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電力檢測技術

淺析電流互感變壓器技術要點與選擇

時間：2013-07-30

在繼電保護的實際應用和操作中，存在著一些比較容易被忽視的問題，分析如下：
　　1 線路中勵磁涌流問題
　　1.1 線路中勵磁涌流對繼電保護裝置的影響
　　勵磁涌流是由于變壓器空載投運時，鐵芯中的磁通不能突變，出現非周期分量磁通，使變壓器鐵芯飽和，勵磁電流急劇增大而產生的。變壓器勵磁涌流最大值，可以達到變壓器額定電流的6～8倍，并且跟變壓器的容量大小有關，變壓器容量越小，勵磁涌流倍數越大。勵磁涌流存在很大的非周期分量，并以一定時間系數衰減，衰減的時間常數同樣與變壓器容量大小有關，容量越大，時間常數越大，涌流存在時間越長。10kV線路裝有大量的配電變壓器，在線路投入時，這些配電變壓器是掛在線路上，在合閘瞬間，各變壓器所產生的勵磁涌流在線路上相互迭加、來回反射，產生了一個復雜的電磁暫態過程，在系統阻抗較小時，會出現較大的涌流，時間常數也較大。二段式電流保護中的電流速斷保護，由于要兼顧靈敏度，動作電流值往往取得較小，特別在長線路或系統阻抗大時更明顯。勵磁涌流值可能會大于裝置整定值，使保護誤動。這種情況在線路變壓器個數少、容量小以及系統阻抗大時并不突出，因此容易被忽視，但當線路變壓器個數及容量增大后，就可能出現。貴陽市北供電局就曾經在變電所增容后出現10kV線路由于涌流而無法正常投入的問題。
　　1.2 防止涌流引起誤動的方法
　　勵磁涌流有一明顯的特征，就是它含有大量的二次諧波，在主變壓器主保護中就利用這個特性，來防止勵磁涌流引起保護誤動作，但如果用在10kV線路保護，必須對保護裝置進行改造，會大大增加裝置的復雜性，因此實用性很差。勵磁涌流的另一特征就是它的大小隨時間而衰減，一開始涌流很大，一段時間后涌流衰減為零，流過保護裝置的電流為線路負荷電流，利用涌流這個特點，在電流速斷保護加入一短時間延時，就可以防止勵磁涌流引起的誤動作，這種方法最大優點是不用改造保護裝置(或只作簡單改造)，雖然會增加故障時間，但對于像10kV這種對系統穩定運行影響較小之處還是適用。為了保證可靠地躲過勵磁涌流，保護裝置中加速回路同樣要加入延時。通過幾年的摸索，在10kV線路電流速斷保護及加速回路中加入了0.15～0.2s的時限，就近幾年運行來看，運行安全，并能很好的避免由于線路中勵磁涌流造成保護裝置誤動作。
　　2 TA飽和問題
　　2.1 TA飽和對保護的影響
　　10kV線路出口處短路電流一般都較小，特別是農網中的變電所，往往遠離電源，系統阻抗較大。對于同一線路，出口處短路電流大小會隨著系統規模及運行方式不同而不同。隨著系統規模的不斷擴大，10kV系統短路電流會隨著變大，可以達到TA一次額定電流的幾百倍，系統中原有一些能正常運行的變比小的TA就可能飽和；另一方面，短路故障是一個暫態過程，短路電流中含大量非周期分量，又進一步加速TA飽和。在10kV線路短路時，由于TA飽和，感應到二次側的電流會很小或接近于零，使保護裝置拒動，故障由母聯斷路器或主變壓器后備保護切除，不但延長了故障時間，會使故障范圍擴大，影響供電可靠性，而且嚴重威脅運行設備的安全。
　　2.2 避免TA飽和的方法
　　TA飽和，其實就是TA鐵芯中磁通飽和，而磁通密度與感應電勢成正比，因此，如果TA二次負載阻抗大，在同樣電流情況下，二次回路感應電勢就大，或在同樣的負載阻抗下，二次電流越大，感應電勢就越大，這兩種情況都會使鐵芯中磁通密度大，磁通密度大到一定值時，TA就飽和。TA嚴重飽和時，一次電流全部變成勵磁電流，二次側感應電流為零，流過電流繼電器的電流為零，保護裝置就會拒動。避免TA飽和主要從兩個方面入手，一是在選擇TA時，變比不能選得太小，要考慮線路短路時TA飽和問題，一般10kV線路保護TA變比最好大于300/5。另一方面要盡量減少TA二次負載阻抗，盡量避免保護和計量共用TA，縮短TA二次電纜長度及加大二次電纜截面；對于綜合自動化變電所，10kV線路盡可能選用保護、測控合一的產品，并在控制屏上就地安裝，這樣能有效減小二次回路阻抗，防止TA飽和。
　　3 所用變壓器保護
　　3.1 所用變壓器保護存在的問題
　　所用變壓器是一比較特殊的設備，容量較小但可靠性要求非常高，而且安裝位置也很特殊，一般就接在10kV母線上，其高壓側短路電流等于系統短路電流，可達十幾千安，低壓側出口短路電流也較大。一直對所用變壓器保護的可靠性重視不足，這將對所用變壓器直至整個10kV系統的安全運行造成很大的威脅。傳統的所用變壓器保護使用熔斷器保護，其安全可靠性還是比較高，但隨著系統短路容量的增大，以及綜合自動化的要求提高，這種方式已逐漸滿足不了要求。現在新建或改造的變電所，特別是綜合自動化所，大多配置所用變壓器開關柜，保護配置也跟10kV線路相似，而往往忽視了保護用的TA飽和問題。由于所用變壓器容量小，一次額定電流很小，保護計量共用TA，為確保計量的準確性，設計時TA很小，有的地方甚至選擇10/5。這樣一來，當所用變壓器故障時，TA將嚴重飽和，感應到二次回路電流幾乎為零，使所用變壓器保護裝置拒動。如果是高壓側故障，短路電流足以使母聯保護或主變壓器后備保護動作而斷開故障，如果是低壓側故障，短路電流可能達不到母聯保護或主變壓器后備保護的啟動值，使得故障無法及時切除，最終燒毀所用變壓器，嚴重影響變壓器的安全運行。
　　3.2 解決辦法
　　解決所用變壓器保護拒動問題，應從合理配置保護入手，其TA的選擇要考慮所用變壓器故障時飽和問題，同時，計量用的TA一定要跟保護用的TA分開，保護用的TA裝在高壓側，以保證對所用變壓器的保護，計量用TA裝在所用變壓器的低壓側，以提高計量精度。在定值整定方面，電流速斷保護可按所用變壓器低壓出口短路進行整定，過負荷保護按所用變壓器容量整定。
　　4 配電變壓器保護
　　4.1 10kV配電變壓器保護存在的問題
　　10kV配電變壓器的保護配置主要有斷路器、負荷開關或負荷開關加熔斷器等。負荷開關投資省，但不能開斷短路電流，很少采用；斷路器技術性能好，但設備投資較高，使用復雜，廣泛應用不現實；負荷開關加熔斷器組合的保護配置方式，既可避免采用操作復雜、價格昂貴的斷路器，彌補負荷開關不能開斷短路電流的缺點，又可滿足實際運行的需要，該配置可作為配電變壓器的保護方式。但對于容量比較大的配電變壓器，配備有瓦斯繼電器，需要斷路器可與瓦斯繼電器相配合，才能對變壓器進行有效的保護，必要時還應有零序保護，這些問題都是值得注意的問題。
　　4.2 解決辦法
　　無論在10kV環網供電單元，還是在終端用戶高壓配電單元中，采用負荷開關加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合的保護配置，既可提供額定負荷電流，又可斷開短路電流，并具備開合空載變壓器的性能，能有效保護配變壓器。為此，推薦采用負荷開關加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合的配置，作為配電變壓器保護的保護方式。標準GB14285《繼電保護和安全自動裝置技術規程》規定，選擇配電變壓器的保護設備時，當容量等于或大于800kVA，應選用帶繼電保護裝置的斷路器。對于這個規定，可以理解為基于以下兩方面的需要。
　　配電變壓器容量達到800kVA及以上時，過去大多使用油浸變壓器，并配備有瓦斯繼電器，使用斷路器可與瓦斯繼電器相配合，從而對變壓器進行有效地保護。
　　對于裝置容量大于800kVA的用戶，因種種原因引起單相接地故障導致零序保護動作，從而使斷路器跳閘，分隔故障，不至于引起變電所的饋線斷路器動作，影響其他用戶的正常供電。標準還明確規定，即使單臺變壓器未達到此容量，但如果用戶的配電變壓器的總容量達到800kVA時，亦要符合此要求。
　　5 線路保護
　　5.1 10kV配電線路保護中存在的問題
　　無論是城市內配網線路，還是農村配網線路，都以10kV電壓等級為主，但是10kV配電線路結構特點是一致性差，如有的為用戶專線，只帶1～2個用戶，類似于輸電線路；有的呈放射狀，幾十臺變壓器T接于同一條線路的各個分支上；有的線路短到幾百米，有的線路長到幾十千米；有的線路由35kV變電所出線，有的線路由110kV變電所出線；有的線路上的配電變壓器容量很小，最大不過100kVA，有的線路上卻有幾千千伏安的變壓器。
　　5.2 解決辦法
　　10kV配電線路的保護，一般采用電流速斷、過電流及三相一次重合閘構成。特殊線路結構或特殊負荷線路保護，不能滿足要求時，可考慮增加其它保護，如保護Ⅱ段、電壓閉鎖等。進行整定計算的過程中，應該考慮特殊情況和常規情況，并進行靈敏度校驗。對于10kV配電線路，保護裝置的配置雖然較簡單，但由于線路的復雜性和負荷的多變性，常規和特殊情況下，保護定值計算和保護裝置的選型還是值得重視的。根據諸城電網保護配置情況及運行經驗，利用規范的保護整定計算方法，各種情況均可計算，一般均可滿足要求。