某水电站发变组差动保护用 TPY电流互感器暂态性能校核计算

某水电站发变组差动保护用 TPY电流互感器暂态性能校核计算

李双全，曹钢

雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都市 615000

[摘 要] 阐述了继电保护装置可靠动作对其电流互感器抗饱和特性的要求，根据发电机变压器设备、TPY电流互感器厂家参数及水电站电气主接线情况，通过选择各短路点进行电流互感器等效二次极限电势及暂态误差的计算结果来校验，为厂站内继电保护装置的准确性及可靠性提供强大保障。

[关键词] 电流互感器；暂态饱和；校核计算；可靠性

[中图分类号] TM622 [文献标识码] A [文章编号] XXXXXX

^0 前言

当电力系统发生严重短路、过载等故障时，电流互感器铁芯磁通发生饱和，励磁电流会增大并产生非线性传变电流，导致测量误差增大，若超过其允许的误差范围而性能不能满足要求时，导致继保装置误动作，严重时有可能会使电流互感器损坏。因此，在电力系统中正确的选择和配置电流互感器对继保装置的可靠性及系统的正常运行非常重要。某水电站位于四川省甘孜洲雅江县境内，电站装有6台单机额定功率为50万千瓦的机组，是四川电力系统中重要电站之一，本文结合厂家设备参数对此水电站发变组差动保护用TPY电流互感器进行暂态饱和性能校核计算，验证电流互感器配置和选型是否合理，是否满足工程和电力系统运行要求。

1 厂家设备原始参数

1.1 发电机设备参数

额定容量 ：555.6MVA

额定功率 ：500MW

额定电压 ：18kV

额定电流 ：17821.4A

直轴超瞬变电抗 ：0.20

定子绕组电阻

1.2 主变压器设备参数

额定容量 ：558MVA

额定电压 ：550/18kV

阻抗电压 （高-低）：14%

联结组别：YN,d11

负载损耗 ：1078kW

1.3 机端和主变低压侧电流互感器厂家参数

额定电流比 ：25000/1A

额定容量：10VA

二次绕组电阻值

额定二次时间常数

短路电流倍数 ：4.8，对应额定工作循环：C-100ms-O

短路电流倍数 ：1.3，对应额定工作循环：C-100ms-0-800ms-C-100ms-O

1.4 主变高压侧电流互感器厂家参数

额定电流比 ：2000/1A

额定容量：20VA

二次绕组电阻值

额定二次时间常数

短路电流倍数 ：31，对应额定工作循环：C-100ms-0-800ms-C-100ms-O

2 相关参数计算

2.1 额定二次负荷与实际二次负荷

由于导线电抗和微机保护装置负荷电抗比较小，可忽略不计，当仅计及二次负荷电阻时，保护用电流互感器实际二次负荷计算公式为 。发变组差动保护用TPY电流互感器为三相星形接线方式，单相短路故障时，对应继电器阻抗换算系数 ，连接导线阻抗换算系数 ，此时对应负荷电阻值最大，根据南瑞厂家发变组保护屏柜CT二次侧额定电流为1A时，对应CT单相负荷容量为0.15VA，则保护屏柜负荷电阻 。连接导线以500m、 截面铜芯（铜电阻率为1.75 ×10^-8Ω/m）电缆线计： ，接触电阻 取0.1Ω，则单相短路故障时根据上述公式计算 为4.65Ω。电流互感器额定二次负荷计算公式为 ，其中 为额定容量，I为二次侧额定电流，发电机出口和主变低压侧电流互感器额定容量均为10VA，二次侧额定电流均为1A，可计算出二次侧额定负荷 均为10Ω；主变高压侧电流互感器额定容量为20VA，二次侧额定电流为1A，可计算出额定二次侧额定负荷为 为20Ω。

2.2 一次时间常数

以发电机额定容量为基准值，以下带“*”表示为标幺值，发电机一次时间常数 ：

变压器一次时间常数 ：

；

发电机变压器组一次时间常数（以发电机额定容量为基准值）：

系统一次时间常数根据相关规程、导则及厂家资料在本次校核计算中 取0.1s。

2.3 二次时间常数

根据厂家资料额定二次时间常数 分别为2s和1.45s。由于二次回路时间常数与回路总电阻成反比，当实际二次负荷 不同于额定二次负荷 时，实际的二次回路时间常数计算为 ，单相短路故障时实际二次负荷 为4.65Ω，则主变高压侧电流互感器实际的二次回路时间常数为2.414s：发电机出口和主变低压侧电流互感器实际的二次回路时间常数为 为2.081s。

2.4 规定的工作循环及通电时间

对于具有暂态特性的TPY级互感器,考虑到一次短路电流中含有直流分量,一般按工作循环C-t-O和C-

-O- -C- -O来规定其饱和特性。对于单次通电工作循环C-t-O而言，在区外故障由其他主保护动作时，流经电流互感器的故障电流时间t为保护动作故障切除时间或断路器失灵动作故障切除时间，对于双次通电工作循环C- -O- -C- -O而言，在线路单永故障单相重合闸动作情况下 为故障首次切断时间（保护动作时间+断路器跳闸时间）， 重合闸时间（电流互感器无电流时间，一般为800ms），t₂为故障第二次切断时间（保护后加速动作时间+断路器跳闸时间）；根据南瑞厂家发变组保护资料主保护动作时间小于35ms,开关设备厂家资料断路器跳闸时间为50ms左右，取裕度时间为15ms，所以在不考虑断路器失灵情况下，本次校核计算中单次通电工作循环确定为C-100ms-O，双次通电工作循环确定为C-100ms-O-800ms-C-100ms-O。

3 短路点选择与校核条件

如图所示，F1为短路故障点时，发电机差动保护和变压器差动保护用电流互感器应不致暂态饱和，以主变高压侧电流互感器TA1为例，按系统侧线路故障单相重合闸双次通电工作循环情况下进行校验；F2为短路故障点时，发电机差动保护用电流互感器应不致暂态饱和，以主变低压侧电流互感器TA2为例，按断路器动作单次通电工作循环情况下进行校验；F3为故障点时，变压器差动保护用电流互感器应不致暂态饱和，以发电机出口电流互感器TA3为例，按断路器动作单次通电工作循环情况下进行校验。

图1发变组主接线短路点选择图

4 暂态性能校核计算

4.1 不同规定工作循环下的暂态面积系数计算公式^[1]

单次通电工作循环C-100ms-O（式4-1）：

双次通电工作循环C-100ms-O-800ms-C-100ms-O（式4-2）：

4.2 二次极限等效电势和暂态误差计算公式^[1]

额定等效二次极限电势（式4-3）：

：短路电流倍数；

：额定暂态面积系数；

：电流互感器二次额定电流；

：电流互感器二次绕组电阻；

：电流互感器二次额定负荷。

根据保护要求的实际等效二次极限电势（式4-4）：

：保护校验系数；

：实际暂态面积系数；

：电流互感器实际二次负荷。

实际暂态误差（式4-5）：

：实际暂态面积系数；

：实际二次时间常数。

4.3 主变高压侧电流互感器AT1校核计算

F1为故障点时,流过AT1的短路电流由发变组提供，短路电流标幺值（以发电额定容量为基准）为 ，可算得 为2.95，保护校验系数 ，可计算得 为26.29。额定双次通电工作循环C-100ms-O-800ms-C-100ms-O情况下，一次时间常数为发电机变压器组一次时间常数 ，二次时间常数 为1.45s，根据式4-2计算出额定暂态面积系数 为0.167，根据厂家资料短路电流倍数 确定为31，根据式4-3计算额定等效二次极限电势 为47855.88V。

实际双次通电工作循环C-100ms-O-800ms-C-100ms-O情况下，一次时间常数为发电机变压器组一次时间常数 ，实际二次时间常数 为2.414s，根据式4-2计算实际暂态面积系数 为44.597，根据式4-4计算实际等效二次极限电势 为27063.78V，由此可得到实际等效二次极限电势小于额定等效二次极限电势，根据式4-5计算实际暂态误差 为5.88%<10%，符合要求。

4.4 主变低压侧电流互感器TA2校核计算

F2为故障点时,流过TA2的短路电流由机组提供，短路电流标幺值（以发电额定容量为基准）为 ，可计算出 为5，保护校验系数 ，可得 为3.56。额定单次通电工作循环C-100ms-O，一次时间常数是电机一次时间常数 为0.364s，二次时间常数 为2s，根据式4-1计算额定暂态面积系数 为27.75，短路电流倍数为4.8，根据式4-3计算额定等效二次极限电势 为18248.40V。实际单次通电工作循环C-100ms-O情况下，一次时间常数是发电机一次时间常数 为0.364s，实际二次时间常数 为2.081s，根据式4-1计算出实际暂态面积系数 为26.714，根据式4-4计算实际等效二次极限电势 为12520.16V。由此可得到实际等效二次极限电势小于额定等效二次极限电势，计算实际暂态误差 为4.08%<10%，符合要求。

额定双次通电工作循环情况100ms-O-800ms-C-100ms-O：一次时间常数是发电机变压器组一次时间常数 为0.364s，二次时间常数 为2s，根据式4-2计算额定暂态面积系数 为44.475，根据厂家资料短路电流倍数为

为1.3，根据式4-3计算额定等效二次极限电势 为7921.00V。实际双次通电工作循环情况下C-100ms-O-800m-C-100ms-O：一次时间常数为发电机变压器组一次时间常数 为0.364s，实际二次时间常数 为2.081s，此时为主变高压侧外部短路，低压侧电流为高压侧电流的0.58倍，故保护校验系数 ，可计算出 为1.22，根据式4-2计算出实际暂态面积系数 为43.062，根据式4-4计算实际等效二次极限电势 为6916.32V。由此可得到实际等效二次极限电势小于额定等效二次极限电势，根据式4-5计算暂态误差 为6.59%<10%，符合要求。

4.5 发电机出口电流互感器TA3校核计算

F3为故障点时,流过TA3的短路电流由系统提供，短路电流标幺值为 ，可计算得到 为6.94（系统阻抗非常小，本次校核近似取0.005）,保护校验系数 ，计算出 为4.95。额定单次通电工作循环C-100ms-O情况下，一次时间常数为系统一次时间常数 为0.1s，二次时间常数 为2s，根据式4-1计算出额定暂态面积系数 ，短路电流倍数为4.8，根据式4-3计算额定等效二次极限电势 为13336.79V。实际单次通电工作循环C-100ms-O情况下，一次时间常数为系统一次时间常数 为0.1s，实际二次时间常数 为2.081s，根据式4-1计算出实际暂态面积系数 为20.303，根据式4-4实际等效二次极限电势 为13230.81V。由此可得到实际等效二次极限电势小于额定等效二次极限电势，根据式4-5计算暂态误差 为3.11%<10%，满足要求。

额定双次通电工作循环情况C-100ms-O-800ms-C-100ms-O下，一次时间常数为发电机变压器组一次时间常数 ，二次时间常数 为2s，根据式4-2计算出额定暂态面积系数 ，短路电流倍数为 ，根据式4-3额定等效二次极限电势 计算得7921.00V。实际双次通电工作循环C-100ms-O-800ms-C-100ms-O：一次时间常数为发电机变压器组一次时间常数 ，实际二次时间常数 为2.081s，此时为主变高压侧外部短路，低压侧电流为高压侧的0.58倍，计算保护校验系数 为1.22，实际暂态面积系数 为43.062，根据式4-4实际等效二次极限电势 计算得6916.32V。由此可得到实际等效二次极限电势小于额定等效二次极限电势，根据式4-5计算实际暂态误差 为6.59%<10%，符合要求。

5 结语

本文根据发电机变压器设备、TPY电流互感器厂家参数及水电站电气主接线情况，分别选择各短路点进行等效二次极限电势及暂态误差的计算来校验，当电流互感器实际等效二次极限电动势小于或等于额定二次极限电动势且暂态误差又不超过规定值时，则电流互感器技术参数满足工程要求，本文的详细计算过程对电流互感器选型计算具有一定的借鉴意义，其计算结果为继电保护装置正常运行及可靠动作提供强大保障。

[参 考 文 献]

[1] DL/T 866-2015 电流互感器和电压互感器选择及计算规程[S].北京；中国计划出版社，2015.

[作者简介]

李双全（1993-），2017年毕业于三峡大学，现从事水力发电厂继电保护专业，本科，电力工程助理工程师。

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