水電站廠用變回路電流互感器參數的選擇分析

陳志仙

（福建安瀾水利水電勘察設計院有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

小型水電站根據其裝機容量和地理位置，裝機總容量在10～50 MW 的水電站，其接入系統一般以110 kV 出線接入地調電網系統，隨著電網容量的不斷增大，接入系統的水電站在遭受廠內短路事故時，由電網系統貢獻的短路電流和短路容量也越來越大，這給水電站的設備選擇帶來一定的困難，特別是對于水電站廠用電回路正常工作時，工作電流很小，但是回路短路時，本站全部機組和電網系統兩部分提供的短路電流都匯集在該回路上，小的工作電流和大的短路電流導致回路的繼電保護用電流互感器和二次保護配置的技術參數選擇非常困難，根據傳統的設備選擇原則無法在實際中訂到參數匹配的設備，需要重新探討電流互感器在大短路電流尤其含有較大非周期電流分量的情況下的飽和特性對繼電保護裝置正確動作的影響，根據試驗結果和新版計算規程合理配置電流互感器的額定電流和準確限值系數，才能圓滿解決存在的問題。本文以華口水電站6 kV 母線側高壓開關柜技改為例，討論廠用變回路電流互感器的計算選擇。

1 改造前存在的問題

華口水電站位于福建省漳平市蘆芝鎮，隸屬中電（福建）電力開發有限公司，是九龍江北溪干流河段水電開發的第二級水電站，電站裝機容量為2×17.5 MW（右岸）+1.6 MW（左岸），其中右岸為兩臺17.5 MW 燈泡貫流機組，左岸為一臺生態下泄流量的軸流定槳機組，原右岸兩臺機組的發電機組電壓出線等級為6.3 kV，電站以一回110 kV 電壓等級線路送往漳平桂林變，輸電距離10 km 左右，電站發電機母線配置了一臺500 kVA 1 號廠用干式變1TLA,另一臺2 號廠用變電源為地方10 kV 電網，作為備用。技改后電站主接線見圖1。

圖1 技改后電站主接線圖

電站經過多年運行后，設備老化，技改之前發生過廠用變保護裝置在相間短路情況下電流速斷拒動的情況，本次技改前查閱了原廠用變高壓側回路開關柜，柜內原配置一組變比為100/5，10P15/10P15的電流互感器，配置的電量保護有電流速斷保護、過電流保護、過負荷保護、以及零序電流保護。業主在技改時提出對廠用電量考核的要求，需要在廠用變回路增加一組測量級繞組。根據要求，對原廠用變回路一次設備的選擇和二次保護配置重新復核計算，廠用變回路高壓側d-1 點三相短路時，流經短路點的短路電流有系統提供的短路電流和本電站3臺機組提供的短路電流，是本站流過最大短路電流的短路點，這里著重分析該回路電流互感器的參數選擇和廠用變保護裝置的配置。根據本電站短路電流計算結果，系統提供的最大短路電流為21.66 kA，1 號機及2 號機提供短路電流為14.73 kA，3 號機為0.97 kA，總的短路電流計算結果見表1。

表1 短路電流計算結果表

水電站廠用變回路額定電流為45.8 A,實際上考慮干式變壓器的發熱問題，本電站最大的廠用負荷電流沒有達到額定電流，約40 A 左右，然而該回路如果發生短路，通過發電機母線流過來的短路電流將是最大的，由于本電站發電機出線電壓為6 kV，非該容量機組常見的10 kV 等級出線，這更加大了短路電流的幅值，使得該回路的電流互感器參數選擇更加困難。

電流互感器的復合誤差與二次負荷和準確限值系數有關，分析電站廠變高壓側出線端發生短路時，相當于發電機出線端短路（忽略出線電纜的阻抗），發電機提供的暫態電流中非周期分量電流以及短路電流很大，互感器鐵心電磁嚴重飽和并過熱[3]，互感器的傳變特性發生變化，磁化曲線的線性特征變壞，互感器二次電流與一次電流的正比線性關系不再成立，互感器的二次側電流畸變，出現尖頂脈沖電流，電流互感器的二次電流和相位的復合誤差已嚴重增大，不能準確地反映一次側短路電流的大小，保護裝置在原采樣周期內計算出來的故障電流嚴重偏小，小于速斷整定值，速斷保護拒動，啟動了后備保護來動作，影響了保護裝置的靈敏性和準確動作選擇性。電流互感器經歷了由暫態飽和過渡到穩態飽和的狀態。

2 可行的改造實施方案

如圖1 所示，原配置了保護用電流互感器1BA、2BA，技改時廠用變回路增加了一組測量用電流互感器3BA，根據電流互感器的選擇原則[1，2]，除按回路的額定電流或最大工作電流和電壓選擇外，對電流互感器的動穩定和熱穩定進行校驗，對二次負載進行驗算，盡量使互感器在額定一次電流附近運行，二次側負載小于二次額定輸出功率運行時誤差最小，本電站廠用變測量用電流互感器，一次工作電流最大約40 A，選擇互感器一次額定電流75～100 A較為合適，通過表1 短路電流計算結果，電流互感器1 s 短路電流I∞和沖擊電流icj分別為36.323 kA 和110.68 kA，目前大部分電流互感器廠家的技術參數是額定電流100 A 的熱穩定電流和動穩定電流分別為22.5 kA 和56.5 kA，不能滿足要求，必須選擇額定電流200 A 的互感器，其熱穩定短路和動穩定電流分別為45 kA 和112.5 kA，滿足設計要求。

保護和測量功能用的電流互感器要求是不同的，測量用電流互感器反映正常運行時流經的工作電流，能夠在誤差范圍內滿足測量精度要求，當其通過故障電流時，則希望電流互感器盡早飽和，以便保護二次儀表和測量裝置不受損害；保護用互感器繞組，其工作環境是反映在短路大電流情況下，要保證二次保護裝置按照整定值準確動作，必須滿足互感器不超過10%的復合誤差范圍，要求互感器回路一次短路電流與額定電流的比值Kalf=Imax/In不超過廠家出廠提供的互感器“準確限值系數”（老版說法10%誤差曲線），即短路電流增大未達到互感器飽和水平時，二次電流隨一次電流變化，保證誤差在10%范圍內。

根據《水電站機電設計手冊》[2]第二章第五節設計原則“選擇保護用互感器，應考慮短路電流情況下的準確性，通常用10%誤差曲線進行計算”；原《電流互感器和電壓互感器選擇及計算導則》6.1.2.2“選擇適當類型和參數的互感器，保證互感器飽和特性不致影響保護的動作性能”。按照以上要求，為了保護裝置正確動作，選擇短路時互感器不飽和，滿足準確限值系數的要求，如果選擇一次額定電流200 A，額定變比n1=40 的情況下，以滿足互感器的準確限值系數要求考慮，本電站中廠用變回路中最大短路電流與一次額定電流比值37.364 kA/200 A=186.82倍，遠遠大于現階段我國電流互感器廠家的準確限值系數最大值40～50 倍，這么高的限值系數要求互感器鐵心的導磁性能要非常好，不能發生電磁飽和現象，鐵心的截面要加大，整個電流互感器的體積可能要加大很多倍[5]，會導致10 kV 開關柜互感器布置空間不夠，同時造價也很大，目前互感器廠家的技術工藝無法達到要求，實際工程中也無法實現。

針對滿足準確限值系數這個要求，廠用變回路的電流速斷保護用互感器須選擇變比值1 000/5（A），準確限值系數IP40，這樣才能保證37.364 kA 的短路電流流過時不至于使互感器飽和；而廠變過電流保護的整定值是按照躲過回路正常工作時的需要自啟動的電動機最大啟動電流之和，是正常負荷性質的電流，幅值較小，如果用1 000/5 的大變比互感器共用過電流保護采樣用，則互感器二次電流采樣值很小，華口電站采用許繼電氣股份有限公司的WFB-8201-001 廠用變保護裝置，整定值范圍為0.1Ie～20Ie，經過驗算大變比的情況下過電流保護的整定值小于保護裝置最小整定值范圍0.5 A，在故障時出現拒動的情況，過電流保護還存在靈敏度不夠的問題，因此過電流保護需要另外配置更小的電流互感器變比。

如果速斷和過電流保護分別選擇1 000/5A 和200/5A 的兩組次級繞組，利用電流互感器帶中間抽頭的方法，可獲得兩個不同變比的二次繞組，滿足不同二次繞組用不同變比的要求。但二次繞組在實際回路中只能選用其中一組變比，不能同時用兩種不同變比的繞組[4]，變比相差這么大等級的參數，生產廠家的技術也很難滿足要求，因此速斷保護和過電流保護需要單獨設置兩組三相6 只不同變比互感器，這不利于在KYN28-12 的開關柜內布置。

隨著接入系統的容量越來越大，限制短路電流的方案需要考慮很多因素，以電站為點很難實現。從圖1 可以分析計算出電站勵磁變回路d-2 點、d-3點電流互感器也同樣面臨著這樣的問題，這也是所有水電站的共性，大短路電流容量和小工作電流使得主保護和后備保護以及測量用的互感器變比差異很大。

以上問題在新版規范DL/T 866-2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》[5]中得到了詮釋和解決辦法，該計算規程8.2.4 條款說明“外部短路電流下互感器應能滿足準確限值系數要求；保護安裝點近處故障互感器在技術上難以滿足要求時，可允許有較大的誤差，但應保證保護裝置可靠動作，”8.2.5 條規范“電流互感器最大限值電流小于最大系統短路電流時，互感器準確限值電流宜按大于保護最大動作電流整定值2 倍選擇”。該新版計算規程增加了3～35 kV 中壓系統保護用電流互感器的參數選擇章節，在這版規范中針對實際電網中壓等級系統普遍存在的短路時互感器很容易處于電磁飽和特性的情況，修改了傳統的選擇原則，不再強調根據互感器飽和特性選擇參數，加大互感器制造和布置的難度，轉而以允許有較大誤差，保證保護裝置可靠動作為出發點，這是根據近年來對電流互感器所做的伏安特性試驗對微機保護裝置的影響進行研究，通過各種仿真程序得出的結果[6]：盡管短路時二次電流波形畸變增大，使得互感器過飽和，但繼電保護裝置反映的電流有效值及傅里葉算法求出的基波電流值還是保持增大的趨勢，只要整定值不超過互感器準確限值電流，在互感器飽和之前能保證動作，并有一定的可靠系數裕度（準確限值電流大于2 倍的整定值），保證保護裝置在飽和前能可靠動作，可以不再放大互感器準確限值系數。互感器嚴重飽和時測量值小于速斷保護定值，速斷保護將拒動。

這個新的試驗基礎提出了另一種可行且易實施的新理念，使得3～35 kV 中高壓系統內的特殊負荷支路保護用電流互感器的參數計算變得容易實現。該條款澄清了過去對電流互感器過飽和特性的認識誤區。

3 速斷保護用電流保護的參數選擇

電流速斷保護的整定值為躲過外部短路（廠用變低壓側三相短路）時流過保護安裝處（廠變高壓側）的最大短路電流：

式（1）中Kk—可靠系數取1.3；Id.max—外部短路時流經保護安裝處的短路電流：1.121 kA。

按照上述計算規程8.2.5 條款該保護最大動作整定值2 倍選擇互感器準確限值電流為2.914 kA，則互感器的限值系數須大于2.914 kA 與額定值200 A的比值14.57 倍,取額定參數10P20，則速斷的定值小于CT 的飽和值，短路時，在電流互感器飽和前能保證保護動作，并留有一定的可靠系數的裕度，滿足8.2.4 條款的“保證保護裝置可靠動作”的要求。改造前的電流互感器的飽和值為1.5 kA,與速斷保護整定值1.457 kA 基本一樣，沒有足夠的可靠系數，在保護要啟動時互感器已經飽和，因此出現了速斷保護拒動的現象。

4 驗算相同變比對過電流保護裝置整定計算的影響

由于增大了保護用互感器的變比，需要驗算此變比是否能同時滿足過電流保護的整定值落在裝置的整定值范圍內，以免后備保護由于變比過大使得檢測采到的數值過小出現拒動的情況。

進一步計算廠用變回路過電流保護裝置的整定值[4]：保護動作電流按躲過廠用變負荷需要自啟動電動機最大啟動電流之和

式（2）中：Kjx—電流互感器接線系數取1；

Kk—可靠系數取1.2；

Kzq—需要自啟動的全部電動機在自啟動時所引起的過電流倍數。

華口電站的廠用電備用電源采用市電，為明備用接線方式，電站廠用電機啟動容量Sd∑約為廠用電容量Se的0.65 倍，因此自啟動系數：

（Kqd啟動系數取5）

以上各個系數值代入式2，計算過電流整定值Ide=4.33（A）。可見盡管增大了互感器變比，過電流保護整定值仍落在保護裝置的整定值范圍內，速斷和過電流可以選擇共用保護用二次繞組，同時該保護整定值小于互感器的飽和值，過電流保護在互感器飽和前將動作，保護裝置可以準確動作。

5 結語

綜上分析，華口電站廠用變電流互感器在技改后選擇200/5 A,10P20/10P20 的互感器參數，保護安裝處短路時，速斷和過電流保護整定值小于互感器的飽和值，互感器還未飽和時，保護裝置已經啟動，即使動作后互感器飽和，在短路期間電流的有效值也是增大的，速斷保護和過電流均將動作不會影響保護裝置的可靠動作，互感器的飽和特性不影響保護動作性能。

另外，從互感器的10%誤差曲線可以看出，互感器的準確限值系數與最大二次負載成反比例的關系，如果二次負載較小，互感器的準確限值系數可以達到比較高的值。許繼電氣股份有限公司的保護裝置負荷功率在1 VA 以下，再加上電流互感器本身線圈的電阻功率和二次控制電纜的電阻功率以及裝置的接觸電阻等功率消耗總和不超過15 VA，選擇互感器的二次輸出功率為15 VA，當額定功率小于15 VA時，電流互感器的準確精度有保障。設計應復核二次負載容量，不要過高要求額定輸出功率，這將使互感器鐵心的體積增大，互感器的外形尺寸和安裝尺寸也增大，不利于在KYN28-12 的開關柜內布置。

電站為了考核廠用電率，對測量精度有要求，測量用變比采用200/5，在設備訂貨時對互感器廠家提出動穩定和熱穩定的特殊要求。