浅析电流互感变压器技术要点与选择-中试控股

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浅析电流互感变压器技术要点与选择

时间：2013-07-30

在继电保护的实际应用和操作中，存在着一些比较容易被忽视的问题，分析如下：
　　1 线路中励磁涌流问题
　　1.1 线路中励磁涌流对继电保护装置的影响
　　励磁涌流是由于变压器空载投运时，铁芯中的磁通不能突变，出现非周期分量磁通，使变压器铁芯饱和，励磁电流急剧增大而产生的。变压器励磁涌流最大值，可以达到变压器额定电流的6～8倍，并且跟变压器的容量大小有关，变压器容量越小，励磁涌流倍数越大。励磁涌流存在很大的非周期分量，并以一定时间系数衰减，衰减的时间常数同样与变压器容量大小有关，容量越大，时间常数越大，涌流存在时间越长。10kV线路装有大量的配电变压器，在线路投入时，这些配电变压器是挂在线路上，在合闸瞬间，各变压器所产生的励磁涌流在线路上相互迭加、来回反射，产生了一个复杂的电磁暂态过程，在系统阻抗较小时，会出现较大的涌流，时间常数也较大。二段式电流保护中的电流速断保护，由于要兼顾灵敏度，动作电流值往往取得较小，特别在长线路或系统阻抗大时更明显。励磁涌流值可能会大于装置整定值，使保护误动。这种情况在线路变压器个数少、容量小以及系统阻抗大时并不突出，因此容易被忽视，但当线路变压器个数及容量增大后，就可能出现。贵阳市北供电局就曾经在变电所增容后出现10kV线路由于涌流而无法正常投入的问题。
　　1.2 防止涌流引起误动的方法
　　励磁涌流有一明显的特征，就是它含有大量的二次谐波，在主变压器主保护中就利用这个特性，来防止励磁涌流引起保护误动作，但如果用在10kV线路保护，必须对保护装置进行改造，会大大增加装置的复杂性，因此实用性很差。励磁涌流的另一特征就是它的大小随时间而衰减，一开始涌流很大，一段时间后涌流衰减为零，流过保护装置的电流为线路负荷电流，利用涌流这个特点，在电流速断保护加入一短时间延时，就可以防止励磁涌流引起的误动作，这种方法最大优点是不用改造保护装置(或只作简单改造)，虽然会增加故障时间，但对于像10kV这种对系统稳定运行影响较小之处还是适用。为了保证可靠地躲过励磁涌流，保护装置中加速回路同样要加入延时。通过几年的摸索，在10kV线路电流速断保护及加速回路中加入了0.15～0.2s的时限，就近几年运行来看，运行安全，并能很好的避免由于线路中励磁涌流造成保护装置误动作。
　　2 TA饱和问题
　　2.1 TA饱和对保护的影响
　　10kV线路出口处短路电流一般都较小，特别是农网中的变电所，往往远离电源，系统阻抗较大。对于同一线路，出口处短路电流大小会随着系统规模及运行方式不同而不同。随着系统规模的不断扩大，10kV系统短路电流会随着变大，可以达到TA一次额定电流的几百倍，系统中原有一些能正常运行的变比小的TA就可能饱和；另一方面，短路故障是一个暂态过程，短路电流中含大量非周期分量，又进一步加速TA饱和。在10kV线路短路时，由于TA饱和，感应到二次侧的电流会很小或接近于零，使保护装置拒动，故障由母联断路器或主变压器后备保护切除，不但延长了故障时间，会使故障范围扩大，影响供电可靠性，而且严重威胁运行设备的安全。
　　2.2 避免TA饱和的方法
　　TA饱和，其实就是TA铁芯中磁通饱和，而磁通密度与感应电势成正比，因此，如果TA二次负载阻抗大，在同样电流情况下，二次回路感应电势就大，或在同样的负载阻抗下，二次电流越大，感应电势就越大，这两种情况都会使铁芯中磁通密度大，磁通密度大到一定值时，TA就饱和。TA严重饱和时，一次电流全部变成励磁电流，二次侧感应电流为零，流过电流继电器的电流为零，保护装置就会拒动。避免TA饱和主要从两个方面入手，一是在选择TA时，变比不能选得太小，要考虑线路短路时TA饱和问题，一般10kV线路保护TA变比最好大于300/5。另一方面要尽量减少TA二次负载阻抗，尽量避免保护和计量共用TA，缩短TA二次电缆长度及加大二次电缆截面；对于综合自动化变电所，10kV线路尽可能选用保护、测控合一的产品，并在控制屏上就地安装，这样能有效减小二次回路阻抗，防止TA饱和。
　　3 所用变压器保护
　　3.1 所用变压器保护存在的问题
　　所用变压器是一比较特殊的设备，容量较小但可靠性要求非常高，而且安装位置也很特殊，一般就接在10kV母线上，其高压侧短路电流等于系统短路电流，可达十几千安，低压侧出口短路电流也较大。一直对所用变压器保护的可靠性重视不足，这将对所用变压器直至整个10kV系统的安全运行造成很大的威胁。传统的所用变压器保护使用熔断器保护，其安全可靠性还是比较高，但随着系统短路容量的增大，以及综合自动化的要求提高，这种方式已逐渐满足不了要求。现在新建或改造的变电所，特别是综合自动化所，大多配置所用变压器开关柜，保护配置也跟10kV线路相似，而往往忽视了保护用的TA饱和问题。由于所用变压器容量小，一次额定电流很小，保护计量共用TA，为确保计量的准确性，设计时TA很小，有的地方甚至选择10/5。这样一来，当所用变压器故障时，TA将严重饱和，感应到二次回路电流几乎为零，使所用变压器保护装置拒动。如果是高压侧故障，短路电流足以使母联保护或主变压器后备保护动作而断开故障，如果是低压侧故障，短路电流可能达不到母联保护或主变压器后备保护的启动值，使得故障无法及时切除，最终烧毁所用变压器，严重影响变压器的安全运行。
　　3.2 解决办法
　　解决所用变压器保护拒动问题，应从合理配置保护入手，其TA的选择要考虑所用变压器故障时饱和问题，同时，计量用的TA一定要跟保护用的TA分开，保护用的TA装在高压侧，以保证对所用变压器的保护，计量用TA装在所用变压器的低压侧，以提高计量精度。在定值整定方面，电流速断保护可按所用变压器低压出口短路进行整定，过负荷保护按所用变压器容量整定。
　　4 配电变压器保护
　　4.1 10kV配电变压器保护存在的问题
　　10kV配电变压器的保护配置主要有断路器、负荷开关或负荷开关加熔断器等。负荷开关投资省，但不能开断短路电流，很少采用；断路器技术性能好，但设备投资较高，使用复杂，广泛应用不现实；负荷开关加熔断器组合的保护配置方式，既可避免采用操作复杂、价格昂贵的断路器，弥补负荷开关不能开断短路电流的缺点，又可满足实际运行的需要，该配置可作为配电变压器的保护方式。但对于容量比较大的配电变压器，配备有瓦斯继电器，需要断路器可与瓦斯继电器相配合，才能对变压器进行有效的保护，必要时还应有零序保护，这些问题都是值得注意的问题。
　　4.2 解决办法
　　无论在10kV环网供电单元，还是在终端用户高压配电单元中，采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合的保护配置，既可提供额定负荷电流，又可断开短路电流，并具备开合空载变压器的性能，能有效保护配变压器。为此，推荐采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合的配置，作为配电变压器保护的保护方式。标准GB14285《继电保护和安全自动装置技术规程》规定，选择配电变压器的保护设备时，当容量等于或大于800kVA，应选用带继电保护装置的断路器。对于这个规定，可以理解为基于以下两方面的需要。
　　配电变压器容量达到800kVA及以上时，过去大多使用油浸变压器，并配备有瓦斯继电器，使用断路器可与瓦斯继电器相配合，从而对变压器进行有效地保护。
　　对于装置容量大于800kVA的用户，因种种原因引起单相接地故障导致零序保护动作，从而使断路器跳闸，分隔故障，不至于引起变电所的馈线断路器动作，影响其他用户的正常供电。标准还明确规定，即使单台变压器未达到此容量，但如果用户的配电变压器的总容量达到800kVA时，亦要符合此要求。
　　5 线路保护
　　5.1 10kV配电线路保护中存在的问题
　　无论是城市内配网线路，还是农村配网线路，都以10kV电压等级为主，但是10kV配电线路结构特点是一致性差，如有的为用户专线，只带1～2个用户，类似于输电线路；有的呈放射状，几十台变压器T接于同一条线路的各个分支上；有的线路短到几百米，有的线路长到几十千米；有的线路由35kV变电所出线，有的线路由110kV变电所出线；有的线路上的配电变压器容量很小，最大不过100kVA，有的线路上却有几千千伏安的变压器。
　　5.2 解决办法
　　10kV配电线路的保护，一般采用电流速断、过电流及三相一次重合闸构成。特殊线路结构或特殊负荷线路保护，不能满足要求时，可考虑增加其它保护，如保护Ⅱ段、电压闭锁等。进行整定计算的过程中，应该考虑特殊情况和常规情况，并进行灵敏度校验。对于10kV配电线路，保护装置的配置虽然较简单，但由于线路的复杂性和负荷的多变性，常规和特殊情况下，保护定值计算和保护装置的选型还是值得重视的。根据诸城电网保护配置情况及运行经验，利用规范的保护整定计算方法，各种情况均可计算，一般均可满足要求。