站用變壓器用電流互感器變比選擇研究

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041)

0 引 言

變電站的低壓側短路水平通常為20～40 kA，而站用變壓器額定電流僅為幾安到幾十安。若為方便測量和保護整定，按站用變壓器額定負荷電流選擇，則故障短路時電流互感器可能因承受數百上千倍短路電流而產生嚴重過飽進而影響其性能；若按故障短路時不飽和為條件選擇電流互感器，則其電流將遠大于負荷電流，且需要較高的準確限值系數，易造成測量誤差難以保證、保護整定困難、投資費用增加等問題[1-4]。

根據DL/T 866-2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》第8.2.4條、8.2.5條文解釋可知：1)在外部短路故障時，3～35 kV 系統電流互感器在給定暫態系數不小于2條件下，通常難以滿足準確限值系數要求，因此在保證裝置可靠動作的前提下，允許有較大誤差；2)當最大限值電流小于系統最大短路電流時，準確限值電流大于微機保護整定值2倍，可保證裝置可靠動作[5]。

為方便電流互感器選型，在分析站用變壓器保護配置和整定計算的基礎上，結合保護裝置精確工作電流范圍，計算出了電流互感器變比的上下限范圍。結合電流互感器測量、保護繞組的變比關系給出了常用10 kV、35 kV站用變壓器保護和測量的變比推薦值。

1 保護的配置

根據GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》規定，站用變壓器一般配置電流速斷保護、過電流保護及裝設在其低壓側中性線的零序過流保護[6]。

電流速斷保護應能保證在電流互感器深度飽和之前，快速、可靠切出站用變壓器電源側引出線和套管及變壓器內部部分線圈故障；過電流保護應能準確檢測到站用變壓器低壓側母線或饋線支路發生短路故障電流，并經一定延時切出故障。這就要求電流互感器既能在大短路電流時避免深度飽和，又能在小電流過負荷時準確檢測，因此其變比選擇十分重要。

2 整定計算

站用變壓器額定容量Se，站用變壓器高壓側額定電壓Ue，取基準容量sj=Se，基準電壓Uj=1.05Ue。站用電低壓系統短路電流計算宜按高壓側保護電氣的開斷容量或高壓側的短路容量確定。

(1)

站用變壓器阻抗標幺值為

(2)

2.1 電流速斷保護[7-8]

電流速斷保護具有接線簡單、動作迅速等優點，能瞬時切除變壓器電源側引出線和套管及變壓器內部部分線圈的故障。站用變壓器電流速斷保護整定值，按躲過變壓器負荷母線短路時流過保護的最大短路電流計算，即

(3)

站用變壓器低壓側三相短路后，高壓側保護安裝處的電流值為

(4)

2.2 過電流保護[7-8]

過流保護可以反應外部故障引起的變壓器繞組過流，同時作為變壓器內部故障時的氣體保護的后備保護和低壓母線保護的主保護。其保護動作電流Iop-II應按躲過變壓器可能出現的最大負荷電流IL.max來整定，即

(5)

式中：Krel為可靠系數，取1.4；Kr為返回系數，取0.85。

站用變器的最大負荷電流按其額定電流選取，即

(6)

2.3 常用站用變保護整定計算結果

根據上述電流速斷保護和過電流保護整定值的計算方法，計算出DL/T 5155-2016中常用站用變壓器電流速斷保護整定值和過電流整定值，如表1、表2所示[9]。

表1 常用10 kV/0.4 kV變壓器保護整定值計算結果

表2 常用35 kV/0.4 kV變壓器保護整定值計算結果

表3 10 kV站用變各變比(數值上等于CT額定電流)限值及站用變高壓電流

根據高壓側保護電氣的開斷容量折算出的系統阻抗與站用變壓器阻抗相比，至少相差一兩個數量級，因此計算站用變壓器低壓側短路電流時，高壓側開斷容量的影響有限。從表1 和表 2可以看出，高壓側斷路器開斷水平分別選取25 kA、31.5 kA、40 kA時，電流速斷保護的整定值相差很小，對保護整定而言可以忽略[10-11]。

3 變比的選取

3.1 影響變比的因素

一方面，站用變壓器容量相對較小，高壓側正常工作時電流很小，因而CT不能選得過大，即便為滿足測量精度和保護準確限值系數的要求，保護和測量計量二次繞組選用不同變比，其變比也不宜過大，宜采用1∶2。

同時，站用變壓器保測一體化裝置的精確工作電流有一定范圍，而站用變壓器過流保護的整定值較小，若變比過大，可能造成過流保護整定值超過電流保護啟動元件的電流下限，導致過電流無法整定。

另一方面，系統發生短路后，短路電流較大，為保證保護裝置的可靠動作，電流變比不宜過小。

3.2 電流變比上限的確定

設變比最大值(上限)為Nmax，Nmax需要滿足的條件為[12-13]

Iop-II/Nmax≥A×I20

(7)

式中：Iop-Ⅱ為過流保護整定值；A為站用變壓器保護裝置的精確工作電流下限值；I20為電流互感器二次側額定電流，取1 A或5 A，按I20=1 A考慮。二次電流額定電流為1 A，則變比與一次額定電流在數值上相等。

3.3 電流變比下限的確定

設變比最小值(下限)為Nmin，為滿足電流互感器最大限值電流大于保護最大動作電流整定值的2倍的要求[14]，即IprKalf≥2Iop-I。Nmin需要滿足的條件為

NminKalf≥2Iop-I

(8)

3.4 推薦變比的選擇

根據上述變比上下限計算方法，計算出10 kV站用變壓器各變比(數值上等于CT額定電流)限值及站用變壓器高壓一次額定電流如表3所示。

從表3可以看出，隨著容量的增加，變比的上下限值均增大。

保護用電流互感器變比上限值主要由保護裝置的精確工作電流下限值和過電流保護整定值決定。在過電流保護整定值一定的情況下，保護裝置的精確工作電流下限值越小，則變比上限值越大。

不同廠家生產的保護裝置過流整定值范圍見表4。

表4 不同廠家保護裝置過流整定范圍

由于南京南瑞繼保電氣有限公司生產的保護裝置過流整定范圍最小，為了變比選擇的普適性，10 kV站用變壓器CT變比選擇時過電流整定范圍按0.1In～20In考慮。

變比下限值由電流速斷保護的整定值決定，從表3中可以看到容量為1000 kVA的10 kV站用變壓器，電流互感器變比選擇166/1，準確限值系數取20，即可保證保護可靠動作。因此一般電流互感器準確限值系數選擇20即可，不需要再放大準確限值系數。

但在變比滿足最大上限值的情況下，變比選擇越大，準確限值系數越大，則當發生故障時，電流互感器的過飽和系數越低，裕度越大，保護裝置不易因CT過飽和而導致保護拒動或越級跳閘。

同一臺電流互感器，各二次繞組變比宜一致。為滿足計量、測量準確性，電流互感器額定電流應盡量接近較小的負荷電流；而為了避免互感器深度飽和，應避免選用較高的準確限值系數，電流互感器額定電流應盡量選擇較大一些。若根據實際需要，保護和測量計量二次繞組選用不同變比，其變比也不宜過大，宜采用1∶2。測量計量也可采用中間抽頭方式，以獲得小電流。一般0.2級測量電流互感器在20%～120%額定電流范圍內，能保證測量精度。

綜上分析，推薦10 kV站用變壓器電流互感器變比選擇如表5所示。同理可計算出35 kV站用變壓器各變比(數值上等于CT額定電流)限值及站用變高壓一次額定電流如表6所示。從表6中可以看出，當保護裝置的精確工作電流范圍為0.1In～20In時，160 kVA、200 kVA、250 kVA站用變壓器變比值上限均小于100，若精確工作電流范圍為0.05In～20In時，比值上限可提高一倍。分別考慮精確工作電流范圍的不同，推薦互感器變比如表7所示。

表5 10 kV站用變壓器電流互感器變比推薦值

表6 35 kV站用變壓器各變比(數值上等于CT額定電流)限值及站用變高壓電流

表7 35 kV站用變電流互感器變比推薦值

當保護裝置的精確工作電流范圍為0.1In～20In時，一次繞組串聯，范圍為0.05In～20In時一次繞組并聯，即可滿足變比上下限要求。

3.5 變比選擇的進一步分析

35 kV容量為160～310 kVA的站用變壓器，其電流互感器變比較小，動、熱穩定需要滿足較高要求時，可能制造困難。

一方面，變比較小是受到電流變比上限的影響，變比上限與精確工作電流范圍及過電流整定值有關，若保護裝置招標文件中明確精確工作電流范圍為0.05In～20In，則變比上限可提高。過電流整定值以變壓器可能出現的最大負荷電流IL.max來整定，Krel可靠系數取1.4，返回系數取0.85。過電流保護的靈敏度需為

(9)

另一方面，站用變壓器高壓側實際電流較小，若額定電流較大，可能會影響測量精度，可以采用精度在1%～120%額定范圍滿足要求的0.2S級測量繞組。

綜上分析，最終推薦35 kV站用變電流互感器變比選擇如表8所示。

表8 35 kV站用變電流互感器變比最終推薦值

4 結 語

通過保護整定計算并結合保護裝置的電流精確工作范圍，得到了站用變壓器保護用CT的保護變比上下限值。根據上下限值結果可知，以保證保護裝置正確動作為原則選擇電流互感器時，其準確值限值系數一般取20即可。

以測量電流互感器額定電流選擇保護與測量繞組宜采用同一變比，若不同變比時宜采用1∶2的原則，給出了10 kV、35 kV常用站用變壓器保護、測量的變比推薦值。

35 kV站用變壓器高壓側實際電流較小，若電流互感器額定電流較大時，可考慮采用0.2S精度互感器。

35 kV過電流保護整定值過小可能導致保護變比上限很小，影響電流互感器的選擇，可在滿足靈敏度的前提下，適當增大過電流保護定值，從而選擇較大變比的互感器。