唐忠達

(南瑞電力設計有限公司，江蘇 南京 211000)

0 引言

電流互感器作為變電站中重要的電氣設備，其用途是將一次大電流變換成二次小電流，供儀表及二次裝置實現(xiàn)測量、計量、監(jiān)控和保護作用。電流互感器參數(shù)選擇不當，可能會造成測量或計量不準確，保護裝置誤動、拒動的后果，危及變電站的安全運行。站用變回路電流互感器因其回路工作電流較小，為滿足測量與計量精度、保護裝置可整定條件，需選擇稍大于回路負荷電流的額定一次電流，但短路情況下往往難以滿足互感器鐵心不致飽和的要求；為滿足短路不飽和條件，而選擇較大的額定一次電流時，則會帶來測量及計量精度降低、保護裝置無法整定的問題。諸如站用變等大系統(tǒng)小電流回路電流互感器的選擇，是目前工程設計的一個難題。

本文以某220 kV變電站10 kV站用變?yōu)槔岢隽苏居米兓芈冯娏骰ジ衅鞯倪x擇方法，供類似變電站工程設計時參考。

1 電流互感器的選擇條件

電流互感器的選擇條件有負荷電流、短路熱穩(wěn)定及動穩(wěn)定電流等，同時應滿足測量及計量的精度或繼電保護的要求[1]。

1.1 測量及計量用電流互感器

測量與計量用電流互感器額定一次電流按回路最大負荷電流選擇，站用變回路最大負荷電流按1.5倍變壓器額定電流確定，計算見式(1)[1]。計量用電流互感器應采用S類[1]。

式中：Ig為回路最大負荷電流，A；Sb為站用變壓器容量，kVA；Un為回路額定電壓，kV。

電流互感器額定一次電流需結合產品一次電流的標準值序列選擇，如選擇非標準值，需與制造廠溝通，非標產品一方面會提高工程造價，一方面也會給后續(xù)工程運維帶來困難，這在工程設計中是不推薦的。

對于站用變等小電流回路電流互感器，尤其要注意能否滿足短路動熱穩(wěn)定條件?；ジ衅黝~定短路熱穩(wěn)定及動穩(wěn)定電流一般會隨著額定一次電流增大而增大，為保證精度，互感器一次電流盡量按接近于回路負荷電流選擇。但對于小電流回路，額定一次電流選擇過小，則可能無法滿足短路動熱穩(wěn)定要求。

電流互感器熱穩(wěn)定校驗見式(2)[2]。

式中：Ith為互感器額定熱穩(wěn)定電流，kA；tth為互感器熱穩(wěn)定電流持續(xù)時間，s；Id為回路三相短路電流，kA；t為短路電流持續(xù)時間，s。

互感器熱穩(wěn)定電流可查詢相關產品資料，或依據(jù)文獻[3]所示的標準值確定?；ジ衅鳠岱€(wěn)定電流持續(xù)時間為1 s[4]。對于短路電流持續(xù)時間，站用變等小電流回路按所裝設的保護裝置動作時間確定[1]。

電流互感器動穩(wěn)定校驗見式(3)[2]。

式中：Idyn為互感器額定動穩(wěn)定電流，kA；ich為回路三相短路電流峰值，kA。

1.2 保護用電流互感器

35 kV及以下保護用電流互感器一般采用P類[1]。保護用電流互感器應滿足回路發(fā)生故障時繼電保護正確動作的要求。即發(fā)生短路時，互感器能將一次故障電流正確地傳變到二次回路，而影響互感器能否準確傳變故障電流的最重要因素是其鐵心是否飽和[1]。在回路發(fā)生短路故障時，如互感器在故障后迅速飽和，將使互感器傳變特性變差，不能準確傳變故障電流，引起保護的拒動作或越級動作。

為保證保護用互感器能夠準確傳變故障電流，一般要求互感器的額定準確限值電流不小于回路最大短路電流，即應滿足式(4)要求[1]。

式中：Id為回路三相短路電流，A；Kalf為互感器準確限值系數(shù)；Ipr為互感器額定一次電流，A。

站用變回路所裝設的保護類型主要為電流速斷保護、過電流保護[5]，保護用互感器還需滿足二次電流整定值處于保護裝置整定區(qū)間內，否則裝置無法整定。保護裝置二次電流整定值計算見式(5)[6]。

式中：Iz為保護裝置二次電流整定值，A；kr為互感器額定電流比；Iop為電流保護一次電流整定值，A。

電流保護一次電流整定值的計算見式(6)與式(7)。不同廠家生產的電流保護裝置整定區(qū)間有所不同，國內主流保護裝置生產廠家有南瑞繼保、北京四方、國電南瑞、南自等，參考產品說明，保護裝置電流整定區(qū)間基本為0.1 In～20 In，其中In指的是互感器額定二次電流。

保護用電流互感器也應滿足負荷電流、短路動穩(wěn)定及熱穩(wěn)定條件，計算同前述。

2 站用變回路電流互感器的選擇

2.1 回路電流互感器選擇存在的難題

站用變回路容量小，負荷電流也較小，回路發(fā)生短路時，短路電流可達負荷電流的數(shù)百甚至數(shù)千倍。電流互感器額定一次電流按負荷電流選擇，保證了測量及計量的精度，確保保護裝置可以整定。但由式(4)可知，則需大大提高互感器準確限值系數(shù)以滿足短路時不飽和的條件。35 kV及以下電流互感器準確限值系數(shù)標準值為5、10、15、20、30[4]，如采用更大的準確限值系數(shù)，不僅需與生產廠家協(xié)商，還會造成互感器體積變大，安裝困難甚至無法安裝，并提高工程造價，是不可取的?；ジ衅鳒蚀_限值系數(shù)選擇標準值情況下，需極大地提高額定一次電流以滿足短路時不飽和的條件，但會導致測量及計量誤差大，保護裝置無法整定。

以某10 kV站用變回路為例，站用變壓器容量100 kVA，回路三相短路電流20 kA，回路最大負荷電流8.7 A，回路電流互感器額定二次電流1 A，保護裝置電流整定區(qū)間0.1～20 A，考慮短路動熱穩(wěn)定因素，電流互感器額定一次電流選擇100 A，則電流保護二次電流整定值為0.12 A，可滿足測量及計量精度、保護整定要求。此時為滿足短路時不飽和的條件，要求互感器準確限值系數(shù)應不小于200，但這是無法實現(xiàn)的。若互感器額定一次電流選擇700 A，準確限值系數(shù)為30，可滿足短路時不飽和條件，但電流保護二次電流整定值為0.016 A，保護裝置無法整定，且互感器額定一次電流遠大于回路負荷電流，測量及計量精度極低。

電流互感器設置多個繞組并采用不同變比可滿足測量及計量精度和短路飽和條件，但仍無法同時解決保護裝置整定的問題，這是目前工程設計中普遍遇到的一個難題。

2.2 回路電流互感器的選擇方法

隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增大，變電站低壓側短路電流也越來越大，諸如站用變等小電流回路電流互感器選擇的難題也日益受到關注，相關機構亦做了些研究試驗。按照研究試驗的結果，文獻[1,7]提到，在短路發(fā)生的開始階段，即使二次電流波形畸變增大，二次電流的有效值、平均值以及基波值是增加的。若一次電流整定值不超過互感器準確限值電流的0.5倍，且具有一定的裕度，則互感器過飽和情況下保護裝置仍能夠正確動作。鑒于此，小電流回路保護用電流互感器額定一次電流的選擇，可先考慮滿足保護整定的需要，同時保證互感器額定準確限值電流大于保護最大一次電流整定值2倍，并留有一定裕度，裕度系數(shù)建議不小于2[1]，這樣可確保保護裝置可整定，也確?；ジ衅鞫搪凤柡蜁r保護裝置的可靠動作。

站用變回路過電流保護按變壓器高壓側額定最大負荷整定，計算見式(6)[6]。

式中：Iop1為過電流保護一次電流整定值，A；Krel為可靠系數(shù)，取1.2；Kol為過負荷系數(shù)，對于變電站可取1.3～1.5；Kr為返回系數(shù)，取0.9；I1r為變壓器高壓側額定電流，A。

站用變回路速斷保護按躲過變壓器低壓側出口最大三相短路電流整定，計算見下式[6]。

式中：Iop2為速斷保護一次電流整定值，A；Krel為可靠系數(shù)，取1.3；Id2為變壓器低壓側出口最大三相短路電流，A。

保護用電流互感器裕度系數(shù)計算見下式[1]。

式中：k為互感器保護裕度系數(shù)；Kalf1為互感器擬選定的準確限值系數(shù)；Kalf2為按保護二次電流整定值所確定的準確限值系數(shù)。

為滿足測量及計量精度要求，希望互感器額定一次電流越小越好，但可能無法滿足短路動熱穩(wěn)定條件，而需選擇較大的額定一次電流，同時考慮站用變回路的實際負荷更小，為提高測量及計量精度，電流互感器變比宜是可變的。設計可變變比互感器有2種方式實現(xiàn)：一次繞組串聯(lián)或并聯(lián)，繞組二次設置抽頭。一次繞組串聯(lián)或并聯(lián)對于35 kV及以下互感器，會造成產品結構布置的困難，而二次抽頭僅適用于測量及計量電流互感器，用于保護用電流互感器時會降低保護性能[1]。故站用變回路電流互感器宜可置多個獨立繞組分別接測量及計量、保護，各繞組變比可不同，用于測量及計量的繞組帶二次抽頭。

3 工程實例

某220 kV變電站10 kV母線安裝1臺站用變，容量Sb=315 kVA，短路阻抗Uk=4%，10 kV站用變出線開關柜電流互感器額定二次電流1 A，10 kV母線最大三相短路電流Id=18.97 kA，三相短路電流峰值ich=48.37 kA。

回路電流互感器用于測量、計量、速斷保護及過電流保護，擬設置多個繞組，各繞組采用不同的變比。

根據(jù)式(1)，回路最大負荷電流Ig=27.28 A。保護動作時間取0.5 s，按式(2)與式(3)，要求互感器額定熱穩(wěn)定電流不小于13.41 kA，額定動穩(wěn)定電流不小于48.37 kA，依據(jù)文獻[3]，互感器測量及計量繞組額定一次電流選擇100 A，另外考慮回路負荷基本上不會滿載，為提高精度，測量及計量繞組帶二次抽頭。

歸算至變壓器高壓側的阻抗Xs，變壓器阻抗Xt及變壓器低壓側出口故障時流過電流互感器的最大短路電流Id2計算結果如下。

式中：Sj為基準容量，MVA，取100 MVA；Uj為基準電壓，kV，為10.5 kV。

根據(jù)式(6)與式(7)，回路過電流保護、速斷保護一次電流整定值分別為36.38 A、550.42 A，為使得保護裝置動作電流在產品整定區(qū)間內，保護裝置易于整定，并滿足短路動熱穩(wěn)定條件，保護繞組的變比應分別處于100/1～350/1、100/1～5500/1之間。保護繞組采用不同變比時的計算結果見表1所列。

表1 不同變比時的保護繞組計算結果表

由表1可知，過電流保護及速斷保護繞組變比均選擇150/1 A，準確限值系數(shù)為10時，互感器額定準確限值電流均大于保護一次電流整定值的2倍，且裕度系數(shù)均大于2，滿足要求。值得注意的是，有時過電流保護與速斷保護采用同一變比同一準確限值系數(shù)即接入同一繞組并不滿足相關條件要求，這需要具體計算以確定。

綜合上述，本工程站用變回路電流互感器設置3個繞組，分別用于測量、計量、保護(速斷、過電流)，各繞組變比分別為100(50)/1 A、100(50)/1 A、150/1 A，準確級分別為0.5、0.2 S、10P10，互感器的配置如圖1所示。

圖1 互感器配置接線圖

4 結論

站用變等小電流回路用電流互感器應設置多個繞組分別接入測量、計量及保護裝置，各繞組可采用不同的額定一次電流，以分別滿足測量及計量精度和繼電保護的要求。測量及計量用繞組額定一次電流按稍大于回路最大負荷電流選擇，考慮回路負荷為按過載形式計算取值，測量及計量繞組帶二次抽頭以提高精度。保護用繞組按保護一次電流整定值選擇，首先根據(jù)保護裝置整定區(qū)間選擇合適的額定一次電流，再選擇準確限值系數(shù)，應確保額定準確限值電流大于2倍的保護一次電流整定值，且裕度系數(shù)不小于2。