水电站厂用变回路电流互感器参数的选择分析

陈志仙

（福建安澜水利水电勘察设计院有限公司，福建 龙岩 364000）

0 引言

小型水电站根据其装机容量和地理位置，装机总容量在10～50 MW 的水电站，其接入系统一般以110 kV 出线接入地调电网系统，随着电网容量的不断增大，接入系统的水电站在遭受厂内短路事故时，由电网系统贡献的短路电流和短路容量也越来越大，这给水电站的设备选择带来一定的困难，特别是对于水电站厂用电回路正常工作时，工作电流很小，但是回路短路时，本站全部机组和电网系统两部分提供的短路电流都汇集在该回路上，小的工作电流和大的短路电流导致回路的继电保护用电流互感器和二次保护配置的技术参数选择非常困难，根据传统的设备选择原则无法在实际中订到参数匹配的设备，需要重新探讨电流互感器在大短路电流尤其含有较大非周期电流分量的情况下的饱和特性对继电保护装置正确动作的影响，根据试验结果和新版计算规程合理配置电流互感器的额定电流和准确限值系数，才能圆满解决存在的问题。本文以华口水电站6 kV 母线侧高压开关柜技改为例，讨论厂用变回路电流互感器的计算选择。

1 改造前存在的问题

华口水电站位于福建省漳平市芦芝镇，隶属中电（福建）电力开发有限公司，是九龙江北溪干流河段水电开发的第二级水电站，电站装机容量为2×17.5 MW（右岸）+1.6 MW（左岸），其中右岸为两台17.5 MW 灯泡贯流机组，左岸为一台生态下泄流量的轴流定桨机组，原右岸两台机组的发电机组电压出线等级为6.3 kV，电站以一回110 kV 电压等级线路送往漳平桂林变，输电距离10 km 左右，电站发电机母线配置了一台500 kVA 1 号厂用干式变1TLA,另一台2 号厂用变电源为地方10 kV 电网，作为备用。技改后电站主接线见图1。

图1 技改后电站主接线图

电站经过多年运行后，设备老化，技改之前发生过厂用变保护装置在相间短路情况下电流速断拒动的情况，本次技改前查阅了原厂用变高压侧回路开关柜，柜内原配置一组变比为100/5，10P15/10P15的电流互感器，配置的电量保护有电流速断保护、过电流保护、过负荷保护、以及零序电流保护。业主在技改时提出对厂用电量考核的要求，需要在厂用变回路增加一组测量级绕组。根据要求，对原厂用变回路一次设备的选择和二次保护配置重新复核计算，厂用变回路高压侧d-1 点三相短路时，流经短路点的短路电流有系统提供的短路电流和本电站3台机组提供的短路电流，是本站流过最大短路电流的短路点，这里着重分析该回路电流互感器的参数选择和厂用变保护装置的配置。根据本电站短路电流计算结果，系统提供的最大短路电流为21.66 kA，1 号机及2 号机提供短路电流为14.73 kA，3 号机为0.97 kA，总的短路电流计算结果见表1。

表1 短路电流计算结果表

水电站厂用变回路额定电流为45.8 A,实际上考虑干式变压器的发热问题，本电站最大的厂用负荷电流没有达到额定电流，约40 A 左右，然而该回路如果发生短路，通过发电机母线流过来的短路电流将是最大的，由于本电站发电机出线电压为6 kV，非该容量机组常见的10 kV 等级出线，这更加大了短路电流的幅值，使得该回路的电流互感器参数选择更加困难。

电流互感器的复合误差与二次负荷和准确限值系数有关，分析电站厂变高压侧出线端发生短路时，相当于发电机出线端短路（忽略出线电缆的阻抗），发电机提供的暂态电流中非周期分量电流以及短路电流很大，互感器铁心电磁严重饱和并过热[3]，互感器的传变特性发生变化，磁化曲线的线性特征变坏，互感器二次电流与一次电流的正比线性关系不再成立，互感器的二次侧电流畸变，出现尖顶脉冲电流，电流互感器的二次电流和相位的复合误差已严重增大，不能准确地反映一次侧短路电流的大小，保护装置在原采样周期内计算出来的故障电流严重偏小，小于速断整定值，速断保护拒动，启动了后备保护来动作，影响了保护装置的灵敏性和准确动作选择性。电流互感器经历了由暂态饱和过渡到稳态饱和的状态。

2 可行的改造实施方案

如图1 所示，原配置了保护用电流互感器1BA、2BA，技改时厂用变回路增加了一组测量用电流互感器3BA，根据电流互感器的选择原则[1，2]，除按回路的额定电流或最大工作电流和电压选择外，对电流互感器的动稳定和热稳定进行校验，对二次负载进行验算，尽量使互感器在额定一次电流附近运行，二次侧负载小于二次额定输出功率运行时误差最小，本电站厂用变测量用电流互感器，一次工作电流最大约40 A，选择互感器一次额定电流75～100 A较为合适，通过表1 短路电流计算结果，电流互感器1 s 短路电流I∞和冲击电流icj分别为36.323 kA 和110.68 kA，目前大部分电流互感器厂家的技术参数是额定电流100 A 的热稳定电流和动稳定电流分别为22.5 kA 和56.5 kA，不能满足要求，必须选择额定电流200 A 的互感器，其热稳定短路和动稳定电流分别为45 kA 和112.5 kA，满足设计要求。

保护和测量功能用的电流互感器要求是不同的，测量用电流互感器反映正常运行时流经的工作电流，能够在误差范围内满足测量精度要求，当其通过故障电流时，则希望电流互感器尽早饱和，以便保护二次仪表和测量装置不受损害；保护用互感器绕组，其工作环境是反映在短路大电流情况下，要保证二次保护装置按照整定值准确动作，必须满足互感器不超过10%的复合误差范围，要求互感器回路一次短路电流与额定电流的比值Kalf=Imax/In不超过厂家出厂提供的互感器“准确限值系数”（老版说法10%误差曲线），即短路电流增大未达到互感器饱和水平时，二次电流随一次电流变化，保证误差在10%范围内。

根据《水电站机电设计手册》[2]第二章第五节设计原则“选择保护用互感器，应考虑短路电流情况下的准确性，通常用10%误差曲线进行计算”；原《电流互感器和电压互感器选择及计算导则》6.1.2.2“选择适当类型和参数的互感器，保证互感器饱和特性不致影响保护的动作性能”。按照以上要求，为了保护装置正确动作，选择短路时互感器不饱和，满足准确限值系数的要求，如果选择一次额定电流200 A，额定变比n1=40 的情况下，以满足互感器的准确限值系数要求考虑，本电站中厂用变回路中最大短路电流与一次额定电流比值37.364 kA/200 A=186.82倍，远远大于现阶段我国电流互感器厂家的准确限值系数最大值40～50 倍，这么高的限值系数要求互感器铁心的导磁性能要非常好，不能发生电磁饱和现象，铁心的截面要加大，整个电流互感器的体积可能要加大很多倍[5]，会导致10 kV 开关柜互感器布置空间不够，同时造价也很大，目前互感器厂家的技术工艺无法达到要求，实际工程中也无法实现。

针对满足准确限值系数这个要求，厂用变回路的电流速断保护用互感器须选择变比值1 000/5（A），准确限值系数IP40，这样才能保证37.364 kA 的短路电流流过时不至于使互感器饱和；而厂变过电流保护的整定值是按照躲过回路正常工作时的需要自启动的电动机最大启动电流之和，是正常负荷性质的电流，幅值较小，如果用1 000/5 的大变比互感器共用过电流保护采样用，则互感器二次电流采样值很小，华口电站采用许继电气股份有限公司的WFB-8201-001 厂用变保护装置，整定值范围为0.1Ie～20Ie，经过验算大变比的情况下过电流保护的整定值小于保护装置最小整定值范围0.5 A，在故障时出现拒动的情况，过电流保护还存在灵敏度不够的问题，因此过电流保护需要另外配置更小的电流互感器变比。

如果速断和过电流保护分别选择1 000/5A 和200/5A 的两组次级绕组，利用电流互感器带中间抽头的方法，可获得两个不同变比的二次绕组，满足不同二次绕组用不同变比的要求。但二次绕组在实际回路中只能选用其中一组变比，不能同时用两种不同变比的绕组[4]，变比相差这么大等级的参数，生产厂家的技术也很难满足要求，因此速断保护和过电流保护需要单独设置两组三相6 只不同变比互感器，这不利于在KYN28-12 的开关柜内布置。

随着接入系统的容量越来越大，限制短路电流的方案需要考虑很多因素，以电站为点很难实现。从图1 可以分析计算出电站励磁变回路d-2 点、d-3点电流互感器也同样面临着这样的问题，这也是所有水电站的共性，大短路电流容量和小工作电流使得主保护和后备保护以及测量用的互感器变比差异很大。

以上问题在新版规范DL/T 866-2015《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》[5]中得到了诠释和解决办法，该计算规程8.2.4 条款说明“外部短路电流下互感器应能满足准确限值系数要求；保护安装点近处故障互感器在技术上难以满足要求时，可允许有较大的误差，但应保证保护装置可靠动作，”8.2.5 条规范“电流互感器最大限值电流小于最大系统短路电流时，互感器准确限值电流宜按大于保护最大动作电流整定值2 倍选择”。该新版计算规程增加了3～35 kV 中压系统保护用电流互感器的参数选择章节，在这版规范中针对实际电网中压等级系统普遍存在的短路时互感器很容易处于电磁饱和特性的情况，修改了传统的选择原则，不再强调根据互感器饱和特性选择参数，加大互感器制造和布置的难度，转而以允许有较大误差，保证保护装置可靠动作为出发点，这是根据近年来对电流互感器所做的伏安特性试验对微机保护装置的影响进行研究，通过各种仿真程序得出的结果[6]：尽管短路时二次电流波形畸变增大，使得互感器过饱和，但继电保护装置反映的电流有效值及傅里叶算法求出的基波电流值还是保持增大的趋势，只要整定值不超过互感器准确限值电流，在互感器饱和之前能保证动作，并有一定的可靠系数裕度（准确限值电流大于2 倍的整定值），保证保护装置在饱和前能可靠动作，可以不再放大互感器准确限值系数。互感器严重饱和时测量值小于速断保护定值，速断保护将拒动。

这个新的试验基础提出了另一种可行且易实施的新理念，使得3～35 kV 中高压系统内的特殊负荷支路保护用电流互感器的参数计算变得容易实现。该条款澄清了过去对电流互感器过饱和特性的认识误区。

3 速断保护用电流保护的参数选择

电流速断保护的整定值为躲过外部短路（厂用变低压侧三相短路）时流过保护安装处（厂变高压侧）的最大短路电流：

式（1）中Kk—可靠系数取1.3；Id.max—外部短路时流经保护安装处的短路电流：1.121 kA。

按照上述计算规程8.2.5 条款该保护最大动作整定值2 倍选择互感器准确限值电流为2.914 kA，则互感器的限值系数须大于2.914 kA 与额定值200 A的比值14.57 倍,取额定参数10P20，则速断的定值小于CT 的饱和值，短路时，在电流互感器饱和前能保证保护动作，并留有一定的可靠系数的裕度，满足8.2.4 条款的“保证保护装置可靠动作”的要求。改造前的电流互感器的饱和值为1.5 kA,与速断保护整定值1.457 kA 基本一样，没有足够的可靠系数，在保护要启动时互感器已经饱和，因此出现了速断保护拒动的现象。

4 验算相同变比对过电流保护装置整定计算的影响

由于增大了保护用互感器的变比，需要验算此变比是否能同时满足过电流保护的整定值落在装置的整定值范围内，以免后备保护由于变比过大使得检测采到的数值过小出现拒动的情况。

进一步计算厂用变回路过电流保护装置的整定值[4]：保护动作电流按躲过厂用变负荷需要自启动电动机最大启动电流之和

式（2）中：Kjx—电流互感器接线系数取1；

Kk—可靠系数取1.2；

Kzq—需要自启动的全部电动机在自启动时所引起的过电流倍数。

华口电站的厂用电备用电源采用市电，为明备用接线方式，电站厂用电机启动容量Sd∑约为厂用电容量Se的0.65 倍，因此自启动系数：

（Kqd启动系数取5）

以上各个系数值代入式2，计算过电流整定值Ide=4.33（A）。可见尽管增大了互感器变比，过电流保护整定值仍落在保护装置的整定值范围内，速断和过电流可以选择共用保护用二次绕组，同时该保护整定值小于互感器的饱和值，过电流保护在互感器饱和前将动作，保护装置可以准确动作。

5 结语

综上分析，华口电站厂用变电流互感器在技改后选择200/5 A,10P20/10P20 的互感器参数，保护安装处短路时，速断和过电流保护整定值小于互感器的饱和值，互感器还未饱和时，保护装置已经启动，即使动作后互感器饱和，在短路期间电流的有效值也是增大的，速断保护和过电流均将动作不会影响保护装置的可靠动作，互感器的饱和特性不影响保护动作性能。

另外，从互感器的10%误差曲线可以看出，互感器的准确限值系数与最大二次负载成反比例的关系，如果二次负载较小，互感器的准确限值系数可以达到比较高的值。许继电气股份有限公司的保护装置负荷功率在1 VA 以下，再加上电流互感器本身线圈的电阻功率和二次控制电缆的电阻功率以及装置的接触电阻等功率消耗总和不超过15 VA，选择互感器的二次输出功率为15 VA，当额定功率小于15 VA时，电流互感器的准确精度有保障。设计应复核二次负载容量，不要过高要求额定输出功率，这将使互感器铁心的体积增大，互感器的外形尺寸和安装尺寸也增大，不利于在KYN28-12 的开关柜内布置。

电站为了考核厂用电率，对测量精度有要求，测量用变比采用200/5，在设备订货时对互感器厂家提出动稳定和热稳定的特殊要求。