大藤峡水电厂发变组差动保护电流互感器选型分析

汪登华，任鹏

（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537200）

1 前言

大藤峡水利枢纽工程是以抵御珠江流域洪涝灾害、提高黔江通航水平和发电为主，涵盖农田灌溉、珍稀鱼类养殖等综合利用的水利工程。电厂安装8台单机容量200 MW的水轮机发电机组，送出220 kV电压等级4回线路到广西电网，主要承担广西电网的发电和调峰任务。

大型发变组差动保护一般采用暂态误差性能较好的TP型电流互感器，但由于TP型电流互感器体积和质量相对较大，且受发电机中性点及机端出线的空间及长度等限制，电流互感器安装布置非常困难。因此，我们对PR型电流互感器进行分析，论证在220 kV电压等级下200 MW的发变组差动保护选用体积较小的PR型电流互感器的可行性，为类似工程设计和设备选型提供参考。

2 TP系列电流互感器的工程应用

发变组外部故障时,出现的短路电流包含衰减较慢的直流及非周期分量，易致电流互感器饱和，特别是当电流互感器励磁电流的非周期分量磁通与剩磁方向相同时，铁心会加速进入饱和工况，引起发变组差动保护判定出错[1]。因此在选用大型发电机组的差动保护电流互感器时要考虑暂态饱和问题的同时还须对电流互感器铁心剩磁做出限制。

TP型电流互感器铁心面积大且带气隙，气隙增大了铁心磁回路磁阻，改善了电流互感器的暂态特性，且有效限制了剩磁，提高了电流互感器对故障电流准确传变性能。因此在选择单机容量150 MW以上、电压等级220 kV及以上电厂的发变组差动保护电流互感器时，基本都选择TP型电流互感器，能防止暂态故障情况下发生的保护拒动或误动。大渡河流域枕头坝一级水电站单机容量180 MW，其发变组差动保护就采用的TPY型电流互感器[3]。

3 选用TP系列电流互感器存在的困难

大藤峡电厂单机容量200 MW，发电机变压器组一次时间常数Tp=235 ms，因暂态时间较长，需考虑回路外部故障时电流互感器铁心暂态饱和问题，如按电流互感器的暂态特性选择TPY系列电流互感器，饱和时间为：

按C-100 ms-0工作循环方式，电流互感器所需暂态面积系数为：

式中，Tp为一次时间常数，从上式可以看出，为满足暂态不饱和，暂态面积系数较大，对应选择的电流互感器体积和质量都很大。受电厂发电机中性点及机端出线的空间及长度因素限制，且考虑散热和屏蔽等要求，现场安装布置非常困难。因此，我们需要寻找一种既能考虑到一定的暂态特性，又能适合现场装配的电流互感器。

4 选用PR型电流互感器的可行性

4.1 选型依据

根据DL/T 866-2015《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》，100～200 MW级发电机变压器组保护用电流互感器宜采用P级，也可采用PR级电流互感器[2]。因此对于电厂单机容量200 MW机组，考虑选择PR级电流互感器是符合规程要求的。

常规5 P（10 P）级电流互感器不考虑暂态饱和及剩磁问题，回路外部故障的暂态期间，发变组差动保护电流互感器极易饱和[3]，故不予考虑。PR型电流互感器因其铁心开有小气隙（气隙宽度由制造厂家计算确定），因此能够有效限制铁心剩磁小于10 %，能最大程度消除剩磁对电流互感器饱和的影响[4]。在暂态饱和方面，由于铁心有小气隙，增大了铁心磁回路磁阻，略有限制铁心暂态饱和深度作用。

4.2 保护装置对电流互感器饱和的闭锁

目前部分发变组保护装置具备判电流互感器饱和闭锁功能，能防止电流互感器铁心饱和所导致的保护装置误动作。当系统短路故障发生时，保护装置先判定是内部故障还是外部故障。当判定为外部故障，进行电流互感器磁通饱和波形判定，根据电流互感器饱和时电流波形判断电流互感器饱和情况，当波形符合饱和特征，闭锁差动保护。

大藤峡电厂发变组保护采用南瑞PCS-985GW型继电保护，该型保护装置有检测电流互感器饱和闭锁功能。由于有了保护装置对电流互感器铁心出现饱和时的闭锁，有效防止了发生外部回路故障导致的电流互感器铁心饱和后造成保护装置误动，降低了发变组差动保护装置对电流互感器暂态特性的要求，选择TP级电流互感器就不再是唯一选择。

5 PR型电流互感器参数选择

5.1 准确限值系数选择

为减少系统故障后电流互感器铁心发生严重饱和，在电流互感器选型中须选取一定暂态系数。一般情况下，100～200 MW机组外部故障的暂态系数要求不小于10[5]。因此，大藤峡电厂在选择电流互感器时，短路电流倍数、误差限值等按照预留2倍的裕度，暂态系数按10倍来校核准确限值系数。

大藤峡电厂发电机Xd"=0.237（饱和值）。按机端三相短路、工作循环取正常故障切除C-100 ms-0，不考虑断路器失灵故障，选取电流互感器参数。

短路电流倍数：

其中：Ign为发电机额定一次电流，ITA为电流互感器额定一次电流，Xd"为发电机次暂态电抗。暂态系数10倍下的准确限值系数：

实际配置按准确限值系数30这个级别选择5PR30型电流互感器，即可满足稳态一次电流在额定电流30倍以下，电流互感器复合误差小于5%要求，符合稳态误差规定。

5.2 电流互感器容量的选择

电流互感器二次负载越大，电流互感器铁心就越容易饱和，提高互感器二次输出容量有利于减少电流互感器铁心饱和的深度。大藤峡电厂发电机差动保护电流互感器二次额定电流按1A设计，互感器到保护装置的距离为40 m，电缆截面是4.0 mm2铜芯，铜的电阻率ρ为1.75×10-8Ω·m2，电流互感器二次连接电缆电阻R=ρL/S=80 m ×1.75×10-8Ω·m2/4 mm2= 0.35 Ω。微机保护装置自身负载约0.5～1.0 Ω,保护的负载加电缆的负载总和不超过2.0 Ω，发变组保护用电流互感器二次负荷不重，Sa=2.0 VA即可满足容量要求。为留有更多容量裕度，按Sn=30 VA选择电流互感器容量。

大藤峡电厂发电机额定电流为8 000 A,选择变比为12 000/1 A的电流互感器。其内阻按90 Ω考虑，则Sin=90 VA。5PR30电 流 互 感 器Kalf.n=30，按电流互感器二次输出容量Sn=30 VA选择，得出实际准确限值系数：Kalf=K×Kalf.n×(Sin+Sn)/(Sin+Sa)=30×120/92=39.1（K为修正系数，本文按K=1计算）。可以看出，增加电流互感器容量裕度后进一步提高了准确限值系数。

6 结束语

综上所述，选择采用5PR30级电流互感器符合相关规程要求，且该型电流互感器具备一定抗直流分量饱和能力，能有效限制铁心剩磁小于10 %，加之保护装置的电流互感器饱和闭锁功能也防止电流互感器饱和引起的误动，因此大藤峡电厂发变组差动保护最终采用5PR30型电流互感器。在电厂出线两次发生相间短路故障期间，发变组差动保护差流在正常范围内，保护装置运行正常，未出现误动。

制造PR级电流互感器技术相对容易，特别是其外形尺寸和P级电流互感器相当，体积远小于TPY型电流互感器，适合在狭窄的发电机中性点处及套管处安装。电压等级220 kV、容量小于200 MW的发电机组，在电流互感器设计、安装不方便时，推荐选择PR型电流互感器。