風(fēng)電場(chǎng)站用變保護(hù)電流互感器一次電流選擇

李 清

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

目前，風(fēng)電場(chǎng)通常以35 kV母線匯集電能后升壓送入電網(wǎng)，站用變壓器接在35 kV母線上。35 kV站用變?nèi)萘客ǔ２怀^(guò)400 kVA，其回路額定電流較小，如按照回路額定電流值選擇保護(hù)P級(jí)電流互感器(CT)額定一次電流值(Ipr)，保護(hù)故障校驗(yàn)電流(Ipcf)將遠(yuǎn)大于額定準(zhǔn)確限制一次電流(Ipal)，無(wú)法解決CT飽和問(wèn)題。工程中通常采用保護(hù)故障檢驗(yàn)電流法選擇站用變保護(hù)級(jí)電流互感器的Ipr，Ipr按滿足Ipcf要求得出一次電流值，鑒于P級(jí)電流互感器一次準(zhǔn)確限制系數(shù)(Kpcf)不超過(guò)40倍，在35 kV側(cè)短路電流較大的情況下，由該方法得到額定一次電流值的工程易造成站用變過(guò)電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值整定困難甚至無(wú)法給出二次定值的情況，導(dǎo)致保護(hù)靈敏度降級(jí)及失效。對(duì)此問(wèn)題國(guó)內(nèi)鮮有文獻(xiàn)對(duì)其展開(kāi)研究。

為解決上述問(wèn)題，本文以某425 MW風(fēng)電場(chǎng)工程升壓站站用變?yōu)槔?，結(jié)合站用電保護(hù)整定計(jì)算，提出了適用于站用變保護(hù)用電流互感器Ipr選擇方法，該方法可作為同類新能源工程站用變保護(hù)級(jí)電流互感器參數(shù)選擇的參考。

1 保護(hù)故障校驗(yàn)電流法

保護(hù)故障校驗(yàn)電流法以電流互感器額定準(zhǔn)確限制一次電流(Ipal)大于或等于保護(hù)故障校驗(yàn)電流(Ipcf)(通常是最大運(yùn)行方式下35 kV母線處三相短路故障電流)為選擇依據(jù)。

以下結(jié)合某425 MW風(fēng)電場(chǎng)工程站用變回路實(shí)際參數(shù)闡明該方法。圖1為該風(fēng)電場(chǎng)一次主接線示意圖，表1、表2分別列出了某425 MW風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線短路電流值及站用變相關(guān)參數(shù)。

圖1 某425 MW風(fēng)電場(chǎng)一次主接線示意圖

表1 某425 MW風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線短路電流值 kA

表2 某425 MW風(fēng)電場(chǎng)站用變、保護(hù)CT參數(shù)

由表1可看出，該風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線最大運(yùn)行方式下短路電流為20.936 kA，采用該方法，如選擇電流互感器的一次準(zhǔn)確限制系數(shù)為30倍，其一次電流值至少應(yīng)為698 A，例中選擇為700 A。

依據(jù)規(guī)程DL/T 866—2016《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》[1]條文8.2.4的要求，在保護(hù)安裝點(diǎn)近處故障，若互感器參數(shù)在技術(shù)上難以滿足要求時(shí)，可允許有較大誤差?？紤]到站用變保護(hù)電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)整定值遠(yuǎn)小于電流互感器的準(zhǔn)確限制一次電流，因此站用變保護(hù)電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)在電流繼續(xù)增大的過(guò)飽和情況下仍能保證保護(hù)的可靠動(dòng)作。按此CT一次變比可降低，但規(guī)范未明確如何考慮二次側(cè)定值對(duì)其的影響。

綜上，保護(hù)故障校驗(yàn)電流法以避免CT飽和為前提選擇額定一次電流裕度偏大，且該方法并未考慮由此帶來(lái)的站用變過(guò)電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)中存在二次定值問(wèn)題。

以下將結(jié)合該風(fēng)電場(chǎng)工程站用變整定計(jì)算分析該方法在二次定值中存在的問(wèn)題。

2 站用變整定計(jì)算

依據(jù)規(guī)范DL/T 1631—2016《并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)配置及整定計(jì)算規(guī)范》[2]，容量10 MVA以下的站用變壓器配置電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，同時(shí)應(yīng)配置過(guò)電流保護(hù)作為其后備保護(hù)。

2.1 電流速斷保護(hù)

站用變電流速斷保護(hù)定值按高壓側(cè)引線故障有靈敏度并躲過(guò)低壓側(cè)母線故障和勵(lì)磁涌流整定。

1)躲過(guò)系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下站用變低壓側(cè)母線三相短路故障時(shí)流過(guò)高壓側(cè)的短路電流：

忽略站用變與35 kV站用變間隔之間線纜的阻抗，由表1可知，最大運(yùn)行方式下35 kV母線三相短路電流為20.936 kA，折算至變壓器容量下的等效阻抗標(biāo)幺值為：

式中：Sj為基準(zhǔn)容量，MVA；Sd.max為最大運(yùn)行方式下35 kV母線三相短路容量，MVA。

式中：X*t為站用變阻抗電壓標(biāo)幺值；Ij為歸算至站用變?nèi)萘康?5 kV側(cè)基準(zhǔn)電流，A。

滿足該條件的電流速斷保護(hù)一次整定值I1.dz1計(jì)算如下：

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.4。

2)躲過(guò)變壓器勵(lì)磁涌流(勵(lì)磁涌流通常為7～10倍額定電流)：

滿足該條件的電流速斷保護(hù)一次整定值I1.dz2計(jì)算如下：

式中：In為站用變高壓側(cè)額定電流，A。

綜上，電流速斷保護(hù)一次整定值I1.dz取式(3)、式(4)大值124.306 A。

3)靈敏度K1.1m校驗(yàn)：

按工業(yè)與民用設(shè)計(jì)供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)表7.2-3[3]，電流速斷保護(hù)靈敏度應(yīng)不小于1.5，由式(5)可知，當(dāng)電流速斷保護(hù)一次整定值取124.306 A，高壓側(cè)引線故障時(shí)靈敏度滿足要求。

2.2 過(guò)電流保護(hù)

1)站用變壓器高壓側(cè)的后備保護(hù)以躲過(guò)變壓器過(guò)負(fù)荷電流及低壓側(cè)故障且有足夠靈敏度為整定條件，過(guò)電流保護(hù)一次整定值I2.dz計(jì)算如下：

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.2；Kcon為接線系數(shù)，取1；Kol為過(guò)負(fù)荷系數(shù)，取1.3；Kr為返回系數(shù)，取0.9。

靈敏度按最小運(yùn)行方式下低壓側(cè)兩相短路時(shí)折算至高壓側(cè)的短路電流校驗(yàn)?？紤]到站用電回路變壓器聯(lián)結(jié)組別為Dyn11，低壓側(cè)兩相短路時(shí)折算至高壓側(cè)的短路電流要考慮組別的影響，流過(guò)高壓側(cè)最大一相短路電流為低壓側(cè)三相短路時(shí)流過(guò)高壓側(cè)的短路電流。

忽略站用變與35 kV站用變間隔之間線纜的阻抗，最小運(yùn)行方式下35 kV母線三相短路電流為19.345 kA，折算至變壓器容量下的等效阻抗標(biāo)幺值為：

式中：Sj為基準(zhǔn)容量，MVA；Sd.min為最小運(yùn)行方式下35kV母線三相短路容量，MVA。

因此，最小運(yùn)行方式下低壓側(cè)兩相短路時(shí)流過(guò)高壓側(cè)最大一相短路電流為：

2)靈敏度K2.lm校驗(yàn)：

按工業(yè)與民用設(shè)計(jì)供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)表7.2-3[3]，過(guò)電流保護(hù)靈敏度應(yīng)不小于1.3，由式(9)可知，過(guò)電流保護(hù)一次整定值取10.82 A，低壓側(cè)兩相短路故障時(shí)靈敏度滿足要求。

2.3 過(guò)負(fù)荷保護(hù)

站用變過(guò)負(fù)荷保護(hù)一次整定值I3.dz應(yīng)躲過(guò)變壓器高壓側(cè)額定電流，計(jì)算如下：

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.1；Kcon為接線系數(shù)，取1；Kr為返回系數(shù)，取0.9。

3 過(guò)電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定中存在問(wèn)題

由第2節(jié)內(nèi)容不難看出，電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)一次定值均能滿足靈敏度的要求?？紤]到輸入微機(jī)保護(hù)裝置為一次定值經(jīng)電流互感器折算至二次側(cè)的值，以南瑞站用變綜保裝置PCS-9621A-N為例，電流速斷、過(guò)電流、過(guò)負(fù)荷定值范圍均為(0.05～20)In(In為電流互感器二次側(cè)額定電流值，例中為1 A)。如按700 A的額定一次電流，則電流速斷保護(hù)二次定值為0.178 A，過(guò)電流保護(hù)二次定值為0.015 A，過(guò)負(fù)荷保護(hù)二次定值為0.01 A。顯然，過(guò)電流保護(hù)和過(guò)負(fù)荷保護(hù)均無(wú)法滿足微機(jī)保護(hù)的最小輸入值要求。

為避免站用變失去相間后備保護(hù)以及過(guò)負(fù)荷保護(hù)，按照微機(jī)保護(hù)的最小輸入值的要求，可按0.05 A設(shè)置過(guò)負(fù)荷保護(hù)，0.06 A設(shè)置過(guò)電流保護(hù)。如按照0.05 A的二次電流值設(shè)置過(guò)負(fù)荷保護(hù)，則一次電流需要達(dá)到35 A時(shí)，過(guò)負(fù)荷保護(hù)經(jīng)過(guò)延時(shí)才會(huì)報(bào)警，此時(shí)變壓器過(guò)負(fù)荷倍數(shù)已經(jīng)達(dá)到了4.6倍，大大超過(guò)了規(guī)范GB/T 1094.12—2013《電力變壓器第12部分：干式變壓器負(fù)載導(dǎo)則》里對(duì)于干式變壓器過(guò)載能力的要求[4]。按此定值設(shè)置無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器過(guò)載的保護(hù)，相當(dāng)于失去了站用變的過(guò)負(fù)荷保護(hù)。如按照0.06 A的二次電流值設(shè)置過(guò)電流保護(hù)，則一次電流定值為42 A，此時(shí)靈敏度為2.11，稍高于相間后備保護(hù)靈敏度最低值要求。

綜上分析可知，按保護(hù)故障檢驗(yàn)電流法選擇站用變保護(hù)級(jí)電流互感器的額定一次電流易造成站用變失去過(guò)負(fù)荷的保護(hù)。此外，如工程中選擇電流互感器的額定一次電流在此基礎(chǔ)上適當(dāng)加大，且二次定值取值稍大，則相間后備靈敏度將無(wú)法滿足最小值的要求。

4 電流互感器一次電流值選擇

為解決上述問(wèn)題，下文將從滿足微機(jī)保護(hù)采樣精度、保護(hù)裝置動(dòng)作可靠性兩方面分析電流互感一次電流的取值。

1)按微機(jī)保護(hù)采樣精度選擇

由第3節(jié)分析可知，要保證所有保護(hù)一次定值經(jīng)電流互感器折算到二次側(cè)的值滿足最低5%的要求，則過(guò)負(fù)荷保護(hù)的一次定值應(yīng)超過(guò)電流互感器Ipr的5%。為保證過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定值滿足微機(jī)保護(hù)采樣最低5%的要求，則Ipr≤7.63/5%=152.6 A。

2)按保護(hù)動(dòng)作可靠性選擇

對(duì)于P級(jí)CT，Kpcf最大取值40，為滿足采樣精度的要求，如互感器額定一次電流按1)分析結(jié)果取150 A，則Ipal最大值為6 kA，仍小于系統(tǒng)最大短路電流20.936 kA。

針對(duì)此情況，規(guī)范DL/T 866—2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》[1]提出：當(dāng)3 kV～35 kV系統(tǒng)電流互感器的最大限制電流小于最大系統(tǒng)短路電流時(shí)，互感器準(zhǔn)確限制電流宜按大于保護(hù)最大動(dòng)作電流整定值2倍選擇。因此，為避免因CT飽和和微機(jī)保護(hù)裝置限幅對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生不良影響導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)、越級(jí)跳閘等問(wèn)題，在選擇電流互感器時(shí)，CT的額定準(zhǔn)確限制一次電流應(yīng)按大于保護(hù)最大動(dòng)作電流一次整定值(即電流速斷保護(hù)整定值)的2倍選擇，可保證保護(hù)裝置可靠動(dòng)作。表3中CT的Kpcf取30，則CT的額定一次電流Ipr≥2×124.306/30=8.29 A。

表3 某250 MW風(fēng)電場(chǎng)站用變定值單

綜上，CT的額定一次電流可取150 A。裕度系數(shù)K=30/(124.306/150)=36.2倍＞2倍，滿足保護(hù)定值要求并有較大的裕度。

3)二次定值、靈敏度校驗(yàn)

站用變保護(hù)級(jí)電流互感器Ipr取150 A時(shí)，對(duì)應(yīng)于第2節(jié)計(jì)算的電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)的二次定值分別為0.83 A、0.05 A、0.07 A，均滿足微機(jī)保護(hù)最小采樣值的要求，且過(guò)電流保護(hù)靈敏度得到了明顯的提高。

5 工程案例分析

由式(2)、式(7)可知系統(tǒng)各種運(yùn)行方式下的短路容量歸算至變壓器容量相對(duì)于變壓器本身的短路阻抗幾乎可以忽略，這意味著站用變電流速斷保護(hù)整定值、過(guò)電流保護(hù)靈敏度校驗(yàn)幾乎可不考慮站用變回路外歸算短路容量的影響。因此，只要35 kV站用變?nèi)萘?、短路阻抗與算例中的相同，本文所提出的選擇方法具備通用性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法的正確性，查閱某250 MW風(fēng)電場(chǎng)工程35 kV站用變保護(hù)定值單(站用變?nèi)萘?、短路阻抗與表2相同)，定值單相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3所列：

由表3不難看出，站用變保護(hù)CT的Ipr以及相關(guān)保護(hù)定值與前文中分析結(jié)論基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的正確性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合站用變整定計(jì)算，提出適用于風(fēng)電場(chǎng)站用電保護(hù)CT額定一次電流值選擇方法，該方法可同時(shí)滿足微機(jī)保護(hù)采樣值、繼電保護(hù)動(dòng)作的可靠性，可為同行設(shè)計(jì)人員借鑒。