陳志仙

（福建安瀾水利水電勘察設(shè)計(jì)院有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

小型水電站根據(jù)其裝機(jī)容量和地理位置，裝機(jī)總?cè)萘吭?0～50 MW 的水電站，其接入系統(tǒng)一般以110 kV 出線接入地調(diào)電網(wǎng)系統(tǒng)，隨著電網(wǎng)容量的不斷增大，接入系統(tǒng)的水電站在遭受廠內(nèi)短路事故時(shí)，由電網(wǎng)系統(tǒng)貢獻(xiàn)的短路電流和短路容量也越來(lái)越大，這給水電站的設(shè)備選擇帶來(lái)一定的困難，特別是對(duì)于水電站廠用電回路正常工作時(shí)，工作電流很小，但是回路短路時(shí)，本站全部機(jī)組和電網(wǎng)系統(tǒng)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(dǎo)致回路的繼電保護(hù)用電流互感器和二次保護(hù)配置的技術(shù)參數(shù)選擇非常困難，根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)備選擇原則無(wú)法在實(shí)際中訂到參數(shù)匹配的設(shè)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(duì)繼電保護(hù)裝置正確動(dòng)作的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和新版計(jì)算規(guī)程合理配置電流互感器的額定電流和準(zhǔn)確限值系數(shù)，才能圓滿解決存在的問(wèn)題。本文以華口水電站6 kV 母線側(cè)高壓開關(guān)柜技改為例，討論廠用變回路電流互感器的計(jì)算選擇。

1 改造前存在的問(wèn)題

華口水電站位于福建省漳平市蘆芝鎮(zhèn)，隸屬中電（福建）電力開發(fā)有限公司，是九龍江北溪干流河段水電開發(fā)的第二級(jí)水電站，電站裝機(jī)容量為2×17.5 MW（右岸）+1.6 MW（左岸），其中右岸為兩臺(tái)17.5 MW 燈泡貫流機(jī)組，左岸為一臺(tái)生態(tài)下泄流量的軸流定槳機(jī)組，原右岸兩臺(tái)機(jī)組的發(fā)電機(jī)組電壓出線等級(jí)為6.3 kV，電站以一回110 kV 電壓等級(jí)線路送往漳平桂林變，輸電距離10 km 左右，電站發(fā)電機(jī)母線配置了一臺(tái)500 kVA 1 號(hào)廠用干式變1TLA,另一臺(tái)2 號(hào)廠用變電源為地方10 kV 電網(wǎng)，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(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后，設(shè)備老化，技改之前發(fā)生過(guò)廠用變保護(hù)裝置在相間短路情況下電流速斷拒動(dòng)的情況，本次技改前查閱了原廠用變高壓側(cè)回路開關(guān)柜，柜內(nèi)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(hù)有電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、以及零序電流保護(hù)。業(yè)主在技改時(shí)提出對(duì)廠用電量考核的要求，需要在廠用變回路增加一組測(cè)量級(jí)繞組。根據(jù)要求，對(duì)原廠用變回路一次設(shè)備的選擇和二次保護(hù)配置重新復(fù)核計(jì)算，廠用變回路高壓側(cè)d-1 點(diǎn)三相短路時(shí)，流經(jīng)短路點(diǎn)的短路電流有系統(tǒng)提供的短路電流和本電站3臺(tái)機(jī)組提供的短路電流，是本站流過(guò)最大短路電流的短路點(diǎn)，這里著重分析該回路電流互感器的參數(shù)選擇和廠用變保護(hù)裝置的配置。根據(jù)本電站短路電流計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)提供的最大短路電流為21.66 kA，1 號(hào)機(jī)及2 號(hào)機(jī)提供短路電流為14.73 kA，3 號(hào)機(jī)為0.97 kA，總的短路電流計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 短路電流計(jì)算結(jié)果表

水電站廠用變回路額定電流為45.8 A,實(shí)際上考慮干式變壓器的發(fā)熱問(wèn)題，本電站最大的廠用負(fù)荷電流沒(méi)有達(dá)到額定電流，約40 A 左右，然而該回路如果發(fā)生短路，通過(guò)發(fā)電機(jī)母線流過(guò)來(lái)的短路電流將是最大的，由于本電站發(fā)電機(jī)出線電壓為6 kV，非該容量機(jī)組常見的10 kV 等級(jí)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(shù)選擇更加困難。

電流互感器的復(fù)合誤差與二次負(fù)荷和準(zhǔn)確限值系數(shù)有關(guān)，分析電站廠變高壓側(cè)出線端發(fā)生短路時(shí)，相當(dāng)于發(fā)電機(jī)出線端短路（忽略出線電纜的阻抗），發(fā)電機(jī)提供的暫態(tài)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(yán)重飽和并過(guò)熱[3]，互感器的傳變特性發(fā)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(guān)系不再成立，互感器的二次側(cè)電流畸變，出現(xiàn)尖頂脈沖電流，電流互感器的二次電流和相位的復(fù)合誤差已嚴(yán)重增大，不能準(zhǔn)確地反映一次側(cè)短路電流的大小，保護(hù)裝置在原采樣周期內(nèi)計(jì)算出來(lái)的故障電流嚴(yán)重偏小，小于速斷整定值，速斷保護(hù)拒動(dòng)，啟動(dòng)了后備保護(hù)來(lái)動(dòng)作，影響了保護(hù)裝置的靈敏性和準(zhǔn)確動(dòng)作選擇性。電流互感器經(jīng)歷了由暫態(tài)飽和過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)飽和的狀態(tài)。

2 可行的改造實(shí)施方案

如圖1 所示，原配置了保護(hù)用電流互感器1BA、2BA，技改時(shí)廠用變回路增加了一組測(cè)量用電流互感器3BA，根據(jù)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(duì)電流互感器的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)二次負(fù)載進(jìn)行驗(yàn)算，盡量使互感器在額定一次電流附近運(yùn)行，二次側(cè)負(fù)載小于二次額定輸出功率運(yùn)行時(shí)誤差最小，本電站廠用變測(cè)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(guò)表1 短路電流計(jì)算結(jié)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(shù)參數(shù)是額定電流100 A 的熱穩(wěn)定電流和動(dòng)穩(wěn)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(wěn)定短路和動(dòng)穩(wěn)定電流分別為45 kA 和112.5 kA，滿足設(shè)計(jì)要求。

保護(hù)和測(cè)量功能用的電流互感器要求是不同的，測(cè)量用電流互感器反映正常運(yùn)行時(shí)流經(jīng)的工作電流，能夠在誤差范圍內(nèi)滿足測(cè)量精度要求，當(dāng)其通過(guò)故障電流時(shí)，則希望電流互感器盡早飽和，以便保護(hù)二次儀表和測(cè)量裝置不受損害；保護(hù)用互感器繞組，其工作環(huán)境是反映在短路大電流情況下，要保證二次保護(hù)裝置按照整定值準(zhǔn)確動(dòng)作，必須滿足互感器不超過(guò)10%的復(fù)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(guò)廠家出廠提供的互感器“準(zhǔn)確限值系數(shù)”（老版說(shuō)法10%誤差曲線），即短路電流增大未達(dá)到互感器飽和水平時(shí)，二次電流隨一次電流變化，保證誤差在10%范圍內(nèi)。

根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]第二章第五節(jié)設(shè)計(jì)原則“選擇保護(hù)用互感器，應(yīng)考慮短路電流情況下的準(zhǔn)確性，通常用10%誤差曲線進(jìn)行計(jì)算”；原《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算導(dǎo)則》6.1.2.2“選擇適當(dāng)類型和參數(shù)的互感器，保證互感器飽和特性不致影響保護(hù)的動(dòng)作性能”。按照以上要求，為了保護(hù)裝置正確動(dòng)作，選擇短路時(shí)互感器不飽和，滿足準(zhǔn)確限值系數(shù)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(zhǔn)確限值系數(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)階段我國(guó)電流互感器廠家的準(zhǔn)確限值系數(shù)最大值40～50 倍，這么高的限值系數(shù)要求互感器鐵心的導(dǎo)磁性能要非常好，不能發(fā)生電磁飽和現(xiàn)象，鐵心的截面要加大，整個(gè)電流互感器的體積可能要加大很多倍[5]，會(huì)導(dǎo)致10 kV 開關(guān)柜互感器布置空間不夠，同時(shí)造價(jià)也很大，目前互感器廠家的技術(shù)工藝無(wú)法達(dá)到要求，實(shí)際工程中也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)滿足準(zhǔn)確限值系數(shù)這個(gè)要求，廠用變回路的電流速斷保護(hù)用互感器須選擇變比值1 000/5（A），準(zhǔn)確限值系數(shù)IP40，這樣才能保證37.364 kA 的短路電流流過(guò)時(shí)不至于使互感器飽和；而廠變過(guò)電流保護(hù)的整定值是按照躲過(guò)回路正常工作時(shí)的需要自啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流之和，是正常負(fù)荷性質(zhì)的電流，幅值較小，如果用1 000/5 的大變比互感器共用過(guò)電流保護(hù)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(hù)裝置，整定值范圍為0.1Ie～20Ie，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算大變比的情況下過(guò)電流保護(hù)的整定值小于保護(hù)裝置最小整定值范圍0.5 A，在故障時(shí)出現(xiàn)拒動(dòng)的情況，過(guò)電流保護(hù)還存在靈敏度不夠的問(wèn)題，因此過(guò)電流保護(hù)需要另外配置更小的電流互感器變比。

如果速斷和過(guò)電流保護(hù)分別選擇1 000/5A 和200/5A 的兩組次級(jí)繞組，利用電流互感器帶中間抽頭的方法，可獲得兩個(gè)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(shí)際回路中只能選用其中一組變比，不能同時(shí)用兩種不同變比的繞組[4]，變比相差這么大等級(jí)的參數(shù)，生產(chǎn)廠家的技術(shù)也很難滿足要求，因此速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)需要單獨(dú)設(shè)置兩組三相6 只不同變比互感器，這不利于在KYN28-12 的開關(guān)柜內(nèi)布置。

隨著接入系統(tǒng)的容量越來(lái)越大，限制短路電流的方案需要考慮很多因素，以電站為點(diǎn)很難實(shí)現(xiàn)。從圖1 可以分析計(jì)算出電站勵(lì)磁變回路d-2 點(diǎn)、d-3點(diǎn)電流互感器也同樣面臨著這樣的問(wèn)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(hù)和后備保護(hù)以及測(cè)量用的互感器變比差異很大。

以上問(wèn)題在新版規(guī)范DL/T 866-2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》[5]中得到了詮釋和解決辦法，該計(jì)算規(guī)程8.2.4 條款說(shuō)明“外部短路電流下互感器應(yīng)能滿足準(zhǔn)確限值系數(shù)要求；保護(hù)安裝點(diǎn)近處故障互感器在技術(shù)上難以滿足要求時(shí)，可允許有較大的誤差，但應(yīng)保證保護(hù)裝置可靠動(dòng)作，”8.2.5 條規(guī)范“電流互感器最大限值電流小于最大系統(tǒng)短路電流時(shí)，互感器準(zhǔn)確限值電流宜按大于保護(hù)最大動(dòng)作電流整定值2 倍選擇”。該新版計(jì)算規(guī)程增加了3～35 kV 中壓系統(tǒng)保護(hù)用電流互感器的參數(shù)選擇章節(jié)，在這版規(guī)范中針對(duì)實(shí)際電網(wǎng)中壓等級(jí)系統(tǒng)普遍存在的短路時(shí)互感器很容易處于電磁飽和特性的情況，修改了傳統(tǒng)的選擇原則，不再?gòu)?qiáng)調(diào)根據(jù)互感器飽和特性選擇參數(shù)，加大互感器制造和布置的難度，轉(zhuǎn)而以允許有較大誤差，保證保護(hù)裝置可靠動(dòng)作為出發(fā)點(diǎn)，這是根據(jù)近年來(lái)對(duì)電流互感器所做的伏安特性試驗(yàn)對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的影響進(jìn)行研究，通過(guò)各種仿真程序得出的結(jié)果[6]：盡管短路時(shí)二次電流波形畸變?cè)龃螅沟没ジ衅鬟^(guò)飽和，但繼電保護(hù)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(shì)，只要整定值不超過(guò)互感器準(zhǔn)確限值電流，在互感器飽和之前能保證動(dòng)作，并有一定的可靠系數(shù)裕度（準(zhǔn)確限值電流大于2 倍的整定值），保證保護(hù)裝置在飽和前能可靠動(dòng)作，可以不再放大互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)。互感器嚴(yán)重飽和時(shí)測(cè)量值小于速斷保護(hù)定值，速斷保護(hù)將拒動(dòng)。

這個(gè)新的試驗(yàn)基礎(chǔ)提出了另一種可行且易實(shí)施的新理念，使得3～35 kV 中高壓系統(tǒng)內(nèi)的特殊負(fù)荷支路保護(hù)用電流互感器的參數(shù)計(jì)算變得容易實(shí)現(xiàn)。該條款澄清了過(guò)去對(duì)電流互感器過(guò)飽和特性的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。

3 速斷保護(hù)用電流保護(hù)的參數(shù)選擇

電流速斷保護(hù)的整定值為躲過(guò)外部短路（廠用變低壓側(cè)三相短路）時(shí)流過(guò)保護(hù)安裝處（廠變高壓側(cè)）的最大短路電流：

式（1）中Kk—可靠系數(shù)取1.3；Id.max—外部短路時(shí)流經(jīng)保護(hù)安裝處的短路電流：1.121 kA。

按照上述計(jì)算規(guī)程8.2.5 條款該保護(hù)最大動(dòng)作整定值2 倍選擇互感器準(zhǔn)確限值電流為2.914 kA，則互感器的限值系數(shù)須大于2.914 kA 與額定值200 A的比值14.57 倍,取額定參數(shù)10P20，則速斷的定值小于CT 的飽和值，短路時(shí)，在電流互感器飽和前能保證保護(hù)動(dòng)作，并留有一定的可靠系數(shù)的裕度，滿足8.2.4 條款的“保證保護(hù)裝置可靠動(dòng)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(hù)整定值1.457 kA 基本一樣，沒(méi)有足夠的可靠系數(shù)，在保護(hù)要啟動(dòng)時(shí)互感器已經(jīng)飽和，因此出現(xiàn)了速斷保護(hù)拒動(dòng)的現(xiàn)象。

4 驗(yàn)算相同變比對(duì)過(guò)電流保護(hù)裝置整定計(jì)算的影響

由于增大了保護(hù)用互感器的變比，需要驗(yàn)算此變比是否能同時(shí)滿足過(guò)電流保護(hù)的整定值落在裝置的整定值范圍內(nèi)，以免后備保護(hù)由于變比過(guò)大使得檢測(cè)采到的數(shù)值過(guò)小出現(xiàn)拒動(dòng)的情況。

進(jìn)一步計(jì)算廠用變回路過(guò)電流保護(hù)裝置的整定值[4]：保護(hù)動(dòng)作電流按躲過(guò)廠用變負(fù)荷需要自啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流之和

式（2）中：Kjx—電流互感器接線系數(shù)取1；

Kk—可靠系數(shù)取1.2；

Kzq—需要自啟動(dòng)的全部電動(dòng)機(jī)在自啟動(dòng)時(shí)所引起的過(guò)電流倍數(shù)。

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(jī)啟動(dòng)容量Sd∑約為廠用電容量Se的0.65 倍，因此自啟動(dòng)系數(shù)：

（Kqd啟動(dòng)系數(shù)取5）

以上各個(gè)系數(shù)值代入式2，計(jì)算過(guò)電流整定值Ide=4.33（A）。可見盡管增大了互感器變比，過(guò)電流保護(hù)整定值仍落在保護(hù)裝置的整定值范圍內(nèi)，速斷和過(guò)電流可以選擇共用保護(hù)用二次繞組，同時(shí)該保護(hù)整定值小于互感器的飽和值，過(guò)電流保護(hù)在互感器飽和前將動(dòng)作，保護(hù)裝置可以準(zhǔn)確動(dòng)作。

5 結(jié)語(yǔ)

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(shù)，保護(hù)安裝處短路時(shí)，速斷和過(guò)電流保護(hù)整定值小于互感器的飽和值，互感器還未飽和時(shí)，保護(hù)裝置已經(jīng)啟動(dòng)，即使動(dòng)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(hù)和過(guò)電流均將動(dòng)作不會(huì)影響保護(hù)裝置的可靠動(dòng)作，互感器的飽和特性不影響保護(hù)動(dòng)作性能。

另外，從互感器的10%誤差曲線可以看出，互感器的準(zhǔn)確限值系數(shù)與最大二次負(fù)載成反比例的關(guān)系，如果二次負(fù)載較小，互感器的準(zhǔn)確限值系數(shù)可以達(dá)到比較高的值。許繼電氣股份有限公司的保護(hù)裝置負(fù)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(guò)15 VA，選擇互感器的二次輸出功率為15 VA，當(dāng)額定功率小于15 VA時(shí)，電流互感器的準(zhǔn)確精度有保障。設(shè)計(jì)應(yīng)復(fù)核二次負(fù)載容量，不要過(guò)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(guān)柜內(nèi)布置。

電站為了考核廠用電率，對(duì)測(cè)量精度有要求，測(cè)量用變比采用200/5，在設(shè)備訂貨時(shí)對(duì)互感器廠家提出動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的特殊要求。