風電場站用變保護電流互感器一次電流選擇

李 清

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

目前，風電場通常以35 kV母線匯集電能后升壓送入電網，站用變壓器接在35 kV母線上。35 kV站用變容量通常不超過400 kVA，其回路額定電流較小，如按照回路額定電流值選擇保護P級電流互感器(CT)額定一次電流值(Ipr)，保護故障校驗電流(Ipcf)將遠大于額定準確限制一次電流(Ipal)，無法解決CT飽和問題。工程中通常采用保護故障檢驗電流法選擇站用變保護級電流互感器的Ipr，Ipr按滿足Ipcf要求得出一次電流值，鑒于P級電流互感器一次準確限制系數(Kpcf)不超過40倍，在35 kV側短路電流較大的情況下，由該方法得到額定一次電流值的工程易造成站用變過電流保護、過負荷保護定值整定困難甚至無法給出二次定值的情況，導致保護靈敏度降級及失效。對此問題國內鮮有文獻對其展開研究。

為解決上述問題，本文以某425 MW風電場工程升壓站站用變為例，結合站用電保護整定計算，提出了適用于站用變保護用電流互感器Ipr選擇方法，該方法可作為同類新能源工程站用變保護級電流互感器參數選擇的參考。

1 保護故障校驗電流法

保護故障校驗電流法以電流互感器額定準確限制一次電流(Ipal)大于或等于保護故障校驗電流(Ipcf)(通常是最大運行方式下35 kV母線處三相短路故障電流)為選擇依據。

以下結合某425 MW風電場工程站用變回路實際參數闡明該方法。圖1為該風電場一次主接線示意圖，表1、表2分別列出了某425 MW風電場35 kV母線短路電流值及站用變相關參數。

圖1 某425 MW風電場一次主接線示意圖

表1 某425 MW風電場35 kV母線短路電流值 kA

表2 某425 MW風電場站用變、保護CT參數

由表1可看出，該風電場35 kV母線最大運行方式下短路電流為20.936 kA，采用該方法，如選擇電流互感器的一次準確限制系數為30倍，其一次電流值至少應為698 A，例中選擇為700 A。

依據規程DL/T 866—2016《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》[1]條文8.2.4的要求，在保護安裝點近處故障，若互感器參數在技術上難以滿足要求時，可允許有較大誤差。考慮到站用變保護電流速斷保護、過電流保護整定值遠小于電流互感器的準確限制一次電流，因此站用變保護電流速斷保護、過電流保護在電流繼續增大的過飽和情況下仍能保證保護的可靠動作。按此CT一次變比可降低，但規范未明確如何考慮二次側定值對其的影響。

綜上，保護故障校驗電流法以避免CT飽和為前提選擇額定一次電流裕度偏大，且該方法并未考慮由此帶來的站用變過電流保護、過負荷保護中存在二次定值問題。

以下將結合該風電場工程站用變整定計算分析該方法在二次定值中存在的問題。

2 站用變整定計算

依據規范DL/T 1631—2016《并網風電場繼電保護配置及整定計算規范》[2]，容量10 MVA以下的站用變壓器配置電流速斷保護作為主保護，同時應配置過電流保護作為其后備保護。

2.1 電流速斷保護

站用變電流速斷保護定值按高壓側引線故障有靈敏度并躲過低壓側母線故障和勵磁涌流整定。

1)躲過系統最大運行方式下站用變低壓側母線三相短路故障時流過高壓側的短路電流：

忽略站用變與35 kV站用變間隔之間線纜的阻抗，由表1可知，最大運行方式下35 kV母線三相短路電流為20.936 kA，折算至變壓器容量下的等效阻抗標幺值為：

式中：Sj為基準容量，MVA；Sd.max為最大運行方式下35 kV母線三相短路容量，MVA。

式中：X*t為站用變阻抗電壓標幺值；Ij為歸算至站用變容量的35 kV側基準電流，A。

滿足該條件的電流速斷保護一次整定值I1.dz1計算如下：

式中：Krel為可靠系數，取1.4。

2)躲過變壓器勵磁涌流(勵磁涌流通常為7～10倍額定電流)：

滿足該條件的電流速斷保護一次整定值I1.dz2計算如下：

式中：In為站用變高壓側額定電流，A。

綜上，電流速斷保護一次整定值I1.dz取式(3)、式(4)大值124.306 A。

3)靈敏度K1.1m校驗：

按工業與民用設計供配電設計手冊(第四版)表7.2-3[3]，電流速斷保護靈敏度應不小于1.5，由式(5)可知，當電流速斷保護一次整定值取124.306 A，高壓側引線故障時靈敏度滿足要求。

2.2 過電流保護

1)站用變壓器高壓側的后備保護以躲過變壓器過負荷電流及低壓側故障且有足夠靈敏度為整定條件，過電流保護一次整定值I2.dz計算如下：

式中：Krel為可靠系數，取1.2；Kcon為接線系數，取1；Kol為過負荷系數，取1.3；Kr為返回系數，取0.9。

靈敏度按最小運行方式下低壓側兩相短路時折算至高壓側的短路電流校驗。考慮到站用電回路變壓器聯結組別為Dyn11，低壓側兩相短路時折算至高壓側的短路電流要考慮組別的影響，流過高壓側最大一相短路電流為低壓側三相短路時流過高壓側的短路電流。

忽略站用變與35 kV站用變間隔之間線纜的阻抗，最小運行方式下35 kV母線三相短路電流為19.345 kA，折算至變壓器容量下的等效阻抗標幺值為：

式中：Sj為基準容量，MVA；Sd.min為最小運行方式下35kV母線三相短路容量，MVA。

因此，最小運行方式下低壓側兩相短路時流過高壓側最大一相短路電流為：

2)靈敏度K2.lm校驗：

按工業與民用設計供配電設計手冊(第四版)表7.2-3[3]，過電流保護靈敏度應不小于1.3，由式(9)可知，過電流保護一次整定值取10.82 A，低壓側兩相短路故障時靈敏度滿足要求。

2.3 過負荷保護

站用變過負荷保護一次整定值I3.dz應躲過變壓器高壓側額定電流，計算如下：

式中：Krel為可靠系數，取1.1；Kcon為接線系數，取1；Kr為返回系數，取0.9。

3 過電流保護、過負荷保護整定中存在問題

由第2節內容不難看出，電流速斷保護、過電流保護一次定值均能滿足靈敏度的要求。考慮到輸入微機保護裝置為一次定值經電流互感器折算至二次側的值，以南瑞站用變綜保裝置PCS-9621A-N為例，電流速斷、過電流、過負荷定值范圍均為(0.05～20)In(In為電流互感器二次側額定電流值，例中為1 A)。如按700 A的額定一次電流，則電流速斷保護二次定值為0.178 A，過電流保護二次定值為0.015 A，過負荷保護二次定值為0.01 A。顯然，過電流保護和過負荷保護均無法滿足微機保護的最小輸入值要求。

為避免站用變失去相間后備保護以及過負荷保護，按照微機保護的最小輸入值的要求，可按0.05 A設置過負荷保護，0.06 A設置過電流保護。如按照0.05 A的二次電流值設置過負荷保護，則一次電流需要達到35 A時，過負荷保護經過延時才會報警，此時變壓器過負荷倍數已經達到了4.6倍，大大超過了規范GB/T 1094.12—2013《電力變壓器第12部分：干式變壓器負載導則》里對于干式變壓器過載能力的要求[4]。按此定值設置無法實現對變壓器過載的保護，相當于失去了站用變的過負荷保護。如按照0.06 A的二次電流值設置過電流保護，則一次電流定值為42 A，此時靈敏度為2.11，稍高于相間后備保護靈敏度最低值要求。

綜上分析可知，按保護故障檢驗電流法選擇站用變保護級電流互感器的額定一次電流易造成站用變失去過負荷的保護。此外，如工程中選擇電流互感器的額定一次電流在此基礎上適當加大，且二次定值取值稍大，則相間后備靈敏度將無法滿足最小值的要求。

4 電流互感器一次電流值選擇

為解決上述問題，下文將從滿足微機保護采樣精度、保護裝置動作可靠性兩方面分析電流互感一次電流的取值。

1)按微機保護采樣精度選擇

由第3節分析可知，要保證所有保護一次定值經電流互感器折算到二次側的值滿足最低5%的要求，則過負荷保護的一次定值應超過電流互感器Ipr的5%。為保證過負荷保護整定值滿足微機保護采樣最低5%的要求，則Ipr≤7.63/5%=152.6 A。

2)按保護動作可靠性選擇

對于P級CT，Kpcf最大取值40，為滿足采樣精度的要求，如互感器額定一次電流按1)分析結果取150 A，則Ipal最大值為6 kA，仍小于系統最大短路電流20.936 kA。

針對此情況，規范DL/T 866—2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》[1]提出：當3 kV～35 kV系統電流互感器的最大限制電流小于最大系統短路電流時，互感器準確限制電流宜按大于保護最大動作電流整定值2倍選擇。因此，為避免因CT飽和和微機保護裝置限幅對繼電保護產生不良影響導致保護拒動、越級跳閘等問題，在選擇電流互感器時，CT的額定準確限制一次電流應按大于保護最大動作電流一次整定值(即電流速斷保護整定值)的2倍選擇，可保證保護裝置可靠動作。表3中CT的Kpcf取30，則CT的額定一次電流Ipr≥2×124.306/30=8.29 A。

表3 某250 MW風電場站用變定值單

綜上，CT的額定一次電流可取150 A。裕度系數K=30/(124.306/150)=36.2倍＞2倍，滿足保護定值要求并有較大的裕度。

3)二次定值、靈敏度校驗

站用變保護級電流互感器Ipr取150 A時，對應于第2節計算的電流速斷保護、過電流保護、過負荷保護的二次定值分別為0.83 A、0.05 A、0.07 A，均滿足微機保護最小采樣值的要求，且過電流保護靈敏度得到了明顯的提高。

5 工程案例分析

由式(2)、式(7)可知系統各種運行方式下的短路容量歸算至變壓器容量相對于變壓器本身的短路阻抗幾乎可以忽略，這意味著站用變電流速斷保護整定值、過電流保護靈敏度校驗幾乎可不考慮站用變回路外歸算短路容量的影響。因此，只要35 kV站用變容量、短路阻抗與算例中的相同，本文所提出的選擇方法具備通用性。

為進一步驗證本文所提方法的正確性，查閱某250 MW風電場工程35 kV站用變保護定值單(站用變容量、短路阻抗與表2相同)，定值單相關參數見表3所列：

由表3不難看出，站用變保護CT的Ipr以及相關保護定值與前文中分析結論基本一致，進一步驗證了該方法的正確性。

6 結語

本文結合站用變整定計算，提出適用于風電場站用電保護CT額定一次電流值選擇方法，該方法可同時滿足微機保護采樣值、繼電保護動作的可靠性，可為同行設計人員借鑒。