10 kV站用變回路電流互感器的選擇

唐忠達(dá)

(南瑞電力設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 211000)

0 引言

電流互感器作為變電站中重要的電氣設(shè)備，其用途是將一次大電流變換成二次小電流，供儀表及二次裝置實(shí)現(xiàn)測量、計(jì)量、監(jiān)控和保護(hù)作用。電流互感器參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會(huì)造成測量或計(jì)量不準(zhǔn)確，保護(hù)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)的后果，危及變電站的安全運(yùn)行。站用變回路電流互感器因其回路工作電流較小，為滿足測量與計(jì)量精度、保護(hù)裝置可整定條件，需選擇稍大于回路負(fù)荷電流的額定一次電流，但短路情況下往往難以滿足互感器鐵心不致飽和的要求；為滿足短路不飽和條件，而選擇較大的額定一次電流時(shí)，則會(huì)帶來測量及計(jì)量精度降低、保護(hù)裝置無法整定的問題。諸如站用變等大系統(tǒng)小電流回路電流互感器的選擇，是目前工程設(shè)計(jì)的一個(gè)難題。

本文以某220 kV變電站10 kV站用變?yōu)槔?，提出了站用變回路電流互感器的選擇方法，供類似變電站工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

1 電流互感器的選擇條件

電流互感器的選擇條件有負(fù)荷電流、短路熱穩(wěn)定及動(dòng)穩(wěn)定電流等，同時(shí)應(yīng)滿足測量及計(jì)量的精度或繼電保護(hù)的要求[1]。

1.1 測量及計(jì)量用電流互感器

測量與計(jì)量用電流互感器額定一次電流按回路最大負(fù)荷電流選擇，站用變回路最大負(fù)荷電流按1.5倍變壓器額定電流確定，計(jì)算見式(1)[1]。計(jì)量用電流互感器應(yīng)采用S類[1]。

式中：Ig為回路最大負(fù)荷電流，A；Sb為站用變壓器容量，kVA；Un為回路額定電壓，kV。

電流互感器額定一次電流需結(jié)合產(chǎn)品一次電流的標(biāo)準(zhǔn)值序列選擇，如選擇非標(biāo)準(zhǔn)值，需與制造廠溝通，非標(biāo)產(chǎn)品一方面會(huì)提高工程造價(jià)，一方面也會(huì)給后續(xù)工程運(yùn)維帶來困難，這在工程設(shè)計(jì)中是不推薦的。

對(duì)于站用變等小電流回路電流互感器，尤其要注意能否滿足短路動(dòng)熱穩(wěn)定條件?；ジ衅黝~定短路熱穩(wěn)定及動(dòng)穩(wěn)定電流一般會(huì)隨著額定一次電流增大而增大，為保證精度，互感器一次電流盡量按接近于回路負(fù)荷電流選擇。但對(duì)于小電流回路，額定一次電流選擇過小，則可能無法滿足短路動(dòng)熱穩(wěn)定要求。

電流互感器熱穩(wěn)定校驗(yàn)見式(2)[2]。

式中：Ith為互感器額定熱穩(wěn)定電流，kA；tth為互感器熱穩(wěn)定電流持續(xù)時(shí)間，s；Id為回路三相短路電流，kA；t為短路電流持續(xù)時(shí)間，s。

互感器熱穩(wěn)定電流可查詢相關(guān)產(chǎn)品資料，或依據(jù)文獻(xiàn)[3]所示的標(biāo)準(zhǔn)值確定。互感器熱穩(wěn)定電流持續(xù)時(shí)間為1 s[4]。對(duì)于短路電流持續(xù)時(shí)間，站用變等小電流回路按所裝設(shè)的保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間確定[1]。

電流互感器動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)見式(3)[2]。

式中：Idyn為互感器額定動(dòng)穩(wěn)定電流，kA；ich為回路三相短路電流峰值，kA。

1.2 保護(hù)用電流互感器

35 kV及以下保護(hù)用電流互感器一般采用P類[1]。保護(hù)用電流互感器應(yīng)滿足回路發(fā)生故障時(shí)繼電保護(hù)正確動(dòng)作的要求。即發(fā)生短路時(shí)，互感器能將一次故障電流正確地傳變到二次回路，而影響互感器能否準(zhǔn)確傳變故障電流的最重要因素是其鐵心是否飽和[1]。在回路發(fā)生短路故障時(shí)，如互感器在故障后迅速飽和，將使互感器傳變特性變差，不能準(zhǔn)確傳變故障電流，引起保護(hù)的拒動(dòng)作或越級(jí)動(dòng)作。

為保證保護(hù)用互感器能夠準(zhǔn)確傳變故障電流，一般要求互感器的額定準(zhǔn)確限值電流不小于回路最大短路電流，即應(yīng)滿足式(4)要求[1]。

式中：Id為回路三相短路電流，A；Kalf為互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)；Ipr為互感器額定一次電流，A。

站用變回路所裝設(shè)的保護(hù)類型主要為電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)[5]，保護(hù)用互感器還需滿足二次電流整定值處于保護(hù)裝置整定區(qū)間內(nèi)，否則裝置無法整定。保護(hù)裝置二次電流整定值計(jì)算見式(5)[6]。

式中：Iz為保護(hù)裝置二次電流整定值，A；kr為互感器額定電流比；Iop為電流保護(hù)一次電流整定值，A。

電流保護(hù)一次電流整定值的計(jì)算見式(6)與式(7)。不同廠家生產(chǎn)的電流保護(hù)裝置整定區(qū)間有所不同，國內(nèi)主流保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家有南瑞繼保、北京四方、國電南瑞、南自等，參考產(chǎn)品說明，保護(hù)裝置電流整定區(qū)間基本為0.1 In～20 In，其中In指的是互感器額定二次電流。

保護(hù)用電流互感器也應(yīng)滿足負(fù)荷電流、短路動(dòng)穩(wěn)定及熱穩(wěn)定條件，計(jì)算同前述。

2 站用變回路電流互感器的選擇

2.1 回路電流互感器選擇存在的難題

站用變回路容量小，負(fù)荷電流也較小，回路發(fā)生短路時(shí)，短路電流可達(dá)負(fù)荷電流的數(shù)百甚至數(shù)千倍。電流互感器額定一次電流按負(fù)荷電流選擇，保證了測量及計(jì)量的精度，確保保護(hù)裝置可以整定。但由式(4)可知，則需大大提高互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)以滿足短路時(shí)不飽和的條件。35 kV及以下電流互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為5、10、15、20、30[4]，如采用更大的準(zhǔn)確限值系數(shù)，不僅需與生產(chǎn)廠家協(xié)商，還會(huì)造成互感器體積變大，安裝困難甚至無法安裝，并提高工程造價(jià)，是不可取的?；ジ衅鳒?zhǔn)確限值系數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)值情況下，需極大地提高額定一次電流以滿足短路時(shí)不飽和的條件，但會(huì)導(dǎo)致測量及計(jì)量誤差大，保護(hù)裝置無法整定。

以某10 kV站用變回路為例，站用變壓器容量100 kVA，回路三相短路電流20 kA，回路最大負(fù)荷電流8.7 A，回路電流互感器額定二次電流1 A，保護(hù)裝置電流整定區(qū)間0.1～20 A，考慮短路動(dòng)熱穩(wěn)定因素，電流互感器額定一次電流選擇100 A，則電流保護(hù)二次電流整定值為0.12 A，可滿足測量及計(jì)量精度、保護(hù)整定要求。此時(shí)為滿足短路時(shí)不飽和的條件，要求互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)應(yīng)不小于200，但這是無法實(shí)現(xiàn)的。若互感器額定一次電流選擇700 A，準(zhǔn)確限值系數(shù)為30，可滿足短路時(shí)不飽和條件，但電流保護(hù)二次電流整定值為0.016 A，保護(hù)裝置無法整定，且互感器額定一次電流遠(yuǎn)大于回路負(fù)荷電流，測量及計(jì)量精度極低。

電流互感器設(shè)置多個(gè)繞組并采用不同變比可滿足測量及計(jì)量精度和短路飽和條件，但仍無法同時(shí)解決保護(hù)裝置整定的問題，這是目前工程設(shè)計(jì)中普遍遇到的一個(gè)難題。

2.2 回路電流互感器的選擇方法

隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增大，變電站低壓側(cè)短路電流也越來越大，諸如站用變等小電流回路電流互感器選擇的難題也日益受到關(guān)注，相關(guān)機(jī)構(gòu)亦做了些研究試驗(yàn)。按照研究試驗(yàn)的結(jié)果，文獻(xiàn)[1,7]提到，在短路發(fā)生的開始階段，即使二次電流波形畸變增大，二次電流的有效值、平均值以及基波值是增加的。若一次電流整定值不超過互感器準(zhǔn)確限值電流的0.5倍，且具有一定的裕度，則互感器過飽和情況下保護(hù)裝置仍能夠正確動(dòng)作。鑒于此，小電流回路保護(hù)用電流互感器額定一次電流的選擇，可先考慮滿足保護(hù)整定的需要，同時(shí)保證互感器額定準(zhǔn)確限值電流大于保護(hù)最大一次電流整定值2倍，并留有一定裕度，裕度系數(shù)建議不小于2[1]，這樣可確保保護(hù)裝置可整定，也確?；ジ衅鞫搪凤柡蜁r(shí)保護(hù)裝置的可靠動(dòng)作。

站用變回路過電流保護(hù)按變壓器高壓側(cè)額定最大負(fù)荷整定，計(jì)算見式(6)[6]。

式中：Iop1為過電流保護(hù)一次電流整定值，A；Krel為可靠系數(shù)，取1.2；Kol為過負(fù)荷系數(shù)，對(duì)于變電站可取1.3～1.5；Kr為返回系數(shù)，取0.9；I1r為變壓器高壓側(cè)額定電流，A。

站用變回路速斷保護(hù)按躲過變壓器低壓側(cè)出口最大三相短路電流整定，計(jì)算見下式[6]。

式中：Iop2為速斷保護(hù)一次電流整定值，A；Krel為可靠系數(shù)，取1.3；Id2為變壓器低壓側(cè)出口最大三相短路電流，A。

保護(hù)用電流互感器裕度系數(shù)計(jì)算見下式[1]。

式中：k為互感器保護(hù)裕度系數(shù)；Kalf1為互感器擬選定的準(zhǔn)確限值系數(shù)；Kalf2為按保護(hù)二次電流整定值所確定的準(zhǔn)確限值系數(shù)。

為滿足測量及計(jì)量精度要求，希望互感器額定一次電流越小越好，但可能無法滿足短路動(dòng)熱穩(wěn)定條件，而需選擇較大的額定一次電流，同時(shí)考慮站用變回路的實(shí)際負(fù)荷更小，為提高測量及計(jì)量精度，電流互感器變比宜是可變的。設(shè)計(jì)可變變比互感器有2種方式實(shí)現(xiàn)：一次繞組串聯(lián)或并聯(lián)，繞組二次設(shè)置抽頭。一次繞組串聯(lián)或并聯(lián)對(duì)于35 kV及以下互感器，會(huì)造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布置的困難，而二次抽頭僅適用于測量及計(jì)量電流互感器，用于保護(hù)用電流互感器時(shí)會(huì)降低保護(hù)性能[1]。故站用變回路電流互感器宜可置多個(gè)獨(dú)立繞組分別接測量及計(jì)量、保護(hù)，各繞組變比可不同，用于測量及計(jì)量的繞組帶二次抽頭。

3 工程實(shí)例

某220 kV變電站10 kV母線安裝1臺(tái)站用變，容量Sb=315 kVA，短路阻抗Uk=4%，10 kV站用變出線開關(guān)柜電流互感器額定二次電流1 A，10 kV母線最大三相短路電流Id=18.97 kA，三相短路電流峰值ich=48.37 kA。

回路電流互感器用于測量、計(jì)量、速斷保護(hù)及過電流保護(hù)，擬設(shè)置多個(gè)繞組，各繞組采用不同的變比。

根據(jù)式(1)，回路最大負(fù)荷電流Ig=27.28 A。保護(hù)動(dòng)作時(shí)間取0.5 s，按式(2)與式(3)，要求互感器額定熱穩(wěn)定電流不小于13.41 kA，額定動(dòng)穩(wěn)定電流不小于48.37 kA，依據(jù)文獻(xiàn)[3]，互感器測量及計(jì)量繞組額定一次電流選擇100 A，另外考慮回路負(fù)荷基本上不會(huì)滿載，為提高精度，測量及計(jì)量繞組帶二次抽頭。

歸算至變壓器高壓側(cè)的阻抗Xs，變壓器阻抗Xt及變壓器低壓側(cè)出口故障時(shí)流過電流互感器的最大短路電流Id2計(jì)算結(jié)果如下。

式中：Sj為基準(zhǔn)容量，MVA，取100 MVA；Uj為基準(zhǔn)電壓，kV，為10.5 kV。

根據(jù)式(6)與式(7)，回路過電流保護(hù)、速斷保護(hù)一次電流整定值分別為36.38 A、550.42 A，為使得保護(hù)裝置動(dòng)作電流在產(chǎn)品整定區(qū)間內(nèi)，保護(hù)裝置易于整定，并滿足短路動(dòng)熱穩(wěn)定條件，保護(hù)繞組的變比應(yīng)分別處于100/1～350/1、100/1～5500/1之間。保護(hù)繞組采用不同變比時(shí)的計(jì)算結(jié)果見表1所列。

表1 不同變比時(shí)的保護(hù)繞組計(jì)算結(jié)果表

由表1可知，過電流保護(hù)及速斷保護(hù)繞組變比均選擇150/1 A，準(zhǔn)確限值系數(shù)為10時(shí)，互感器額定準(zhǔn)確限值電流均大于保護(hù)一次電流整定值的2倍，且裕度系數(shù)均大于2，滿足要求。值得注意的是，有時(shí)過電流保護(hù)與速斷保護(hù)采用同一變比同一準(zhǔn)確限值系數(shù)即接入同一繞組并不滿足相關(guān)條件要求，這需要具體計(jì)算以確定。

綜合上述，本工程站用變回路電流互感器設(shè)置3個(gè)繞組，分別用于測量、計(jì)量、保護(hù)(速斷、過電流)，各繞組變比分別為100(50)/1 A、100(50)/1 A、150/1 A，準(zhǔn)確級(jí)分別為0.5、0.2 S、10P10，互感器的配置如圖1所示。

圖1 互感器配置接線圖

4 結(jié)論

站用變等小電流回路用電流互感器應(yīng)設(shè)置多個(gè)繞組分別接入測量、計(jì)量及保護(hù)裝置，各繞組可采用不同的額定一次電流，以分別滿足測量及計(jì)量精度和繼電保護(hù)的要求。測量及計(jì)量用繞組額定一次電流按稍大于回路最大負(fù)荷電流選擇，考慮回路負(fù)荷為按過載形式計(jì)算取值，測量及計(jì)量繞組帶二次抽頭以提高精度。保護(hù)用繞組按保護(hù)一次電流整定值選擇，首先根據(jù)保護(hù)裝置整定區(qū)間選擇合適的額定一次電流，再選擇準(zhǔn)確限值系數(shù)，應(yīng)確保額定準(zhǔn)確限值電流大于2倍的保護(hù)一次電流整定值，且裕度系數(shù)不小于2。