中小型水电站站用变压器保护和高压侧电流互感器配置新思路

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，310014)

1 问题的提出

中小型水电站站用电供电范围一般仅限厂房附件，供电范围小，一般采用0.4kV一级电压供电。中小型水电站发电机机端一般设有发电机断路器，站用电电源采用在主变压器低压侧引接的方式，发电时由机组供给站用电源，停机时能从电力系统倒送站用电。

如某中小型水电站发电机—变压器组合采用单元接线，发电机出口装设断路器，发电机出口电压为10kV。站用电分别从1号和2号主变压器10kV侧取一回电源，通过站用变压器降压到0.4kV后给全站供电。站用变压器高压侧设置10kV断路器，站用变压器额定容量为500kVA，高压侧额定一次电流仅为27.49A。根据该电站短路电流计算结果，站用变压器高压侧短路电流最大可达到45.67kA。

根据《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB/T 14285-2006)的要求，该水电站在设计时，主变压器差动保护采用四侧差动保护，站用变压器配置电流速断和过电流等保护。站用变压器考虑到站用变压器高压侧引出线及内部短路时，不至于启动主变压器保护差动保护动作，扩大事故范围，造成不必要的发电量损失。

而为了满足主变压器差动保护以及站用变压器保护配置的需要，我们需要在站用变压器高压侧配置合适的保护用电流互感器。为使站用变压器高压侧电流互感器在最大短路电流情况下满足复合误差的要求，站用变压器高压侧电流互感器参数初步选择为：1500/5A、10P35。

经查，国内主流保护厂家站用变压器保护装置的过电流保护电流最小整定值一般为0.1In左右，In为电流互感器额定二次电流，该电站In设计为5A，0.1In也就是0.5A。如果该电站站用变压器过流保护用电流互感器变比也选用1500/5A，而站用变压器一次额定电流为27.49A，也就是正常情况下电流互感器的二次侧额定电流仅为0.092A，距离0.5A有一定的差距，将会导致站用变压器过电流保护整定存在困难。

2 站用变压器高压侧电流互感器和保护配置方案

首先选择站用变压器高压侧电流互感器的参数，以满足主变压器差动保护要求。根据规范，电流互感器选择验算应满足其额定准确限值一次电流应大于保护校验故障电流：

Ipn×Kalf>Ipcf

(1)

式中：Ipn——电流互感器的额定一次电流，单位A；

Kalf——保护用电流互感器的准确限值系数；

Ipcf——保护校验故障电流。

保护校验故障电流Ipcf是为保证保护装置正确动作而合理选用的一次故障电流，根据《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》(DL/T 866-2015)的要求，保护校验故障电流应为保护区外短路时流过互感器的最大短路电流，此处选用站用变压器高压侧短路电流45.67kA。

根据《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》(DL/T 866-2015)中的要求，P级及PR级保护用电流互感器应满足复合误差要求的准确限值系数Kalf一般可取5、10、15、20、30和40，必要时，可与制造部门协商，采用更大的Kalf值。经与电流互感器厂家沟通，在该电站站用变压器高压侧电流互感器的Kalf值选为35，Ipn选为1500A，以满足式(1)的要求，并能使主变压器差动保护各侧电流互感器一次额定电流相差不至于太大。

该电站站用变压器保护配置了包括电流速断保护和过电流保护等。根据《厂用电继电保护整定计算导则》(DL/T 1502-2016)的要求，电流速断保护按躲过站用变压器低压侧出口发生三相短路时流过保护的最大短路电流来整定，且要求躲过站用变压器励磁涌流(可取7～12倍变压器二次额定电流)，按变比1500/5A计算，该电站站用变压器电流速断保护整定值为2.82A(二次侧值)，整定不存在困难。根据规范要求，站用变压器过电流保护动作电流按躲过所带负荷需要自启动的电动的最大启动电流之和整定。

Idz=(Kk×Kzq×IN)/(Kfh×nL)

(2)

式中：Kk——可靠系数，取1.2；

Kzq——电动机自启动系数，取3.5；

Kfh——返回系数，取0.9；

IN——站用变额定电流，为27.5A；

nL——电流互感器变比，为1500/5=300。

经计算，Idz=(1.2×3.5×27.5)/(0.9×300)=0.428A。

如果站用变压器过流保护也使用变比为1500/5A的电流互感器，根据式(2)过流保护整定值Idz=0.428A<0.5A，将无法准确整定，或者需要降低保护灵敏度整定。

问题出现后，经分析，提出了如下解决方案：

站用变压器电流速断保护和过流保护采用两个不同的保护装置，电流输入回路分别接入站用变压器高压侧电流互感器的两个二次绕组。电流速断保护采用电流互感器二次绕组变比为1500/5A、10P35。而过电流保护用电流互感器二次绕组变比需要选小才能满足站用变压器保护过电流保护的使用要求。经与电流互感器厂家沟通后，同一只电流互感器可带有不同变比的二次绕组，电流互感器可同时带有3个1500/5A(准确级为10P35)和1个200/5A(准确级为10P20)的二次绕组。站用变压器高压侧部分绕组及引出线的相间短路故障情况下，电流互感器的200/5A、10P20二次绕组可能严重饱和，但此时站用变压器可在电流速断保护的动作下可靠切除。站用变压器过电流保护主要保护变压器低压侧及引线等的相间短路故障，其短路电流相对较小，电流互感器200/5A、10P20的二次绕组不会饱和，可以满足复合误差要求。

配置优化后，在只增加一套站用变压器保护装置的情况下，既能使站用变压器电流速断保护用电流互感器在最大短路电流情况下满足复合误差的要求，不影响保护的准确动作，又能使站用变压器过电流保护合理整定(Idz=3.2A)，不降低保护灵敏度的要求。

最终该水电站站用变压器高压侧配置的电流互感器配置四个二次绕组，其中三个变比为1500/5A，一个变比为200/5A，两个变比为1500/5A的二次绕组用于主变压器双套差动保护，一个变比为1500/5A的二次绕组用于站用变压器电流速断保护，变比为200/5A的二次绕组用于站用变压器过电流保护。这样，该电站站用变压器在高压侧配置10kV真空断路器后，运行方式灵活，维护方便的情况下，站用变压器的保护配置优化后，保护整定合理，能很好地满足电站安全运行的要求。

3 结语

在水电站设计中，站用电源往往取自发电机出口或发电机电压母线，因而站用电分支的短路电流比发电机出口更大，但很多中小型水电站的站用变压器容量通常不大，带来了站用变压器过电流保护整定困难等矛盾，给水电站设计人员带来了困惑。以前类似工程中为解决这个矛盾，采用了高压熔断器来作为站用变压器的保护，但这种方式存在发生事故时熔断器熔断造成检修麻烦且会带来经济损失等缺点。而本文提出的通过采用增加一套站用变压器保护装置，以及站用变压器电流互感器二次绕组采取不同变比的方法，能很好地解决这种矛盾，是一种新的解决思路。这种站用变压器的保护和电流互感器配置方式在该水电站已经投运多年，经实践证明，该配置方式是安全可靠的，达到了预期的效果，这为后续其它类似水电站的相关设计积累了宝贵的经验。