸電阻Rc取0.1Ω。連接導(dǎo)線電阻Rl按式（3）計(jì)算：

式中：L為導(dǎo)線長度，m；γ為電導(dǎo)系數(shù)，銅取57m/（Ω·mm2）；A為二次回路導(dǎo)線截面，考慮到接入，一般取4mm2。

綜上所述，公式（1）可以演算成：

因配電室到保護(hù)室電纜溝距離較長，約120m，導(dǎo)線長度L按120m考慮，從公式（4）可知：

當(dāng)I2=5A時(shí)，電流互感器二次負(fù)荷S2=0.25+52（+0.1）=15.9VA。

為減小電流互感器二次感應(yīng)電勢(shì)，避免互感器飽和，電流互感器額定容量與二次實(shí)際負(fù)荷的關(guān)系應(yīng)滿足：Se=1.5S2=1.5×15.9=23.85VA，取25VA。

當(dāng)I2=1A時(shí)，電流互感器二次負(fù)荷S2=0.15+12（+0.1）=0.78VA。

為減小電流互感器二次感應(yīng)電勢(shì)，避免互感器飽和，電流互感器額定容量與二次實(shí)際負(fù)荷的關(guān)系應(yīng)滿足：Se=1.5S2=1.5×0.78=1.17VA，取5VA。

由以上計(jì)算可得，電流互感器二次額定電流為5A的二次負(fù)荷是電流互感器二次額定電流為1A的二次負(fù)荷的20倍（理論上是25倍），額定容量按標(biāo)準(zhǔn)取整后，電流互感器二次額定電流為5A的二次額定容量是電流互感器二次額定電流為1A的二次額定容量的5倍。且電流互感器二次額定電流為1A的二次額定容量裕量很大，可以有效提高抗飽和能力。故10kV系統(tǒng)電流互感器額定二次電流應(yīng)采用1A，額定二次容量采用5VA。

1.3 電流互感器參數(shù)確定時(shí)未考慮全面，埋下安全隱患

電流互感器設(shè)計(jì)選型時(shí)，一次參數(shù)的額定短時(shí)熱電流和額定動(dòng)穩(wěn)定電流要滿足10kV母線短路時(shí)的系統(tǒng)短路電流，電流互感器額定短時(shí)熱電流應(yīng)選31.5kA，額定動(dòng)穩(wěn)定電流選80kA。二次參數(shù)中，在保證電流互感器精度等級(jí)和變比的情況，額定二次電流為5A的額定容量取25VA。結(jié)果就是電流互感器制造尺寸變大，開關(guān)柜尺寸也相應(yīng)變大。

某熱電廠此次升級(jí)改造10kV配電室是利舊，工程又有新增開關(guān)柜，開關(guān)柜位置布置本來就緊張。受安裝位置限制，此次新采購的電流互感器只能從參數(shù)上調(diào)整。

設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)時(shí)，電流互感器需綜合考慮一、二次參數(shù)，因電氣二次負(fù)荷與電纜長度有關(guān)，未最終確定二次額定容量，故電氣一次參數(shù)也未明確給出，只是在說明1中寫道：“開關(guān)柜及柜內(nèi)元件（電流互感器外）應(yīng)滿足動(dòng)穩(wěn)定125kA，熱穩(wěn)定50kA/4s的要求?！焙罄m(xù)未有效跟蹤確認(rèn)，導(dǎo)致廠家在生產(chǎn)時(shí)犧牲了電流互感器極為重要額定短時(shí)熱電流和額定動(dòng)穩(wěn)定電流，滿足電氣二次額定容量和精度等級(jí)及現(xiàn)場(chǎng)安裝尺寸的要求。選擇額定熱穩(wěn)定電流5kA/1s，額定動(dòng)穩(wěn)定電流12.5kA，是其他一次設(shè)備額定熱穩(wěn)定和額定動(dòng)穩(wěn)定參數(shù)的10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，電流互感器燒毀造成三相短路故障。

從圖1和圖2可以看出，某熱電廠改造前后的電氣主接線均為單母分段接線方式，是母線制，即3臺(tái)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)和廠用電負(fù)荷（包括10kV/380V廠變和10kV電動(dòng)機(jī)）是接在同一母線。10kV開關(guān)下部電流互感器燒毀造成的三相短路相當(dāng)于母線三相短路故障，巨大的短路電流將該廠變10kV配電柜柜內(nèi)開關(guān)下部設(shè)備全部燒毀，三相短路產(chǎn)生的巨大沖擊力把配電柜的后封板沖擊變形。此時(shí)保護(hù)裝置保護(hù)正確動(dòng)作，瞬時(shí)跳開該廠變10kV配電柜開關(guān)，限制故障發(fā)展。

2 問題解決

通過以上分析，把額定熱穩(wěn)定電流和額定動(dòng)穩(wěn)定電流不滿足要求的電流互感器全部更換，換成額定短時(shí)熱電流和額定動(dòng)穩(wěn)定電流滿足10kV母線短路時(shí)的系統(tǒng)短路電流，電流互感器額定短時(shí)熱電流選31.5kA，額定動(dòng)穩(wěn)定電流選80kA。同時(shí)，電流互感器二次額定電流改用1A，大幅降低電流互感器二次額定容量（只需選5VA），有效提高抗飽和能力，大大縮小電流互感器制造尺寸。改造后電流互感器未再出現(xiàn)故障，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到很大提升，保證了廠用電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行。

3 結(jié)束語

不管是新建還是技改工程，在設(shè)備選型時(shí)一定要滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其參數(shù)要求，且對(duì)于哪些參數(shù)一定要保證，哪些參數(shù)可以調(diào)整，工程技術(shù)人員一定要做到心里有底，堅(jiān)守底線，并充分考慮系統(tǒng)的發(fā)展情況，從設(shè)備本質(zhì)安全上保證安全。