小型供熱發電機組擴容后電流互感器的選擇

鄭婉珍

（福建省石獅熱電有限責任公司，福建 泉州 362700）

某熱電廠3臺發電機分別于1998年、2000年、2001年投運，3臺發電機組容量為6MW。隨著工業區供熱負荷的增加，為滿足供熱需求，于2014年—2017年分別對鍋爐和汽輪發電機組進行升級改造。此次升級改造將其中1臺發電機——3號發電機容量由6MW擴容為22MW，升級改造后總發電裝機規模由原來的3×6MW增加為（2×6+22）MW。升級改造后總發電容量增加，系統短路電流相應增加。

改造前的10kV配電柜均無法達到熱穩定和動穩定的要求，故此次升級改造全部予以更改。新開關柜內電流互感器選型未充分考慮系統短路時的熱穩定和動穩定，在運行不到1年的時間里，其中1臺廠用變壓器高壓側10kV側配電柜開關下部電流互感器燒毀，造成三相短路故障。文章通過分析造成電流互感器燒毀原因，從設備設計參數選型、制造環節采取防范措施，從源頭保證設備本質安全。

1 問題分析

1.1 升級改造前后短路電流對比

因系統短路故障類型中，三相短路短路電流最大，危害也最嚴重，故文章均以三相短路來分析，之后不再特別說明。

升級改造前的系統短路電流短路點示意圖及等值阻抗圖如圖1所示，計算結果如表1所示。

圖1 升級改造前的系統短路電流短路點示意圖及等值阻抗圖

表1 升級改造前的系統短路電流計算結果表

升級改造后的系統短路電流短路點示意圖及等值阻抗圖如圖2所示，計算結果如表2所示。

圖2 升級改造后的系統短路電流短路點示意圖及等值阻抗圖

表2 升級改造后的系統短路電流計算結果表

從表1和表2對比可以看出，升級改造前后10kV母線三相短路時，短路電流周期分量起始有效值由20.99kA上升到29.2297kA，短路電流沖擊值由56.45kA上升到77.50kA，改造前的10kV配電柜均無法達到熱穩定和動穩定的要求，故此次升級改造全部予以更改。

1.2 電流互感器選型

（1）電流互感器一次參數選擇。電氣設備的選型，應選擇系統最大運行方式下的三相短路電流（即最嚴重故障狀態、最大故障電流）作為校驗電氣設備的穩定運行能力，考察電氣設備對短路電流承受能力的指標主要有額定動穩定電流和額定熱穩定電流。10kV配電柜一次設備選擇時，一次參數除了額定值一定要滿足相關要求以外，額定熱穩定電流和額定動穩定電流還要滿足系統短路熱穩定和動穩定的要求，電流互感器也是如此。

電流互感器選型時，其額定熱穩定電流應大于10kV母線三相短路時短路電流周期分量起始有效值29.2297kA，額定動穩定電流應大于10kV母線三相短路時短路電流沖擊值77.50kA，依據《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》（DL/T 866—2015），10kV開關柜上的電流互感器額定短時熱電流應選31.5kA，額定動穩定電流宜為額定短時熱電流的2.5倍，選80kA才符合要求。

（2）電流互感器二次參數選擇。電流互感器的精度等級是硬性要求，一定要滿足，變比可以靠抽頭來改變，這里不詳敘。下面重點分析電流互感器的額定二次電流和額定容量。

改造前3臺發電機于2000年左右投運，設計院對電流互感器選型按當時標準，二次額定電流按5A設計，這就造成全廠電流互感器二次額定容量較大。

電流互感器的二次負荷可以用阻抗Z2（Ω）或容量S（VA）表示。二者之間的關系為：

式中：S2為電流互感器二次容量，VA；I2為電流互感器二次電流，A；Z2為電流互感器二次負荷，Ω。

下面以計算電流互感器二次容量舉例說明。

首先確定電流互感器二次阻抗。依據《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》（DL/T 866—2015），保護用電流互感器繞組所在回路的二次阻抗按式（2）進行計算：

式中：Krc為繼電器阻抗換算系數；Zr為繼電器電流線圈阻抗（對于數字繼電器可忽略電抗，僅計及電阻Rr），Ω；Klc為連接導線阻抗換算系數，計算連接導線負荷時，忽略導線電感，僅計及導線電阻，可取1；Rl為連接導線電阻，Ω；Rc為接觸電阻，取0.05～0.1Ω。

因現在都是采用微機保護裝置，I22∑KrcZr取微機保護裝置單相消耗容量，電流互感器二次額定電流為5A單相消耗容量0.25VA，電流互感器二次額定電流為1A單相消耗容量0.15VA。接觸電阻Rc取0.1Ω。連接導線電阻Rl按式（3）計算：

式中：L為導線長度，m；γ為電導系數，銅取57m/（Ω·mm2）；A為二次回路導線截面，考慮到接入，一般取4mm2。

綜上所述，公式（1）可以演算成：

因配電室到保護室電纜溝距離較長，約120m，導線長度L按120m考慮，從公式（4）可知：

當I2=5A時，電流互感器二次負荷S2=0.25+52（+0.1）=15.9VA。

為減小電流互感器二次感應電勢，避免互感器飽和，電流互感器額定容量與二次實際負荷的關系應滿足：Se=1.5S2=1.5×15.9=23.85VA，取25VA。

當I2=1A時，電流互感器二次負荷S2=0.15+12（+0.1）=0.78VA。

為減小電流互感器二次感應電勢，避免互感器飽和，電流互感器額定容量與二次實際負荷的關系應滿足：Se=1.5S2=1.5×0.78=1.17VA，取5VA。

由以上計算可得，電流互感器二次額定電流為5A的二次負荷是電流互感器二次額定電流為1A的二次負荷的20倍（理論上是25倍），額定容量按標準取整后，電流互感器二次額定電流為5A的二次額定容量是電流互感器二次額定電流為1A的二次額定容量的5倍。且電流互感器二次額定電流為1A的二次額定容量裕量很大，可以有效提高抗飽和能力。故10kV系統電流互感器額定二次電流應采用1A，額定二次容量采用5VA。

1.3 電流互感器參數確定時未考慮全面，埋下安全隱患

電流互感器設計選型時，一次參數的額定短時熱電流和額定動穩定電流要滿足10kV母線短路時的系統短路電流，電流互感器額定短時熱電流應選31.5kA，額定動穩定電流選80kA。二次參數中，在保證電流互感器精度等級和變比的情況，額定二次電流為5A的額定容量取25VA。結果就是電流互感器制造尺寸變大，開關柜尺寸也相應變大。

某熱電廠此次升級改造10kV配電室是利舊，工程又有新增開關柜，開關柜位置布置本來就緊張。受安裝位置限制，此次新采購的電流互感器只能從參數上調整。

設計院在設計時，電流互感器需綜合考慮一、二次參數，因電氣二次負荷與電纜長度有關，未最終確定二次額定容量，故電氣一次參數也未明確給出，只是在說明1中寫道：“開關柜及柜內元件（電流互感器外）應滿足動穩定125kA，熱穩定50kA/4s的要求。”后續未有效跟蹤確認，導致廠家在生產時犧牲了電流互感器極為重要額定短時熱電流和額定動穩定電流，滿足電氣二次額定容量和精度等級及現場安裝尺寸的要求。選擇額定熱穩定電流5kA/1s，額定動穩定電流12.5kA，是其他一次設備額定熱穩定和額定動穩定參數的10%，遠遠無法滿足系統穩定運行的要求，電流互感器燒毀造成三相短路故障。

從圖1和圖2可以看出，某熱電廠改造前后的電氣主接線均為單母分段接線方式，是母線制，即3臺發電機出口開關和廠用電負荷（包括10kV/380V廠變和10kV電動機）是接在同一母線。10kV開關下部電流互感器燒毀造成的三相短路相當于母線三相短路故障，巨大的短路電流將該廠變10kV配電柜柜內開關下部設備全部燒毀，三相短路產生的巨大沖擊力把配電柜的后封板沖擊變形。此時保護裝置保護正確動作，瞬時跳開該廠變10kV配電柜開關，限制故障發展。

2 問題解決

通過以上分析，把額定熱穩定電流和額定動穩定電流不滿足要求的電流互感器全部更換，換成額定短時熱電流和額定動穩定電流滿足10kV母線短路時的系統短路電流，電流互感器額定短時熱電流選31.5kA，額定動穩定電流選80kA。同時，電流互感器二次額定電流改用1A，大幅降低電流互感器二次額定容量（只需選5VA），有效提高抗飽和能力，大大縮小電流互感器制造尺寸。改造后電流互感器未再出現故障，系統穩定性得到很大提升，保證了廠用電系統安全、穩定、連續運行。

3 結束語

不管是新建還是技改工程，在設備選型時一定要滿足標準對其參數要求，且對于哪些參數一定要保證，哪些參數可以調整，工程技術人員一定要做到心里有底，堅守底線，并充分考慮系統的發展情況，從設備本質安全上保證安全。