站用變壓器用電流互感器變比選擇研究

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

0 引 言

變電站的低壓側(cè)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(cè)量和保護(hù)整定，按站用變壓器額定負(fù)荷電流選擇，則故障短路時(shí)電流互感器可能因承受數(shù)百上千倍短路電流而產(chǎn)生嚴(yán)重過(guò)飽進(jìn)而影響其性能；若按故障短路時(shí)不飽和為條件選擇電流互感器，則其電流將遠(yuǎn)大于負(fù)荷電流，且需要較高的準(zhǔn)確限值系數(shù)，易造成測(cè)量誤差難以保證、保護(hù)整定困難、投資費(fèi)用增加等問題[1-4]。

根據(jù)DL/T 866-2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》第8.2.4條、8.2.5條文解釋可知：1)在外部短路故障時(shí)，3～35 kV 系統(tǒng)電流互感器在給定暫態(tài)系數(shù)不小于2條件下，通常難以滿足準(zhǔn)確限值系數(shù)要求，因此在保證裝置可靠動(dòng)作的前提下，允許有較大誤差；2)當(dāng)最大限值電流小于系統(tǒng)最大短路電流時(shí)，準(zhǔn)確限值電流大于微機(jī)保護(hù)整定值2倍，可保證裝置可靠動(dòng)作[5]。

為方便電流互感器選型，在分析站用變壓器保護(hù)配置和整定計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合保護(hù)裝置精確工作電流范圍，計(jì)算出了電流互感器變比的上下限范圍。結(jié)合電流互感器測(cè)量、保護(hù)繞組的變比關(guān)系給出了常用10 kV、35 kV站用變壓器保護(hù)和測(cè)量的變比推薦值。

1 保護(hù)的配置

根據(jù)GB/T 14285-2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，站用變壓器一般配置電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)及裝設(shè)在其低壓側(cè)中性線的零序過(guò)流保護(hù)[6]。

電流速斷保護(hù)應(yīng)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(cè)引出線和套管及變壓器內(nèi)部部分線圈故障；過(guò)電流保護(hù)應(yīng)能準(zhǔn)確檢測(cè)到站用變壓器低壓側(cè)母線或饋線支路發(fā)生短路故障電流，并經(jīng)一定延時(shí)切出故障。這就要求電流互感器既能在大短路電流時(shí)避免深度飽和，又能在小電流過(guò)負(fù)荷時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)，因此其變比選擇十分重要。

2 整定計(jì)算

站用變壓器額定容量Se，站用變壓器高壓側(cè)額定電壓Ue，取基準(zhǔn)容量sj=Se，基準(zhǔn)電壓Uj=1.05Ue。站用電低壓系統(tǒng)短路電流計(jì)算宜按高壓側(cè)保護(hù)電氣的開斷容量或高壓側(cè)的短路容量確定。

(1)

站用變壓器阻抗標(biāo)幺值為

(2)

2.1 電流速斷保護(hù)[7-8]

電流速斷保護(hù)具有接線簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速等優(yōu)點(diǎn)，能瞬時(shí)切除變壓器電源側(cè)引出線和套管及變壓器內(nèi)部部分線圈的故障。站用變壓器電流速斷保護(hù)整定值，按躲過(guò)變壓器負(fù)荷母線短路時(shí)流過(guò)保護(hù)的最大短路電流計(jì)算，即

(3)

站用變壓器低壓側(cè)三相短路后，高壓側(cè)保護(hù)安裝處的電流值為

(4)

2.2 過(guò)電流保護(hù)[7-8]

過(guò)流保護(hù)可以反應(yīng)外部故障引起的變壓器繞組過(guò)流，同時(shí)作為變壓器內(nèi)部故障時(shí)的氣體保護(hù)的后備保護(hù)和低壓母線保護(hù)的主保護(hù)。其保護(hù)動(dòng)作電流Iop-II應(yīng)按躲過(guò)變壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流IL.max來(lái)整定，即

(5)

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.4；Kr為返回系數(shù)，取0.85。

站用變器的最大負(fù)荷電流按其額定電流選取，即

(6)

2.3 常用站用變保護(hù)整定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述電流速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)整定值的計(jì)算方法，計(jì)算出DL/T 5155-2016中常用站用變壓器電流速斷保護(hù)整定值和過(guò)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(hù)整定值計(jì)算結(jié)果

表2 常用35 kV/0.4 kV變壓器保護(hù)整定值計(jì)算結(jié)果

表3 10 kV站用變各變比(數(shù)值上等于CT額定電流)限值及站用變高壓電流

根據(jù)高壓側(cè)保護(hù)電氣的開斷容量折算出的系統(tǒng)阻抗與站用變壓器阻抗相比，至少相差一兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此計(jì)算站用變壓器低壓側(cè)短路電流時(shí)，高壓側(cè)開斷容量的影響有限。從表1 和表 2可以看出，高壓側(cè)斷路器開斷水平分別選取25 kA、31.5 kA、40 kA時(shí)，電流速斷保護(hù)的整定值相差很小，對(duì)保護(hù)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(duì)較小，高壓側(cè)正常工作時(shí)電流很小，因而CT不能選得過(guò)大，即便為滿足測(cè)量精度和保護(hù)準(zhǔn)確限值系數(shù)的要求，保護(hù)和測(cè)量計(jì)量二次繞組選用不同變比，其變比也不宜過(guò)大，宜采用1∶2。

同時(shí)，站用變壓器保測(cè)一體化裝置的精確工作電流有一定范圍，而站用變壓器過(guò)流保護(hù)的整定值較小，若變比過(guò)大，可能造成過(guò)流保護(hù)整定值超過(guò)電流保護(hù)啟動(dòng)元件的電流下限，導(dǎo)致過(guò)電流無(wú)法整定。

另一方面，系統(tǒng)發(fā)生短路后，短路電流較大，為保證保護(hù)裝置的可靠動(dòng)作，電流變比不宜過(guò)小。

3.2 電流變比上限的確定

設(shè)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?yàn)檫^(guò)流保護(hù)整定值；A為站用變壓器保護(hù)裝置的精確工作電流下限值；I20為電流互感器二次側(cè)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(shù)值上相等。

3.3 電流變比下限的確定

設(shè)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(hù)最大動(dòng)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(jù)上述變比上下限計(jì)算方法，計(jì)算出10 kV站用變壓器各變比(數(shù)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(hù)用電流互感器變比上限值主要由保護(hù)裝置的精確工作電流下限值和過(guò)電流保護(hù)整定值決定。在過(guò)電流保護(hù)整定值一定的情況下，保護(hù)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(chǎn)的保護(hù)裝置過(guò)流整定值范圍見表4。

表4 不同廠家保護(hù)裝置過(guò)流整定范圍

由于南京南瑞繼保電氣有限公司生產(chǎn)的保護(hù)裝置過(guò)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(shí)過(guò)電流整定范圍按0.1In～20In考慮。

變比下限值由電流速斷保護(hù)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(zhǔn)確限值系數(shù)取20，即可保證保護(hù)可靠動(dòng)作。因此一般電流互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)選擇20即可，不需要再放大準(zhǔn)確限值系數(shù)。

但在變比滿足最大上限值的情況下，變比選擇越大，準(zhǔn)確限值系數(shù)越大，則當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，電流互感器的過(guò)飽和系數(shù)越低，裕度越大，保護(hù)裝置不易因CT過(guò)飽和而導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)或越級(jí)跳閘。

同一臺(tái)電流互感器，各二次繞組變比宜一致。為滿足計(jì)量、測(cè)量準(zhǔn)確性，電流互感器額定電流應(yīng)盡量接近較小的負(fù)荷電流；而為了避免互感器深度飽和，應(yīng)避免選用較高的準(zhǔn)確限值系數(shù)，電流互感器額定電流應(yīng)盡量選擇較大一些。若根據(jù)實(shí)際需要，保護(hù)和測(cè)量計(jì)量二次繞組選用不同變比，其變比也不宜過(guò)大，宜采用1∶2。測(cè)量計(jì)量也可采用中間抽頭方式，以獲得小電流。一般0.2級(jí)測(cè)量電流互感器在20%～120%額定電流范圍內(nèi)，能保證測(cè)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(jì)算出35 kV站用變壓器各變比(數(shù)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(dāng)保護(hù)裝置的精確工作電流范圍為0.1In～20In時(shí)，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(shí)，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(shù)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(dāng)保護(hù)裝置的精確工作電流范圍為0.1In～20In時(shí)，一次繞組串聯(lián)，范圍為0.05In～20In時(shí)一次繞組并聯(lián)，即可滿足變比上下限要求。

3.5 變比選擇的進(jìn)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(dòng)、熱穩(wěn)定需要滿足較高要求時(shí)，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(guò)電流整定值有關(guān)，若保護(hù)裝置招標(biāo)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(guò)電流整定值以變壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流IL.max來(lái)整定，Krel可靠系數(shù)取1.4，返回系數(shù)取0.85。過(guò)電流保護(hù)的靈敏度需為

(9)

另一方面，站用變壓器高壓側(cè)實(shí)際電流較小，若額定電流較大，可能會(huì)影響測(cè)量精度，可以采用精度在1%～120%額定范圍滿足要求的0.2S級(jí)測(cè)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(jié) 語(yǔ)

通過(guò)保護(hù)整定計(jì)算并結(jié)合保護(hù)裝置的電流精確工作范圍，得到了站用變壓器保護(hù)用CT的保護(hù)變比上下限值。根據(jù)上下限值結(jié)果可知，以保證保護(hù)裝置正確動(dòng)作為原則選擇電流互感器時(shí)，其準(zhǔn)確值限值系數(shù)一般取20即可。

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

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

35 kV過(guò)電流保護(hù)整定值過(guò)小可能導(dǎo)致保護(hù)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(dāng)增大過(guò)電流保護(hù)定值，從而選擇較大變比的互感器。