配電變壓器一次側(cè)CT參數(shù)選擇分析

楊懋渠

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003）

在電力系統(tǒng)中，電流互感器（CT）是一、二次回路之間的聯(lián)絡(luò)元件，能夠?qū)⒁淮位芈返拇箅娏鞒烧鹊刈儞Q為二次回路的小電流以供給測量儀器儀表、繼電保護(hù)裝置或其他類似電器，以便實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)和設(shè)備的測量、監(jiān)控和保護(hù)，進(jìn)而保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，正確地選擇和使用CT是非常重要的。但是，CT 參數(shù)的選擇涉及測量、保護(hù)和動、熱穩(wěn)定性等諸多方面因素，66kV 以下中壓系統(tǒng)CT 的過飽和問題也常常為準(zhǔn)確限值系數(shù)的選擇帶來困擾。本文列舉了幾個樣例，對在工業(yè)企業(yè)中由高壓開關(guān)柜供電的配電變壓器一次側(cè)CT 的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討，列出了選擇步驟，供各位同行參考。

1 基本情況

本文中的配電變壓器均通過電纜由高壓開關(guān)柜供電。高壓開關(guān)柜主母線處三相短路電流和變壓器參數(shù)及相關(guān)信息見表1。高壓開關(guān)柜為KYN28A-12型，采用真空斷路器、微機(jī)保護(hù)裝置和多功能電力儀表。

按照規(guī)程要求，本文中變壓器均設(shè)置瞬時電流速斷保護(hù)為主保護(hù)、過電流保護(hù)（定時限，0.5s）為后備保護(hù)。在通常情況下，受高壓開關(guān)柜中空間的限制，一般每相僅布置一臺CT，該CT 帶兩個二次繞組，分別向測量回路和繼電保護(hù)回路提供二次電流。樣例中高壓開關(guān)柜的負(fù)荷均為配電變壓器，故需設(shè)置三臺CT，采用完全星型接線。根據(jù)上述的安裝與使用條件，選用環(huán)氧樹脂澆注絕緣結(jié)構(gòu)的CT，其額定頻率為50Hz、設(shè)備最高電壓為12kV、額定絕緣水平為30/42kV。

表1 高壓開關(guān)柜主母線處三相短路電流和變壓器參數(shù)及相關(guān)信息

2 CT 參數(shù)的選擇

依照CT 選擇及計算導(dǎo)則的要求[1]，CT 應(yīng)根據(jù)其所屬一次設(shè)備的額定電流或最大工作電流（均表示為Ib）選擇適當(dāng)?shù)念~定一次電流（Ipn），并應(yīng)使得在額定電流比（Kn）條件下的二次電流滿足該回路測量儀表和保護(hù)裝置的準(zhǔn)確性要求。因此，采用如下步驟選擇電流互感器的相關(guān)參數(shù)。

2.1 根據(jù)測量要求（即Ipn≥1.25Ib）選擇Ipn

選擇結(jié)果見表2。

表2 初選Ipn 的結(jié)果

2.2 選擇額定二次電流（Isn）

對于新建廠站，宜選1A；改擴(kuò)建工程原有CT采用5A 時，可選5A。故初選為1A。

2.3 計算CT 的二次負(fù)荷（Zb 或Sb，Zb=Sb/Is2n）

可按下式計算：

測量繞組：Zb=∑KmcZm+KlcRl+Rc

保護(hù)繞組：Zb=∑KrcZr+KlcRl+Rc

其中，Zm為儀表電流線圈的阻抗，Ω；Zr為繼電器電流線圈阻抗，對于數(shù)字繼電器可忽略電抗，僅計及電阻Rr，Ω；Rc為接觸電阻，一般為0.05 Ω～0.1 Ω；Kmc為儀表接線的阻抗換算系數(shù)；Krc為繼電器阻抗換算系數(shù)；Klc為連接導(dǎo)線的阻抗換算系數(shù)；Rl為連接導(dǎo)線單程的電阻，Ω，計算公式為Rl=L/(γA),L為電纜長度（m）、A為導(dǎo)線截面（mm2）、γ為電導(dǎo)系數(shù)，銅取57m/（ Ω×mm2）。

因高壓開關(guān)柜中的CT 采用完全星型接線，故Kmc=Krc=Klc=1。另取L=3、A=2.5，則連接導(dǎo)線和接觸電阻之和為 0.07~0.12 Ω，消耗功率為 0.07～0.12VA（Isn=1A）。參照CT 選擇及計算導(dǎo)則附表提供的數(shù)據(jù)，電子式儀表和微機(jī)型保護(hù)裝置的電流回路功耗參考值分別為0.2～1VA 和每相≤1VA；查看多功能電力儀表產(chǎn)品樣本和說明書，其中部分資料提供的電流回路功耗和阻抗均為上限值（例如分別是<0.4VA/相和<20m Ω/相）。綜合上述數(shù)據(jù)推算出測量繞組的二次負(fù)荷為0.1～0.52VA、保護(hù)繞組的二次負(fù)荷最大為1.12VA，故可選擇規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值中的最低值2.5VA 作為測量繞組的額定輸出值。

對于準(zhǔn)確級為0.5 或0.5s 級的CT 測量繞組，其準(zhǔn)確級對應(yīng)的誤差限值的保證條件之一就是二次負(fù)荷處于25%～100%額定負(fù)荷范圍之內(nèi)[2]。上述額定負(fù)荷2.5VA 的25%為0.625VA，可見CT 測量繞組的實(shí)際二次負(fù)荷不符合要求，需采取增加阻抗的措施。增加阻抗的措施有兩種，措施一是增加CT與多功能電力儀表之間連接導(dǎo)線的長度，措施二是在測量回路中增加阻抗元件。一般情況下，多功能電力儀表的電流輸入端為小 CT，阻抗很低，而Isn=1A 的CT 帶負(fù)荷能力相對很強(qiáng)，故措施一中連接導(dǎo)線會很長；而措施二會在測量回路中增加一個故障點(diǎn)，很難做到“越簡單則越可靠”的狀態(tài)；所以，增加阻抗的措施都不太適用。考慮到Isn=5A 的CT 帶負(fù)荷能力相對很弱，即使采用常用的10VA 作為額定輸出值，其對應(yīng)的阻抗僅為0.4 Ω，25%對應(yīng)的阻抗為0.1 Ω，扣除0.05～0.1 Ω接觸電阻，得出連接導(dǎo)線（2.5mm2）的最小單程長度為7m。因此，宜采用Isn=5A 的CT。

對于Isn=5A 的CT，通常情況下其測量繞組的額定輸出為10VA、保護(hù)繞組的額定輸出為15VA。取微機(jī)型保護(hù)裝置的電流回路功耗為1VA/相、接觸電阻為0.1 Ω、連接導(dǎo)線長度為3m，則可計算得出CT 保護(hù)繞組的實(shí)際負(fù)荷為4VA 左右。很明顯，保護(hù)繞組的額定輸出遠(yuǎn)大于其實(shí)際負(fù)荷。這非常有利于提高CT 的抗飽和能力。因此，可選擇15VA 作為額定輸出值。

將Isn改選為5A。測量繞組的額定輸出為10VA，連接導(dǎo)線（2.5mm2）的最低長度為7m；保護(hù)繞組的額定輸出暫定為15VA。

2.4 計算CT 熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的保證值

按照規(guī)定，CT 的額定連續(xù)熱電流（Icth）、額定短時熱電流（Ith）和額定動穩(wěn)定電流（Idyn）應(yīng)能滿足所在一次回路的最大負(fù)荷電流和短路電流的要求。Ith的定義為在二次繞組短路的情況下，電流互感器能承受1s 且無損傷的一次電流方均根值；Idyn的定義為在二次繞組短路的情況下，電流互感器能承受住其電磁力的作用而無電氣或機(jī)械損傷的最大一次電流峰值。

CT 的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗(yàn)計算公式[3]分別為

其中，tth=1s；Qt為短路電流熱效應(yīng)（kA2s），t為短路電流持續(xù)時間（瞬時電流速斷保護(hù)時取0.1s、過電流保護(hù)時取0.6s），由于發(fā)生三相短路時在t/2時間內(nèi)電動機(jī)反饋電流已經(jīng)衰減完畢，故可按照Qt=（I″2+10Ik2+Ik2）t/12+TeqI″2計算，Ik為最大運(yùn)行方式下三相短路電流穩(wěn)態(tài)值（kA），Teq為直流分量等效時間，取0.05s。分別計算瞬時電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)的短路電流熱效應(yīng)，均需滿足公式要求。

其中，ich為最大運(yùn)行方式下沖擊電流（kA）。

計算保證CT 熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定所需的保證值見表3。

表3 CT 熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的保證值

2.5 確定保護(hù)繞組的準(zhǔn)確級

1）初選準(zhǔn)確限值系數(shù)（Kalf）

依照CT 選擇及計算導(dǎo)則，樣例中的配電變壓器一次側(cè)CT 應(yīng)選用10P 級電流互感器。

因CT 安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)，故應(yīng)以最大運(yùn)行方式下柜內(nèi)主母線處的三相短路電流作為參考值來確定CT 的額定準(zhǔn)確限值一次電流（Ipal），這樣才能保證在斷路器（高壓開關(guān)柜內(nèi)）的負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路故障時CT 能夠?qū)⒁淮坞娏髡_地傳變到二次回路（即誤差不超過10%這一規(guī)定值）。

對于樣例1～5，按上述方法確定Ipal依次為7.5kA、23.89 kA、17.5 kA、14.39kA 和20.68kA，進(jìn)而計算出準(zhǔn)確限值系數(shù)（Kalf=Ipal/Ipn）依次為75、159.3、87.5、143.9、137.8。可見，CT 的Kalf值過大。過大的Kalf值將會增加CT 設(shè)計制造和實(shí)際應(yīng)用的難度，也不利于工程成本的控制。若按照上述方法確定Ipal并暫定Kalf為20 來選擇Ipn，則樣例1～5的Ib/Ipn依次為19%、8%、17%、11%、9%，不利于繼電保護(hù)整定和保證測量計量誤差。在數(shù)年時間里，這些情況令人對CT 準(zhǔn)確限值系數(shù)的選擇感到困惑。但是，這僅僅是一個很小的側(cè)面。隨著大機(jī)組的逐年增多、電力系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大和電網(wǎng)架構(gòu)的日趨合理，66kV 以下中壓系統(tǒng)的短路電流越來越大，而有些饋線的工作電流卻僅有幾十安培，因此，保護(hù)用電流互感器參數(shù)的合理選擇方法問題急需得到解決。為此，有關(guān)人員和單位進(jìn)行了系列試驗(yàn)并給出了結(jié)論[4]，即：可按保護(hù)最大整定值確定電流保護(hù)用的電流互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)，以代替按短路電流選擇電流互感器參數(shù)，則一般電流互感器（Kalf=15～20）即可滿足要求，按此原則選定的電流互感器完全滿足一般反應(yīng)有效值和平均值的繼電保護(hù)在過飽和時可靠動作的需要，若微機(jī)保護(hù)的采樣頻率高于每周期18 點(diǎn)則過飽和系數(shù)（Ks，即短路電流與Ipal的比值）基本不受限值。故對于本文樣例中CT 的準(zhǔn)確限值系數(shù)可按照變壓器電流速斷保護(hù)整定值進(jìn)行選擇，初選Kalf為15。

2）瞬時電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)整定值的計算

（1）瞬時電流速斷保護(hù)

保護(hù)裝置動作電流值（一次值）Iop的計算公式為：Iop=KrelI″2k3.max

其中，Krel為可靠系數(shù)，取1.3；I″2k3.max為最大運(yùn)行方式下變壓器低壓側(cè)三相短路時流過高壓側(cè)（保護(hù)安裝處）的超瞬態(tài)電流。

同時，Iop還應(yīng)避越變壓器空載投入時的勵磁涌流。

保護(hù)裝置靈敏系數(shù)Ksen的計算公式：Ksen=I″1k2.min/Iop

其中，I″1k2.min為最小運(yùn)行方式下變壓器電源側(cè)引出端發(fā)生兩相金屬性短路時流經(jīng)保護(hù)安裝處的短路電流（一次值）。

按照規(guī)程要求，靈敏系數(shù)應(yīng)不小于2。

（2）過電流保護(hù)

保護(hù)裝置動作電流值（一次值）Iop的計算公式為：Iop=3.5Ib

其中，Ib為變壓器一次側(cè)額定電流。

保護(hù)裝置靈敏系數(shù)Ksen的計算公式：Ksen=I″2k2.min/Iop

其中，I″2k2.min為最小運(yùn)行方式下變壓器二次側(cè)母線上發(fā)生兩相短路時流經(jīng)保護(hù)裝置的短路電流（一次值）。

按照規(guī)程要求，靈敏系數(shù)應(yīng)不小于1.5。

（3）計算結(jié)果見表4。

表4 整定值的計算結(jié)果

3）選擇Ipn

由于本文樣例中CT 的二次負(fù)荷較小，需根據(jù)實(shí)際負(fù)荷修正準(zhǔn)確限值系數(shù)。一般工程中按實(shí)際負(fù)荷修正的準(zhǔn)確限值系數(shù)K′alf可取為Kalf的2 倍。但是由短路電流值和根據(jù)實(shí)際負(fù)荷修正的準(zhǔn)確限值一次電流（I′pal）在數(shù)值上的顯著差異可以看出，無論怎樣，發(fā)生短路時CT 中流過的短路電流均超過其I′pal，使得CT 處于過飽和狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的分析結(jié)論，由于保護(hù)裝置電流回路量程的限制，CT 過飽和會影響其對CT 二次電流的測量結(jié)果，有可能造成電流速斷保護(hù)拒動；在特定的短路電流下保護(hù)裝置是否存在拒動的危險，可根據(jù)CT 參數(shù)、保護(hù)裝置電流回路量程和保護(hù)整定值等給定的條件進(jìn)行估算；為避免保護(hù)拒動，應(yīng)采取措施提高CT 的實(shí)際準(zhǔn)確限值一次電流，或提高保護(hù)裝置的量程，并校驗(yàn)電流速斷保護(hù)整定值的可靠性。顯而易見，在實(shí)際工作中，在Kalf范圍已經(jīng)確定的條件下適當(dāng)提高CT 的變比是比較簡單易行的方法，這樣既可以降低CT 過飽和系數(shù)，同時又也降低了電流速斷保護(hù)的整定值（二次值）。按照這個思路，可以反過來做推算Ipn的工作。

一般情況下，微機(jī)保護(hù)裝置電流回路的量程為0.1In～20In（In為其額定電流，等于CT 的Isn）。考慮到電流速斷保護(hù)整定值（二次值）不要太高，取不超過20In的80%。因此，應(yīng)保證變壓器電流速斷保護(hù)整定值（一次值）落在在0.1Ipn～16Ipn之間，也就是說Ipn的選擇還受到不得低于變壓器電流速斷保護(hù)整定值（一次值）的1/16 這一條件的約束。按此約束條件重新選擇Ipn，并做相關(guān)計算，結(jié)果見表5。

表5 選擇Ipn 的計算結(jié)果

4）確定Kalf

重選的Ipn和Kalf的乘積為Ipal，其值大于速斷保護(hù)整定值（一次值）。故確定Kalf為15。

2.6 確定測量繞組的準(zhǔn)確度

按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求[6]，樣例中的高壓開關(guān)柜上需設(shè)置電測量裝置反映電氣運(yùn)行參數(shù)，其準(zhǔn)確度為0.5，配套CT 的準(zhǔn)確度也應(yīng)為0.5；對于Ⅲ類電能計量裝置，要求CT 準(zhǔn)確度為0.5S。故確定測量繞組的準(zhǔn)確度見表6。

表6 CT 參數(shù)的選擇結(jié)果

上述標(biāo)準(zhǔn)還提出，CT 額定一次電流的選擇宜滿足正常運(yùn)行的實(shí)際負(fù)荷電流達(dá)到額定值的60%、且不應(yīng)小于30%的要求，其二次繞組中所接入的負(fù)荷應(yīng)保證在額定二次負(fù)荷的25%～100%。對于分別接至兩段高壓母線的互為暗備用的兩臺配電變壓器，一般按計算負(fù)荷為變壓器額定容量的70%來確定變壓器的額定容量。若變壓器一次側(cè)CT 變比較大，還會出現(xiàn)變壓器實(shí)際負(fù)荷電流低于CT 額定一次電流30%的情況，此時可通過采用選用復(fù)變比CT 的方法來有效解決測量繞組與保護(hù)繞組之間對CT 額定一次電流提出的互為矛盾的要求。

2.7 參數(shù)選擇結(jié)果

綜上所述并參照工廠常用電器設(shè)備手冊增補(bǔ)本[7]中列舉的、在工程實(shí)際中大量使用的定型產(chǎn)品LZZBJ9系列CT 的相關(guān)數(shù)據(jù)，最終確定樣例中CT 參數(shù)的數(shù)值見表6。

3 結(jié)論

在確定工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)內(nèi)配電變壓器一次側(cè)CT 參數(shù)時，也會遇到短路電流相對較大而實(shí)際負(fù)荷電流較小、造成CT 準(zhǔn)確限值系數(shù)難以選擇的情況。相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果為解決此類問題提供了很好的理論依據(jù)。故應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，全面分析涉及CT 參數(shù)選擇的各項(xiàng)因素和制約條件，按保護(hù)最大整定值確定Kalf，兼顧微機(jī)保護(hù)裝置量程確定Ipal，適當(dāng)提高CT 的變比，經(jīng)復(fù)核和校驗(yàn)后最終確定CT參數(shù)。這樣，一般的電流互感器均可滿足工程要求，同時也有效地規(guī)避了保護(hù)裝置拒動的風(fēng)險，取得技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)適用的應(yīng)用效果。

[1] 國家發(fā)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(dǎo)則[S].北京: 中國電力出版社,2004.

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 1208—2006 電流互感器[S].北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[3] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院等編.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3 版.北京: 中國電力出版社,2005.

[4] 袁季修,盛和樂,秦應(yīng)力,等.中壓系統(tǒng)保護(hù)用電流互感器參數(shù)選擇方法[J].電力自動化設(shè)備,2007,27(2): 1-5.

[5] 胡家為,葛榮尚,尹明鉉,等.CT 過飽和特性及對過流速斷保護(hù)的影響[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013,16(41): 133-138.

[6] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50063—2008 電力裝置的電測量儀表裝置設(shè)計規(guī)范[S].北京: 中國計劃出版社,2008.

[7] 《工廠常用電器設(shè)備手冊上冊》編寫組編.工廠常用電器設(shè)備手冊上冊補(bǔ)充本[M].北京: 中國電力出版社,2003.