站用变压器用电流互感器变比选择研究

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041)

0 引 言

变电站的低压侧短路水平通常为20～40 kA，而站用变压器额定电流仅为几安到几十安。若为方便测量和保护整定，按站用变压器额定负荷电流选择，则故障短路时电流互感器可能因承受数百上千倍短路电流而产生严重过饱进而影响其性能；若按故障短路时不饱和为条件选择电流互感器，则其电流将远大于负荷电流，且需要较高的准确限值系数，易造成测量误差难以保证、保护整定困难、投资费用增加等问题[1-4]。

根据DL/T 866-2015《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》第8.2.4条、8.2.5条文解释可知：1)在外部短路故障时，3～35 kV 系统电流互感器在给定暂态系数不小于2条件下，通常难以满足准确限值系数要求，因此在保证装置可靠动作的前提下，允许有较大误差；2)当最大限值电流小于系统最大短路电流时，准确限值电流大于微机保护整定值2倍，可保证装置可靠动作[5]。

为方便电流互感器选型，在分析站用变压器保护配置和整定计算的基础上，结合保护装置精确工作电流范围，计算出了电流互感器变比的上下限范围。结合电流互感器测量、保护绕组的变比关系给出了常用10 kV、35 kV站用变压器保护和测量的变比推荐值。

1 保护的配置

根据GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》规定，站用变压器一般配置电流速断保护、过电流保护及装设在其低压侧中性线的零序过流保护[6]。

电流速断保护应能保证在电流互感器深度饱和之前，快速、可靠切出站用变压器电源侧引出线和套管及变压器内部部分线圈故障；过电流保护应能准确检测到站用变压器低压侧母线或馈线支路发生短路故障电流，并经一定延时切出故障。这就要求电流互感器既能在大短路电流时避免深度饱和，又能在小电流过负荷时准确检测，因此其变比选择十分重要。

2 整定计算

站用变压器额定容量Se，站用变压器高压侧额定电压Ue，取基准容量sj=Se，基准电压Uj=1.05Ue。站用电低压系统短路电流计算宜按高压侧保护电气的开断容量或高压侧的短路容量确定。

(1)

站用变压器阻抗标幺值为

(2)

2.1 电流速断保护[7-8]

电流速断保护具有接线简单、动作迅速等优点，能瞬时切除变压器电源侧引出线和套管及变压器内部部分线圈的故障。站用变压器电流速断保护整定值，按躲过变压器负荷母线短路时流过保护的最大短路电流计算，即

(3)

站用变压器低压侧三相短路后，高压侧保护安装处的电流值为

(4)

2.2 过电流保护[7-8]

过流保护可以反应外部故障引起的变压器绕组过流，同时作为变压器内部故障时的气体保护的后备保护和低压母线保护的主保护。其保护动作电流Iop-II应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流IL.max来整定，即

(5)

式中：Krel为可靠系数，取1.4；Kr为返回系数，取0.85。

站用变器的最大负荷电流按其额定电流选取，即

(6)

2.3 常用站用变保护整定计算结果

根据上述电流速断保护和过电流保护整定值的计算方法，计算出DL/T 5155-2016中常用站用变压器电流速断保护整定值和过电流整定值，如表1、表2所示[9]。

表1 常用10 kV/0.4 kV变压器保护整定值计算结果

表2 常用35 kV/0.4 kV变压器保护整定值计算结果

表3 10 kV站用变各变比(数值上等于CT额定电流)限值及站用变高压电流

根据高压侧保护电气的开断容量折算出的系统阻抗与站用变压器阻抗相比，至少相差一两个数量级，因此计算站用变压器低压侧短路电流时，高压侧开断容量的影响有限。从表1 和表 2可以看出，高压侧断路器开断水平分别选取25 kA、31.5 kA、40 kA时，电流速断保护的整定值相差很小，对保护整定而言可以忽略[10-11]。

3 变比的选取

3.1 影响变比的因素

一方面，站用变压器容量相对较小，高压侧正常工作时电流很小，因而CT不能选得过大，即便为满足测量精度和保护准确限值系数的要求，保护和测量计量二次绕组选用不同变比，其变比也不宜过大，宜采用1∶2。

同时，站用变压器保测一体化装置的精确工作电流有一定范围，而站用变压器过流保护的整定值较小，若变比过大，可能造成过流保护整定值超过电流保护启动元件的电流下限，导致过电流无法整定。

另一方面，系统发生短路后，短路电流较大，为保证保护装置的可靠动作，电流变比不宜过小。

3.2 电流变比上限的确定

设变比最大值(上限)为Nmax，Nmax需要满足的条件为[12-13]

Iop-II/Nmax≥A×I20

(7)

式中：Iop-Ⅱ为过流保护整定值；A为站用变压器保护装置的精确工作电流下限值；I20为电流互感器二次侧额定电流，取1 A或5 A，按I20=1 A考虑。二次电流额定电流为1 A，则变比与一次额定电流在数值上相等。

3.3 电流变比下限的确定

设变比最小值(下限)为Nmin，为满足电流互感器最大限值电流大于保护最大动作电流整定值的2倍的要求[14]，即IprKalf≥2Iop-I。Nmin需要满足的条件为

NminKalf≥2Iop-I

(8)

3.4 推荐变比的选择

根据上述变比上下限计算方法，计算出10 kV站用变压器各变比(数值上等于CT额定电流)限值及站用变压器高压一次额定电流如表3所示。

从表3可以看出，随着容量的增加，变比的上下限值均增大。

保护用电流互感器变比上限值主要由保护装置的精确工作电流下限值和过电流保护整定值决定。在过电流保护整定值一定的情况下，保护装置的精确工作电流下限值越小，则变比上限值越大。

不同厂家生产的保护装置过流整定值范围见表4。

表4 不同厂家保护装置过流整定范围

由于南京南瑞继保电气有限公司生产的保护装置过流整定范围最小，为了变比选择的普适性，10 kV站用变压器CT变比选择时过电流整定范围按0.1In～20In考虑。

变比下限值由电流速断保护的整定值决定，从表3中可以看到容量为1000 kVA的10 kV站用变压器，电流互感器变比选择166/1，准确限值系数取20，即可保证保护可靠动作。因此一般电流互感器准确限值系数选择20即可，不需要再放大准确限值系数。

但在变比满足最大上限值的情况下，变比选择越大，准确限值系数越大，则当发生故障时，电流互感器的过饱和系数越低，裕度越大，保护装置不易因CT过饱和而导致保护拒动或越级跳闸。

同一台电流互感器，各二次绕组变比宜一致。为满足计量、测量准确性，电流互感器额定电流应尽量接近较小的负荷电流；而为了避免互感器深度饱和，应避免选用较高的准确限值系数，电流互感器额定电流应尽量选择较大一些。若根据实际需要，保护和测量计量二次绕组选用不同变比，其变比也不宜过大，宜采用1∶2。测量计量也可采用中间抽头方式，以获得小电流。一般0.2级测量电流互感器在20%～120%额定电流范围内，能保证测量精度。

综上分析，推荐10 kV站用变压器电流互感器变比选择如表5所示。同理可计算出35 kV站用变压器各变比(数值上等于CT额定电流)限值及站用变高压一次额定电流如表6所示。从表6中可以看出，当保护装置的精确工作电流范围为0.1In～20In时，160 kVA、200 kVA、250 kVA站用变压器变比值上限均小于100，若精确工作电流范围为0.05In～20In时，比值上限可提高一倍。分别考虑精确工作电流范围的不同，推荐互感器变比如表7所示。

表5 10 kV站用变压器电流互感器变比推荐值

表6 35 kV站用变压器各变比(数值上等于CT额定电流)限值及站用变高压电流

表7 35 kV站用变电流互感器变比推荐值

当保护装置的精确工作电流范围为0.1In～20In时，一次绕组串联，范围为0.05In～20In时一次绕组并联，即可满足变比上下限要求。

3.5 变比选择的进一步分析

35 kV容量为160～310 kVA的站用变压器，其电流互感器变比较小，动、热稳定需要满足较高要求时，可能制造困难。

一方面，变比较小是受到电流变比上限的影响，变比上限与精确工作电流范围及过电流整定值有关，若保护装置招标文件中明确精确工作电流范围为0.05In～20In，则变比上限可提高。过电流整定值以变压器可能出现的最大负荷电流IL.max来整定，Krel可靠系数取1.4，返回系数取0.85。过电流保护的灵敏度需为

(9)

另一方面，站用变压器高压侧实际电流较小，若额定电流较大，可能会影响测量精度，可以采用精度在1%～120%额定范围满足要求的0.2S级测量绕组。

综上分析，最终推荐35 kV站用变电流互感器变比选择如表8所示。

表8 35 kV站用变电流互感器变比最终推荐值

4 结 语

通过保护整定计算并结合保护装置的电流精确工作范围，得到了站用变压器保护用CT的保护变比上下限值。根据上下限值结果可知，以保证保护装置正确动作为原则选择电流互感器时，其准确值限值系数一般取20即可。

以测量电流互感器额定电流选择保护与测量绕组宜采用同一变比，若不同变比时宜采用1∶2的原则，给出了10 kV、35 kV常用站用变压器保护、测量的变比推荐值。

35 kV站用变压器高压侧实际电流较小，若电流互感器额定电流较大时，可考虑采用0.2S精度互感器。

35 kV过电流保护整定值过小可能导致保护变比上限很小，影响电流互感器的选择，可在满足灵敏度的前提下，适当增大过电流保护定值，从而选择较大变比的互感器。