電流互感器在500 kV 變電站的應用

葉晴煒

(中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，昆明 650051)

0 前言

作為骨干網架的超高壓系統，近年來不斷發展擴大，對繼電保護動作的正確性要求越來越高，對電流互感器的準確性也提出了更嚴格要求。目前在云南電網500 kV 系統中，TPY 電流互感器已獲得廣泛的使用，本文針對500 kV 變電站結合具體工程，詳細闡述了TPY 電流互感器的選擇和配置，并對其在短路故障情況下的暫態特性是否滿足系統要求進行了校驗。

1 TPY 電流互感器的配置

500 kV 變電站一般都是電力系統的樞紐變電站，其地位和作用極其重要，設計需要突出考慮可靠性和穩定性，因此變電站的500 kV 配電裝置基本均采用3/2 斷路器接線。由于3/2 接線的保護比較復雜，對TPY 電流互感器的配置要求很高，稍有不慎極易造成保護誤動或拒動，因此重點需要遵循以下原則［1］:

1)電流互感器的類型、二次繞組的數量和準確級應滿足繼電保護的要求;

2)保護用電流互感器二次繞組應合理分配，避免出現主保護的死區，同時保證保護范圍最大化。接入保護的互感器二次繞組的分配，應注意避免當一套保護停用時，出現被保護區內故障時的保護動作死區;

3)對配電裝置采用3/2 接線，獨立式電流互感器每串宜配置三組，每組的二次繞組數量按工程需要確定。

由于P 類電流互感器的準確限值是由一次電流為穩態對稱電流時的復合誤差或勵磁特性拐點來確定的，而TPY 電流互感器的準確限值是考慮一次電流中同時具有周期分量和非周期分量，并按某種規定的暫態工作循環時的峰值誤差來確定的，適用于考慮短路電流中非周期分量暫態影響的情況。500 kV 系統一次時間常數較大，短路電流中非周期分量衰減較慢，一旦電流互感器暫態飽和可能導致保護誤動，因此云南電網明確要求500 kV 線路和變壓器保護應選用TPY 電流互感器。而母線差動保護由于采用必要的減輕互感器暫態飽和影響的措施，具有抗暫態飽和的能力，保護一般選用P 級電流互感器即可。此外TPY 電流互感器在從飽和到剩磁狀態的轉換期間，由于磁阻、儲能以及磁通變化量的不同，二次回路的電流值較高且持續時間較長，故不宜用于斷路器失靈保護［2］，應選用P 級電流互感器。

綜合考慮上述電流互感器的配置原則，對于3/2 接線，電流互感器的二次繞組數量可按797配置，即兩個邊開關電流互感器按7 個級次(其中TPY 級:2 個;5P 級:3 個;0.5S 級:1 個;0.2S 級:1 個)，中開關電流互感器按9 個級次配置［3］，見圖1。

圖1 3/2 接線的電流互感器二次繞組配置圖

2 TPY 電流互感器的參數選擇

TPY 電流互感器分別從一次參數和二次參數兩方面進行選擇。

2.1 一次參數

1)額定一次電流(Ipn):TPY 電流互感器應根據一次設備的額定電流或最大工作電流選擇適當的額定一次電流，可根據斷路器或隔離開關的額定電流確定。

2)額定對稱短路電流倍數(Kssc):一般選用10、15、20、25、30、40、50，需要根據系統電氣一次專業提供的額定一次短路電流 (Ipsc)確定，Kssc=Ipsc/ Ipn。

3)一次時間常數(Tp):以ms 表示的標準值為40、60、80、100、120，由系統電氣一次專業確定，500 kV 系統一般約100 ms。

2.2 二次參數

1)額定二次電流(Isn):標準值有1 A 和5 A 兩類，對于新建的500 kV 變電站應選用1 A。

2)額定二次容量(Sb):TPY 電流互感器的負荷通常由兩部分組成:一部分是所連接的保護裝置，另一部分是連接導線和接觸電阻。500 kV變電站一般選用的額定二次容量為12 VA (12 Ω)。

3)二次回路時間常數(Ts):一般根據互感器特性要求由制造廠家優化確定。由于二次回路時間常數與回路總電阻成反比，當實際二次負荷(Rb)不同于額定二次負荷(Rbn)時，實際的二次回路時間常數

Rct為電流互感器二次繞組的電阻，Tsn為額定二次時間常數。

3 TPY 電流互感器的校驗

影響電流互感器性能的最重要因素是鐵芯飽和，由于500 kV 系統一次時間常數很大，短路電流中的非周期分量衰減緩慢，容易導致互感器的鐵芯嚴重飽和而使傳變特性變差，二次線圈的電流輸出不能真實反應一次側的電流變化，引起區外故障的保護誤動。TPY 電流互感器鐵芯中帶有氣隙，磁阻較大，能夠很好地解決鐵芯飽和問題，同時控制剩磁不大于飽和磁通的10%，有利于C－O－C－O 工作循環的準確限值，適用于采用重合閘的線路保護。

下面以云南某500 kV 變電站為例，分別對500 kV 線路保護用TPY 電流互感器在暫態工況下的各種工作循環進行暫態特性和限制剩磁校驗。根據系統電氣一次提供的有關數據:變電站500 kV 系統遠景年最大短路電流Ip=47.359 kA，一次回路時間常數Tp=100 ms。

電流互感器的電流比為2500/1。根據電流互感器二次回路阻抗測試并考慮適當裕度，外接負荷為Rb=7 Ω，保護校驗系數:Kpcf=47 359/2 500=18.94。

工作循環時間的選取:C－O，t 取100 ms(一般保護故障切除時間)或250 ms (斷路器失靈保護故障切除時間);C－O－C－0，t＇=100 ms，tfr=500 ms，t＇＇取40 ms (保護動作時間)或100 ms (包括斷路器動作故障切除時間)。

3.1 驗算電流互感器

2 500/1A;KSSC=20;TP=100 ms;Rct=3.5 Ω;Rbn=12 Ω;Tsn=0.8 s;互感器額定工作循環取C－100 ms－O－500 ms－C－40 ms－O。

Ktd根據公式，按電流互感器給定的兩次通電工作循環代入有關參數求得:

由此求出電流互感器額定等效二次極限電動勢為:

3.2 驗算等效二次感應電動勢

由實際二次負荷7 Ω，求得實際二次時間常數Ts為:

a)C－O 工作循環:按t=100 ms，求暫態面積系數及等效二次感應電動勢。

b)C－O 工作循環:按t=250 ms，求暫態面積系數及等效二次感應電動勢。

c)C－O－C－0 工作循環:t＇=100 ms，trf=500 ms，t＇＇=100 ms，求暫態面積系數及等效二次感應電動勢。

3.3 檢驗暫態誤差

對應TPY 電流互感器，還應校驗實際工作的暫態誤差。取上述最大的，時間二次時間常數Ts=1.18 s，根據公式，符合不超出10%的要求。

3.4 計算結果分析

由以上計算結果可知，選用上述規范的TPY電流互感器在各種工作循環中的等效二次感應電動勢均不大于其額定等效二次極限電動勢Eal，在各種工作循環中均不會飽和，并且暫態誤差未超過限值(10%)，滿足實際工程要求。

4 結束語

TPY 電流互感器的選擇和配置是一個復雜且系統的工作，需要電氣一、二次專業密切配合，綜合考慮各方面因素的影響。在電流互感器的參數確定以后，需要通過現有互感器參數對實際工程進行等效二次極限電動勢及暫態誤差的計算來校驗是否滿足要求。不能依靠增加電流互感器的額定二次容量來提高互感器的額定等效二次極限電動勢，一方面這樣會造成電流互感器價格的顯著上升，另一方面由于受到空間的限制，特別是GIS、HGIS 等緊湊式組合電器，鐵芯無法做到較大截面，額定二次容量不可能有較大增加。提高電流互感器抗暫態飽和的能力可以從限制一次短路電流、增大電流互感器變比、減小電流互感器的二次負載等方面綜合考慮，以保證繼電保護裝置動作的正確性，確保電網的安全、穩定運行。

［1］中國南方電網有限責任公司生產技術部.南方電網220 kV～500 kV 電網裝備技術導則［S］.2012.

［2］國家發展和改革委員會.DL/T866－2004 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.

［3］云南電網公司.QB/YW110－01－2009 電氣設備裝備技術導則［S］.2009.