論變電站站用變壓器保護用電流互感器的配置

　　摘 要：隨著電力系統短路容量的不斷增加，出現單臺主設備容量遠小于系統短路容量的情況越來越多，在220kV變電站內最常見的就是35kV站用變回路，其保護用電流互感器變比選擇已經成為了一個突出的問題，為保證電流互感器能夠可靠工作，變比不能選的太小，也不能太大。本文通過分析給出了合理選擇電流互感器參數的一些建議。
　　關鍵詞：鐵芯飽和 電流互感器變比 光學電流互感器
　　中圖分類號：TM63文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0119-02
　　一般的保護級電流互感器參數選擇，是在故障時通過互感器的最大短路電流不應超過其準確限值電流，在該電流下互感器的復合誤差不超過規定值。隨著系統容量不斷擴大，變電站低壓側系統短路電流越來越大，某些特殊負荷（如35kV站用變）正常工作電流較小，在這些設備出口短路時（短路位置如圖1所示），短路電流可能達到正常工作電流的數千倍，電流互感器額定一次電流通常按負荷電流選擇，以便于測量和保護整定。這樣確定的互感器在短路時需要承受數千倍的短路電流，鐵芯可能嚴重飽和而影響其傳變特性。若電流互感器按在短路故障時不飽和條件選擇，則電流互感器額定一次電流將遠大于負荷電流且需具有較高準確限值系數，這將造成電流互感器投資增加以及保護整定計算困難、測量精度難以保證，這在正常負荷電流較小的回路的電流互感器的選擇始終是一對矛盾。致使設備選擇面臨兩難的局面。
　　1 站用變保護設計中遇到的問題
　　通常220KV變電站共配置2臺容量315kVA的35kV站用干式變壓器負責給全站交流負荷供電（如圖1所示）。
　　1.1 變比選擇過小可能引起保護拒動
　　按額定容量計算，站變高壓側一次額定電流為5.2A，這是按變壓器滿載計算出的數據，實際工作電流還要小。若僅按負荷電流的大小來確定保護級電流互感器的變比，對于35kV側的電流互感器，選擇10/5A的變比就足夠了，但35kV系統的短路電流水平很高（約20kA），如果當電流互感器和站變高壓側繞組之間發生短路時，則短路電流倍數高達2000倍，在此電流的作用下鐵芯嚴重飽和，CT的二次繞組傳變的電流波形極度畸變，一次電流大部分轉變為鐵芯勵磁電流，以維持磁通的平衡，嚴重時二次側只能產生波形很窄的尖脈沖電流（如圖2所示）。
　　而目前的微機保測一體化裝置的采樣頻率較低，都是利用一定長度數據窗內的若干個采樣數據計算電流的大小，如果二次側電流波形畸變成很窄的尖脈沖，在一個數據窗內可能僅采樣到少量幾個點的真實故障數據，其他各點采樣值均接近于零，這樣計算出來的故障電流肯定偏小，難于保證過電流元件能正確可靠的動作，有可能造成站用變壓器的電流速斷保護及定時限過流保護拒動的事故。保護裝置拒動后，只能主變壓器低壓側后備保護經延時動作切除故障，擴大了停電范圍，失去了動作的選擇性。近年來在35kV系統中，曾經出現過在電流保護計算靈敏度很高的情況下，發生保護拒動的事故。
　　因此僅采用按負荷電流的大小確定保護級電流互感器的變比參數在實際工程中是不可行的，還必須同時考慮保護安裝處可能出現的最大短路電流和互感器的負載能力與飽和倍數來確定電流互感器的變比。
　　1.2 變比選擇過大造成保護整定困難
　　考慮到35kV系統側的短路水平，增大電流互感器的變比，實際變比選擇了800/5A，但增大變比則可能會產生如下問題。
　　（1）由于電流互感器的變比過大，造成實際二次電流過小，不利于電流互感器二次回路和繼電保護裝置的運行監視，使電流互感器二次斷線難以檢測。
　　（2）目前國內主要繼電保護廠商的站變保測一體化裝置的電流保護啟動元件的整定值范圍一般為0.5～100A（CT的二次側電流為5A時），而變比為800/5A時。高壓側二次額定電流為0.0325A，就算高壓側過流，過流保護的電流定值無法達到0.5A。
　　在我院設計的220kV變電站中已出現數例因站變高壓側變比選擇過大而造成保護整定計算困難的問題，最終不得不抬高定值降低靈敏度的方法解決.
　　2 配置電流互感器應注意的一些問題
　　對于站用變壓器的容量遠小于系統的短路容量的情況，出現大的短路電流流過CT的情況完全超出了其正常工作范圍，單靠改進二次保測裝置來適應這種不正常狀況并非長久之計。
　　2.1 限制一次短路電流水平
　　一次系統初步設計時應設法限制短路電流水平，新建變電站的低壓側可采取裝設限流電抗器或主變低壓側分列運行的方式來限制短路電流，使站變高壓出口短路時的電流不至于過大，以某220kV變電站為例在主變低壓側兩段母線并列運行時的短路電流為27kA，而采取分列運行時短路電流水平可以限制在20kA左右，此方法無需增加設備簡單有效；采用加裝限流電抗器的方式，雖然可以將短路水平降至預期水平，但是需要增加設備投資及變電所的占地面積，目前已投運的220kV變電站低壓側很少有采取裝設串聯電抗器來限制短路電流水平的，具體工程應根據實際情況而采取相應的措施。
　　2.2 選用準確限值系數高的設備
　　可以與生產廠家協商，選擇準確限值系數更大的電流互感器，這樣可以降低電流互感器一次額定電流，以滿足保測裝置的測量精度的要求，經對國內電流互感器制造水平現狀的調研，以容量315kVA變壓器為例，當選用準確級為5P80的電流互感器時，變比可以選擇250/5A，此時額定準確限值一次電流為80×250=20kA>18.98kA 滿足短路時的測量誤差小于5%的要求。但是要使短路電流達到額定電流80倍而準確度不變，要求二次電流隨一次電流成正比變化。這樣，必須電流互感器鐵芯中的磁通不能達到飽和，更不能過飽和。為滿足這一要求，鐵芯材料的導磁性要非常好，且鐵芯截面要做的非常大才可以。尤其二次容量要求大時，鐵芯更應如此，如要求達30VA或者更大，按上述要求生產出的電流互感器，其體積非常大，不適合在35kV開關柜狹小的空間內安裝。
　　2.3 減小電流互感器的二次負載
　　相關試驗表明[3]CT的二次側負載對保護能否正確動作有著決定性的影響，當CT的二次負載接近等于零時，即使一次側電流很大，CT也不會飽和。實際工程中應當盡可能的減小CT二次側的負載。
　　目前微機保護的交流電流回路的功率消耗在二次額定電流為5A時不超過1VA/相；額定電流為1A時不超過0.5VA/相，可以忽略不計。CT的負載主要是二次連接電纜的電阻，將保護裝置下放就地安裝，大大縮短了二次電纜長度，減小了互感器的負載，減小了CT飽和的幾率。
　　因功耗正比于電流的平方，將二次額定電流從5A降至1A，在負載阻抗不變的情況下，相應的二次回路功耗降低了25倍，互感器不容易飽和。但減小了CT的二次額定電流也會對保護裝置產生負面影響，二次電流減小后，則須提高保護的靈敏度，同時考慮設備價格時，在CT一次額定電流不是很大的情況下，二次額定電流選用5A為宜。
　　2.4 采用新型電流互感器
　　隨著智能變電站建設的全面開展，基于法拉第磁光效應原理光學電流互感器OCT和數字式保測裝置得到了廣泛的應用。OCT不含鐵芯，它在一次特大電流下不會有飽和的問題，在大的動態范圍內能保持良好的線性特性，因而其二次側能正確地反映一次電PjOV23eAVSlUmCelr/Dgi2HZ06zRBj4Xc0CNS5dVZLw=流的數值，從幾安培的小電流到大至數十千安的電流均能準確測量從而提高了保護動作的準確性，從而很好的解決了站用變壓器高壓側電流互感器的選擇問題。但由于制造工藝和造價的限制，光CT并未得到全面的應用。
　　3 實際工程中的設計計算
　　目前已有人專門做了試驗研究[3]，以探究電流互感器嚴重飽和時二次側所接繼電保護裝置能否正確動作的問題，大量試驗結果表明對于反應電流有效值、平均值的繼電保護，如整定值不超過互感器準確限值電流，即在互感器飽和前能保證動作，則電流繼續增大的過飽和情況下仍能保證保護可靠動作，而對于微機保護能否正確動作是和每個周波的采樣點數有很大關系，當微機保護采樣率為每周波36點，能保證保護可靠動作。當采樣頻率為每周波12點時，建議過飽和系數不超過6.5。當采樣頻率為每周波18點時，建議過飽和系數不超過13[3]。
　　由上述試驗結果可知在實際工程設計中并不需要要求CT在短路電流下完全不飽和。
　　下面以某具體工程為例說明設計計算過程。
　　站用變容量315kVA，額定電壓38.5/0.4kV，UK%=6.5站用變高壓側出口短路電流為Isa=20kA；站用變壓器保測裝置選用南瑞繼保RCS9621型，每周波采樣24點，電流互感器變比選擇200/5A、5P20級，二次額定容量10VA，3s熱穩定電流50kA，動穩定電流125kA。
　　（1）計算過飽和系數為Ksa=Isa/（Kalf×Ipn）=5，在試驗結果要求的范圍之內，雖然在一次側20kA的電流作用下CT會飽和，但是能保證保護可靠動作。
　　（2）二次負載校驗，保護裝置功耗按0.1VA，接觸電阻0.1Ω，二次聯接電纜按長度為2m，4mm2的銅導線.計算二次實際負載為2.82VA<10VA。
　　4 結語
　　35kV站用變高壓側出口的短路電流很大。為了保證在高壓側出口發生短路故障時不至于造成CT嚴重飽和，確保電流互感器可靠工作，CT的變比不能選得太小。但由于站用變壓器容量相對較小，高壓側正常工作電流很小。因而CT的變比又不能選得太大。太大會導致CT的二次側電流很小，從而直接影響保護裝置交流的采樣精度和整定。然而對于這種情況，我們希望能選用變比既能保證過負荷時測量精度的要求，又能在出現大短路電流時也能實現電流的正確傳變的電流互感器，這就希望能制造出小變比、高準確限值系數、高動、熱穩定性、體積小的電流互感器。由于受到制造能力的限制，目前國內市場還沒有符合要求的相關產品。但文獻[3]的試驗結果表明，實際工程中尤其是出口短路時是允許CT飽和的，保護的采樣頻率滿足要求，就能保證正確動作。
　　參考文獻
　　[1]國家發展和改革委員會.DL/T 866-2004，電流互感器和電壓互感器選擇及計算導則[S].北京：中國電力出版社，2004.
　　[2]袁季修，盛和樂，吳聚業.保護用電流互感器應用指南[M].北京：中國電力出版社，2004.
　　[3]陳三運.一起CT飽和引起的繼電保護拒動分析[J].電網技術，2002，26（3）.
　　[4]高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術[M].2版.北京：中國電力出版社，201