大型发电机变压器组保护用电流互感器选型及其应用研究

洪德全

（东莞中电第二热电有限公司）

摘 要：大型发电机变压器组保护用电流互感器的选型对发电机变压器组的安全稳定运行具有十分重要的作用和意义，对大型发电机变压器组保护用电流互感器使用的现状以及存在的问题进行了阐述，提出了电流互感器选型的原则与相关技术参数计算方法，以期为电流互感器的选型提供一定的借鉴。

关键词：大型发电机变压器组；电流互感器；问题；选型

1引言

大型发电机变压器组保护用电流互感器的选择对于大型发电机变压器组的正常、稳定与安全运行具有十分重要的意义。电流互感器选型最为关键的因素是电流互感器的暂态问题，目前大型发电机变压器组低压侧保护使用到的电流互感器一般包括国家标准或者是IEC标准选用的5P20或者是10P20级的电压互感器。此外也有按美国标准的以C-800为代表的电流互感器。当选择5P20或者10P20型的电流互感器时，当其准确限值系数为20时，电流互感器的综合误差较小不会超过5%。互感时的二次负荷一般为50W，该环节没有涉及互感器的暂态问题。C类的电流互感器是在美国标准下规定的具有较低漏磁的互感器，该标准中要求互感器在20倍以上的额定电流的情况下变比误差在10%以内，在C800型的电流互感器在额定电流20倍的负荷下其二次端子的额定电压为800V，负荷为8欧姆其负荷值与我国200W的标准一致，这是目前美国电流互感器标准中容量最大的互感器型号。该型互感器没有考虑电流互感器的暂态问题，是通过增大电流互感器的容量在有效的克服暂态的影响。电流互感器是发电机变压器组的差动保护装置的组成部分，对于发电机两侧的互感器有一定的要求，需要两侧的电流互感器不仅要型号匹配还要负荷匹配，但是在实际情况下却很难做到这一点。有些科研人员通过在发电机的低压侧采用TPY型的传感器来使得两侧的互感器匹配，但是两侧参数计算与选择较为复杂，加之改造后的电压和电流互感器的重量和体积都比较大，因而没有得到普遍的应用。

2大型发电机变压器组保护用电流互感器选型存在的问题

2.1暂态饱和

在大型的发电机变压器回路发生故障时，往往会出现时间参数过大的现象，约为200ms到300ms之间。如果在这个时候短路的电流出现了非周期性的分量的时候，就会造成电流互感器的铁芯出现严重的饱和，这种现象称为暂态饱和。为了避免出现这种情况需要增加互感器中铁芯的面积。在我国电力系统中TPY型的电流互感器已经得到了非常普遍的应用。且有效的消除了暂态的影响。一般500kv的电力系统一次侧的时间常数约为100ms作用，互感器暂态的面积系数小于20，在欧洲一些国家也曾用TPY型的互感器来避免暂态的影响，尤其是对于暂态问题比较严重的大型机组，不能够忽视互感器的暂态饱和问题。由于大型机组的外部稳态短路电流较小，这十分有利于选择电流互感器，通常情况下大型发电机组的暂态的阻抗约为20%，大型发电机组升压变压器的短路阻抗约为14%，发电机组外部的短路电流约为其额定电流的3倍。如果在发电机出口处存在断路器那么考虑到发电机出口的短路，那么通过发电机或者是变压器的短路电流就会达到额定电流的5-7倍。如果要选择的电流互感器的额定电流稍微大于机组的额定电流，那么短路电流就约为电流互感器额定电流的3-5倍左右。而目前市场所具有型号的电流互感器均无法达到该标准。

2.2剩磁影响

在电流互感器发生严重饱和的情况下，都会有剩磁的存在，剩磁一般都在80%的水平以下，其分布是随机的。在互感器正常运行的情况下，互感器的磁通密度发生变化的幅度较小，且难以有效的消除。并且剩磁的存在加剧了互感器的饱和，且在当前的技术条件下难以实现对剩磁的有效控制，差动保护可以使得发电机变压器组两侧的互感器特性完全一致，但是由于剩磁的存在一般还会造成一定程度的差流。

2.3两侧互感器特性难以匹配

在机组的高压侧一般选择的是TPY型的电流互感器，而在低压侧一般选用的是5P20或者是C-800，这使得机组高压和低压侧的电流互感器的特性难以实现有效的匹配，这给机组实现有效的差动保护带来了很大的困难。

2.4难以与新型的继电保护装置匹配

很多相关领域的专家学者对发电机内部的故障进行了深入的研究，并在此基础上开发了很多新型的继电保护装置，这对于大型发电机组的安全、稳定运行是十分必要的，但是这些继电保护装置能够正常工作的前提是故障电流能够准确的传递，而当前所选择的电流互感器则很难实现这一基本的要求。

3电流互感器选型原则

电流互感器的选型要根据电流互感器的選择与计算导则，导则中充分考虑到了各种情况，对于300MW到600MW之间的大型发电机组在选择电流互感器的过程中必须要考虑电流互感器的暂态特性，因而一般选择TPY型的电流互感器。这种互感器的剩磁系数一般小于10%，并且稳态短路电流倍数以及暂态面积系数都能够满足实际的需求，从而能够有效的解决由于非周期短路电流分量以及剩磁所导致的互感器暂态饱和的问题。有些学者采用饱和特性以及制动特性和相位比较等来预防勿动，但是这些措施在很大程度上牺牲了系统的灵敏度，因而存在一定的局限性。通过采用TPY型的互感器，并通过结合发电机组实际的工作情况来确定相关的技术参数，虽然在重量和体积上有一定的增大，但是基本还是可以接受的。对于200MW以下的发电机组，相应的电流互感器应降低相应的标准和需求，可以采用5P或者是5PR型的电流互感器。通过稳态限值来为暂态留下一定的裕度，且通过实际的计算发现即使是选择5P20型的电流互感器也能够满足要求，但是必须要采取一定的措施来减缓暂态饱和的影响，考虑到剩磁最好选择PR型的电流互感器将剩磁系数控制在10%以下。

4互感器选型中的参数计算

在计算的过程中需要考虑留有一定的裕度，假设故障清除的时间为100ms，断路器失灵的故障由于极少发生故而不考虑在内，作为电流互感器选型的条件，根据对电流互感器的变比、稳态短路电流倍数、一次与二次时间常数、暂态面积系数、暂态总倍数、暂态误差以及短路热电联和额定负荷以及二次绕组的计算，可以得到如下表所示的建议的电流互感器参数如表1所示，其中s为互感器容量，k为互感器变比，kssc为稳态短路电流倍数， ，

和为一次二次时间常数，ktd为暂态面积系数，kssektd为暂态总倍数， 为暂态误差，Ith为短路热电流，SzN为额定负荷，Rct为二次绕组。且根据表1中所建议的参数结合大型的发电机组的实际情况来对TPY型号的电流互感器进行了研制，并且对TPY型传感器进行了测试工作，实践证明TPY型的电流互感器技术参数和指标符合表1中所规定的各项参数指标的要求。

结语

通过对大型发电机变压器组保护用电流互感器应用现状、存在问题的深入研究，提出了电流互感器选择的原则需要考虑到互感器的暂态特性、符合以及剩磁因素，并且结合目前市面上所具有的几种电流互感器对其中的重要的技术指标参数进行了计算，提出了电流互感器建议的各项参数指标，并以该参数指标为基础对TPY型的电流传感器进行了设计和研发，且进行了相应的测试，TPY测试的各项参数指标结果均满足相应的需求。

参考文献

[1] 袁季修，盛和乐，秦应力，沙玉洲，安作平，冀有党，陶惠良，李和，何赞峰.中压系统保护用电流互感器参数选择方法[J]. 电力自动化设备. 2007（02）.

[2] 袁季修，卓乐友，盛和乐，吴聚业，李京.保护用电流互感器应用的若干问题——《电流互感器和电压互感器选择和计算导则》简介[J]. 电力自动化设备. 2003（08）.