中小型水電站站用變壓器保護和高壓側電流互感器配置新思路

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，310014)

1 問題的提出

中小型水電站站用電供電范圍一般僅限廠房附件，供電范圍小，一般采用0.4kV一級電壓供電。中小型水電站發電機機端一般設有發電機斷路器，站用電電源采用在主變壓器低壓側引接的方式，發電時由機組供給站用電源，停機時能從電力系統倒送站用電。

如某中小型水電站發電機—變壓器組合采用單元接線，發電機出口裝設斷路器，發電機出口電壓為10kV。站用電分別從1號和2號主變壓器10kV側取一回電源，通過站用變壓器降壓到0.4kV后給全站供電。站用變壓器高壓側設置10kV斷路器，站用變壓器額定容量為500kVA，高壓側額定一次電流僅為27.49A。根據該電站短路電流計算結果，站用變壓器高壓側短路電流最大可達到45.67kA。

根據《繼電保護和安全自動裝置技術規程》(GB/T 14285-2006)的要求，該水電站在設計時，主變壓器差動保護采用四側差動保護，站用變壓器配置電流速斷和過電流等保護。站用變壓器考慮到站用變壓器高壓側引出線及內部短路時，不至于啟動主變壓器保護差動保護動作，擴大事故范圍，造成不必要的發電量損失。

而為了滿足主變壓器差動保護以及站用變壓器保護配置的需要，我們需要在站用變壓器高壓側配置合適的保護用電流互感器。為使站用變壓器高壓側電流互感器在最大短路電流情況下滿足復合誤差的要求，站用變壓器高壓側電流互感器參數初步選擇為：1500/5A、10P35。

經查，國內主流保護廠家站用變壓器保護裝置的過電流保護電流最小整定值一般為0.1In左右，In為電流互感器額定二次電流，該電站In設計為5A，0.1In也就是0.5A。如果該電站站用變壓器過流保護用電流互感器變比也選用1500/5A，而站用變壓器一次額定電流為27.49A，也就是正常情況下電流互感器的二次側額定電流僅為0.092A，距離0.5A有一定的差距，將會導致站用變壓器過電流保護整定存在困難。

2 站用變壓器高壓側電流互感器和保護配置方案

首先選擇站用變壓器高壓側電流互感器的參數，以滿足主變壓器差動保護要求。根據規范，電流互感器選擇驗算應滿足其額定準確限值一次電流應大于保護校驗故障電流：

Ipn×Kalf>Ipcf

(1)

式中：Ipn——電流互感器的額定一次電流，單位A；

Kalf——保護用電流互感器的準確限值系數；

Ipcf——保護校驗故障電流。

保護校驗故障電流Ipcf是為保證保護裝置正確動作而合理選用的一次故障電流，根據《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》(DL/T 866-2015)的要求，保護校驗故障電流應為保護區外短路時流過互感器的最大短路電流，此處選用站用變壓器高壓側短路電流45.67kA。

根據《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》(DL/T 866-2015)中的要求，P級及PR級保護用電流互感器應滿足復合誤差要求的準確限值系數Kalf一般可取5、10、15、20、30和40，必要時，可與制造部門協商，采用更大的Kalf值。經與電流互感器廠家溝通，在該電站站用變壓器高壓側電流互感器的Kalf值選為35，Ipn選為1500A，以滿足式(1)的要求，并能使主變壓器差動保護各側電流互感器一次額定電流相差不至于太大。

該電站站用變壓器保護配置了包括電流速斷保護和過電流保護等。根據《廠用電繼電保護整定計算導則》(DL/T 1502-2016)的要求，電流速斷保護按躲過站用變壓器低壓側出口發生三相短路時流過保護的最大短路電流來整定，且要求躲過站用變壓器勵磁涌流(可取7～12倍變壓器二次額定電流)，按變比1500/5A計算，該電站站用變壓器電流速斷保護整定值為2.82A(二次側值)，整定不存在困難。根據規范要求，站用變壓器過電流保護動作電流按躲過所帶負荷需要自啟動的電動的最大啟動電流之和整定。

Idz=(Kk×Kzq×IN)/(Kfh×nL)

(2)

式中：Kk——可靠系數，取1.2；

Kzq——電動機自啟動系數，取3.5；

Kfh——返回系數，取0.9；

IN——站用變額定電流，為27.5A；

nL——電流互感器變比，為1500/5=300。

經計算，Idz=(1.2×3.5×27.5)/(0.9×300)=0.428A。

如果站用變壓器過流保護也使用變比為1500/5A的電流互感器，根據式(2)過流保護整定值Idz=0.428A<0.5A，將無法準確整定，或者需要降低保護靈敏度整定。

問題出現后，經分析，提出了如下解決方案：

站用變壓器電流速斷保護和過流保護采用兩個不同的保護裝置，電流輸入回路分別接入站用變壓器高壓側電流互感器的兩個二次繞組。電流速斷保護采用電流互感器二次繞組變比為1500/5A、10P35。而過電流保護用電流互感器二次繞組變比需要選小才能滿足站用變壓器保護過電流保護的使用要求。經與電流互感器廠家溝通后，同一只電流互感器可帶有不同變比的二次繞組，電流互感器可同時帶有3個1500/5A(準確級為10P35)和1個200/5A(準確級為10P20)的二次繞組。站用變壓器高壓側部分繞組及引出線的相間短路故障情況下，電流互感器的200/5A、10P20二次繞組可能嚴重飽和，但此時站用變壓器可在電流速斷保護的動作下可靠切除。站用變壓器過電流保護主要保護變壓器低壓側及引線等的相間短路故障，其短路電流相對較小，電流互感器200/5A、10P20的二次繞組不會飽和，可以滿足復合誤差要求。

配置優化后，在只增加一套站用變壓器保護裝置的情況下，既能使站用變壓器電流速斷保護用電流互感器在最大短路電流情況下滿足復合誤差的要求，不影響保護的準確動作，又能使站用變壓器過電流保護合理整定(Idz=3.2A)，不降低保護靈敏度的要求。

最終該水電站站用變壓器高壓側配置的電流互感器配置四個二次繞組，其中三個變比為1500/5A，一個變比為200/5A，兩個變比為1500/5A的二次繞組用于主變壓器雙套差動保護，一個變比為1500/5A的二次繞組用于站用變壓器電流速斷保護，變比為200/5A的二次繞組用于站用變壓器過電流保護。這樣，該電站站用變壓器在高壓側配置10kV真空斷路器后，運行方式靈活，維護方便的情況下，站用變壓器的保護配置優化后，保護整定合理，能很好地滿足電站安全運行的要求。

3 結語

在水電站設計中，站用電源往往取自發電機出口或發電機電壓母線，因而站用電分支的短路電流比發電機出口更大，但很多中小型水電站的站用變壓器容量通常不大，帶來了站用變壓器過電流保護整定困難等矛盾，給水電站設計人員帶來了困惑。以前類似工程中為解決這個矛盾，采用了高壓熔斷器來作為站用變壓器的保護，但這種方式存在發生事故時熔斷器熔斷造成檢修麻煩且會帶來經濟損失等缺點。而本文提出的通過采用增加一套站用變壓器保護裝置，以及站用變壓器電流互感器二次繞組采取不同變比的方法，能很好地解決這種矛盾，是一種新的解決思路。這種站用變壓器的保護和電流互感器配置方式在該水電站已經投運多年，經實踐證明，該配置方式是安全可靠的，達到了預期的效果，這為后續其它類似水電站的相關設計積累了寶貴的經驗。