变压器中性点互感器分析及建议.docVIP

关于变压器星形侧中性点电流互感器Ipn和Kalf参数选择的分析及建议 吴聚业 (国电华北电力设计院工程有限公司 北京100011)【摘 要】 本文针对以往工程设计存在的课题，分析了工程中常用的电力变压器星形侧中性点保护用电流互感器额定一次电流Ipn和稳态准确限值系数Kalf的选择方法，并据此提出了Ipn和Kalf的具体数据，供工程设计参照。【关键词】 变压器 中性点 电流互感器关于电力变压器星形侧中性点保护用电流互感器参数的选择，特别是其额定一次电流Ipn和稳态准确限值系数Kalf的确定，一直是工程设计中未彻底解决的问题。一是尚无有关参数选择的明确原则规定；二是因为存在实际设计工作的困难。因而，造成各工程相关参数混乱，有的则不合适。针对此问题，笔者试图对相关的选择方法进行分析，归纳出较为适用的原则和相应参数的建议值，供工程设计参照；并引以同行讨论，以最终得出实用的工程方法，有一明确的结论。以下分几种应用情况讨论。1 低压厂用变压器，380V侧为中性点直接接地系统以 / 接线低压厂用变为例。380V侧 接中性点电流互感器用以构成单相接地(零序电流)保护(图1)。图11) 零序电流保护整定。按以下条件：a) 因380V侧为中性点直接接地系统(TN和TT系统)，该侧可直接提供220V单相电源供照明或电热等单相负荷，因而变压器中性线上会流过不平衡电流，正常运行时零序电流保护应躲过，所以应有： Idzo=KkKbpIeb - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1-1)式中： Idzo 保护动作电流 Ieb 变压器低压侧额定电流 Kbp 不平衡电流系数，一般Kbp0.251 Kk 可靠系数，取Kk=1.2取 Kbp=0.25 Kk=1.2有 Idzo=0.3Ieb - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1-2)b) 与低压电动机相间保护相配合，躲过未单独装设零序电流保护的最大电动机(一般为100kW)1相间保护(兼做接地保护)的动作电流(这是因相间保护定值要躲过电动机起动电流，远远大于电动机单独零序电流保护的整定值)，所以应有： Idzo=KkKphKqdIed - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1-3)式中：Idzo 保护动作电流Ied 电动机额定电流Kqd 电动机起动电流倍数Kph 配合系数Kk 可靠系数取 Kqd=6 Kph=1.1 Kk=1.2有 Idzo=8Ied - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1-4)按厂用电系统常用设备的参数，据(1-2)，(1-4)式计算列表如表1-1。表1-1 零序电流保护动作值Idzo=0.3Ieb低压变容量S(kVA)Ieb(A)Idzo500723217630910273800115634710001445434125018065421600231269420002890867250036131084Idzo=8Ied电动机容量P(kW)IedIdzo7514311441001901520由上表可知，按(1-4)式一般起控制条件作用，在设计初期(如初步设计)，可按此条件估算电流互感器的参数。2) 零序电流互感器LCT的额定一次电流Ipn。按长期持续通过的电流考虑，应满足(1-1),(1-2)式的要求，即可按：Ipn 0.3Ieb - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1-5)为减少电流互感器类型，建议选用： S800kVA Ipn=400AS1600kVA Ipn=750AS2500kVA Ipn=1250A3) 零序电流互感器LCT的准确限值系数Kalf。建议按在灵敏度对应的一次电流之内，电流互感器满足规定误差(10%)要求，即应有： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1-6)式中: 灵敏系数KL=1.3，误差系数KC=1.1按最大可能的Idzo估算，可将式(1-4)，(1-5)代入(1-6)，得： - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1-7)考虑到设计初期阶段的需要，以及国内电流互感器参数的实际情况，可按最严重的能够适应各类变压器的条件估算所需要的Kalf值。按500kVA变压器(Ieb=723A)和100kW电动机(Ied=190A)的最不利组合，按(1-7)式可计算出需要的Kalf的最大值为： 因此，取Kalf10，可满足各类变压器要求，建议电流互感器准确度等级按10P10选择。顺便提及，若按变压器低压侧单相接地电流要求Kalf，按变压器阻抗电压X1=4%计，低压侧出口单相接地电流为(按/ 变压器估算)： 则需，显然偏大，也是不必要的。对 / 变压器，零序阻抗较大，可稍低于此值。总之，电抗互感器的二个主要参数可选为： Ipn0.3Ieb 10P10级至于电流互感器的动、热稳定电流要求，需据变压器参数校验，必要时提高Ipn的数值；若采用变压器套管电流互感器或母线式电流互感器；则无需单独校验。2 高压厂用变压器，3(6，10)kV侧为中性点低阻接地系统以/ / 接线高压厂用工作变压器为例。3(6，10)kV侧中性点经电阻接地。单相接地时，接地电阻回路提供的阻性电流IR为100A1000A。 侧中性点电流互感器用以构成单相接地(零序电流)保护(图2)。我院工程取IR=200A(原多取600A)。图21) 零序电流保护整定目前，尚无标准和规程所规定，建议考虑以下两类条件：a) 零序电流保护在3(6，10)kV侧开关三相不同期或该侧断线时不应误动。因此，保护动作电流应躲过此种工况下由于零序电压存在变压器中性点电位升高在接地电阻R上产生的电流。3(6，10)kV侧单相断线(如A相)时，断线处各序电压和正序电流如下2： 式中： Ua1，Ua2，Ua0 正序、负序、零序电压 Ia1 正序电流 Ea1 电源电势 Z1，Z2，Z0 正序、负序、零序阻抗由上两式可推导出零序电压： - - - - - - - - - - - - - - - - - (2-1)实际工程计算时，若详细计算网络的各序阻抗值是困难的。为简化计，考虑单电源的特点，且故障在变压器出口处，故障时不平衡度更为明显；而/ 接线变压器各序电抗相等(即X1=X2=X0)，由(2-1)式可得： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (2-2)对两相断线，结论同(2-2)式。由上分析，3(6，10)kV侧发生断线时，零序电压为相电压的。所以，零序电流保护动作电流： - - - - - - - - - - - - - - - - (2-3)式中： Ux 相电压 R 接地电阻Kk 可靠系数，取Kk=1.2IRn 系统接地电流值。由接地型式确定之值，如前所述，我院工程设计确定为200A(原有用600A的工程)。b) 零序电流保护动作电流应大于馈线零序电流保护动作电流，以满足配合要求。由于馈线零序电流保护动作电流仅需大于该馈线本身的电容电流，远远小于IRn值，故不为控制条件。所以，应以(2-3)条件整定。2) 零序电流互感器LCT的额定一次电流Ipn。由于此类系统为三相三线值，正常运行零序电流可忽略不计，建议按(2-3)式条件选择Ipn，可使零序电流保护动作电流与电流互感器额定电流一致： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (2-4)按(2-4)式，不同IRn时Ipn值见表2-1。表2-1 零序电流互感器额定一次电流IRn(A)100200400600Ipn(A)401002002503) 零序电流互感器LCT的准确限值系数Kalf。建议在灵敏度对应的一次电流之内，电流互感器满足规定误差(10%)要求，即应有： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (2-5)式中：灵敏系数KL=1.3 误差系数KC=1.1将(2-4)式代入(2-5)式，有： 此外，由于接地电流，即通过LCT的最大电流为IRn。由(2-4)式可知，IRn2.5Ipn，故建议LCT准确度等级按10P10选择；同时亦能满足动、热稳定的要求。总之，电流互感器的二个主要参数可选为： 10P10级3 110kV220kV起/备变高压 接线中性点电流互感器高压侧(110kV，220kV)为大电流接地系统，变压器中性直接接地或经间隙接地，分别装设电流互感器用以构成接地(零序电流和间隙放电零序电流)保护(图3-1)。图3-11) 间隙放电零序电流保护用电流互感器LCT1当变压器不接地运行时(GD断开)，投入间隙(JX)保护。a) 零序电流保护整定根据运行经验，目前间隙参数相应的动作值为3： Idzo=100A - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (3-1)b) 零序电流互感器LCT1的额定一次电流Ipn，因正常运行时间隙回路无电流通过，建议按(3-1)式考虑一定裕度选择Ipn，即： Ipn=KkIdzo=1.2100=120A一般取Ipn=150A - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (3-2)c) 零序电流互感器LCT1的准确限值系数Kalf。建议在灵敏度对应的一次电流之内，电流互感器满足规定误差(10%)要求，即应有： - - Ipn=KkIdzo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (3-3)式中：灵敏系数KL=1.3 误差系数KC=1.1将式(3-1),(3-2)代入式(3-3)，有： 可见，以准确度要求看，选10P10级足可满足要求。总之，电流互感器的二个主要参数可选为： Ipn=150A 10P10间隙击穿时，保护延时0.3s0.5s动作于跳闸，此间通过接地电流，故动稳定应满足要求。2) 零序电流保护用电流互感器LCT2当变压器接地运行时(GD合闸)，该保护投入，同时JX退出运行。此种运行方式下，变压器中性点直接接地，该电压侧发生单相接地时，中性点对地电压为零，但通过变压器支路的接地(零序)电流3IOT。当高压侧(110kV，220kV)发生单相接地时，根据对称分量的复合序网络图2，总零序电流的大小与正序、负序和零序网络的总的综合阻抗值有关；而零序电流的分配只与零序网络的各支路的零序阻抗有关。对电厂的起/备变，由于其容量相对于系统容量很小，因而相应的阻抗值很大，因此，总的接地电流值主要取决于系统侧的各序阻抗，起/备变阻抗的影响可以忽略；但零序电流的分配，即变压器支路的零序电流，则由接于故障点的各支路的零序阻抗大小决定(因各支路零序阻抗的大小可相比)，即按相应支路的分支系数Kfzo分配。可见，计算起/备变提供的零序电流与整个网络的结构和参数有关，这给设计前期工作时带来困难，需依赖电力系统零序电流保护的整定数据。a) 零序电流保护整定由上述分析，高压线路侧(110kV，220kV)发生单相接地时，起/备变按网络零序阻抗序网络图中的分支系数提供零序电流，但不应引起零序保护动作，故其动作电流应与线路零序保护的后备段相配合3，即： Idzo=KkKfzoIdzol - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (3-4)式中：Idzol 出线零序电流后备段(段或段)动作电流Kfzo 分支系数Kk 可靠系数，取Kk=1.1Kfzo的物理概念是流过本支路零序电流占流过相邻线路零序电流的份额，取决于零序网络支路零序电抗。可见，需系统继电保护主管部门决定Idzol和Kfzo之值后，电厂侧才能计算Idzo。b) 零序电流互感器LCT2的额定一次电流Ipn和准确限值系数Kalf由上节所述，由于保护动作电流以及零序电流值均与系统侧网络有关，因此，在设计前期(如初步设计)阶段要确定Ipn的确切合理值缺乏条件。为解决该问题，下面按较严重的条件，并结合工程一般情况分析，以确定一较安全的数值。首先应提及注意，由于发电机变压器组的主变压器为 /接线，工作厂变为/ 接线，因此，起/备变多为全星形 / 接线。众所周知，全星形变压器(三相三柱式)对零序参数来讲，三相零序电流有通路(中性点接地)，但因为三柱式铁芯，而三相磁通同相位，不能在铁芯中形成闭合磁路，须通过绝缘油、变压器外壳，因而磁阻很大，励磁阻抗较小；而且与外加零序电压有关而呈非线性。因此，零序阻抗需按厂家提供的或现场实测的试验数据。当此类全星形变压器设有三角形接线的补偿绕组时，由于补偿绕组中零序电流流通补偿了星形绕组中零序电流的磁势，因而可避免上述零序磁通引起的外壳发热等问题，而且零序阻抗可接近正序阻抗(略小，一般为正序阻抗的80%或更低)4。为便于分析，以下按设有补偿绕组，且认为变压器的零序阻抗为正序阻抗的80%，即X0b=0.8X1b。我院TK工程起/备变为40MVA分裂变，补偿(平衡)绕组容量为13.5MVA，正序电抗X1b1-2=20%，零序电抗X0b=14.6%，约X0b=0.73X1b1-2。第2点，可视起/备变为单电源，按下述方法计算，作为初选数据。考虑最严重情况，按110(220)kV母线侧发生单相接地时的稳态接地电流，电流互感器能够满足规定的误差(10%)，以此来兼顾选择电流互感器的Ipn和Kalf。故障点处零序电压取可能的最大值，由该处零序电压U0为： - - - - - - - (3-5)式中：E 系统综合电势，取E=1.0X1，X2，X0 短路点三序电抗，X1=X2对我国110kV，220kV系统，K=X0/X113，取K=3，有U0的最大值U0m=0.6。因此，变压器向接地点提供的零序电流I0b为： 通过中性线电流互感器的接地电流Idb为： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (3-6)取 X0b=0.8X1b0.15，有： 按上最严重情况，确定Ipn和Kalf的数值，即满足准确度要求；而且因为最严重情况，也能满足动热稳定的条件。即有条件： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (3-7)按常用变压器参数，选择结果如表(3-1)。表3-1 Ipn和Kalf选择表(X1b0.02)起/备变额定容量S(MVA)2031.5405063备注系统侧电压(kV)110220220220220起/备变额定电流Ieb(A)10583105131166电流互感器额定一次电流Ipn(A)Kalf=15(10P15)10075100125150Kalf=20(10P20)756075100125Kalf=30(10P30)60406075100由(3-6)式和表(3-1)，对应Kalf=15，20，30，相应Ipn=，可依此选择Kalf和Ipn。总之，关于此类零序电流互感器Ipn的选择应兼顾互感器准确限值系数Kalf、额定一次电流IPn和二次继电器以及互感器动热稳定的要求。按上述原则，可满足这些方面的要求。最后需注意的是，本节说明的中性点电流互感器的参数选择是针对零序过电流保护使用者而言的，对用于零序差动时，则需再考虑区外故障对Kalf等有关准确特性的要求等；如Kalf应按区外接地故障时的最大接地电流来选择。3) 关于零序过电流保护构成方案上述第2)节中，变压器零序过电流保护用电流互感器采用装设于变压器中性点接地线上的单相电流互感器。这种方式下，在保护区内或区内(以进线断路器为界)发生接地故障时，通过该互感器的接地电流均为该变压器提供的接地电流，因而需要考虑动作值与线路接地保护(零序过电流)相配合(区外故障时)，造成整定配合的困难。如利用变压器进线侧三相电流互感器构成的零序滤过器供零序保护继电器之用(图3-2)，区外(断路器外侧)故障，通过电流互感器的零序电流为变压器提供；区内故障(断路器内侧)则由系统提供。因为变压器零序阻抗远远大于系统零序阻抗，因而后者远远大于前者的零序电流，可仅按躲过高压母线接地变压器供给的零序电流或变压器励磁涌流即可保证区内故障时很高的灵敏度；这样，可不考虑再与线路的接地保护相配合，而仅作为变压器保护的近后备。这将大大简化计算。同时，一般按相间保护选定的电流互感器参数也能满足接地保护的要求。因此，建议采用此种接线方式(图3-2)。a)b) c)图3-2 a) 接线图 b) 区外故障零序网络 c) 区内故障零序网络4 110kV500kV发电机 变压器组主变压器星形侧中性点电流互感器主变压器星形侧(110kV500kV)为大电流接地系统。对110kV和220kV变压器中性点直接接地或经间隙接地，分别装设电流互感器用以构成接地(零序电流和间隙放电零序电流)保护。500kV变压器中性点直接接地，装设电流互感器用以构成接地(零序电流)保护。关于间隙接地保护用电流互感器选择与上述第3节所述相同，不再重复。下面仅说明中性点直接接地时零序电流互感器LCT的参数选择(图4-1)。图4-11) 零序电流保护整定与第3节类似，零序过电流保护动作值应与出线零序过电流保护的后备段相配合： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (4-1)式中： Idzol 出线零序电流后备段(段或段)动作电流 Kfzo 分支系数Kk 可靠系数因此，需要系统继电保护主管部门，根据网络结构和参数确定Idzol和Kfzo后，电厂侧才能计算Idzo。在此数值基础上选择Ipn和Kalf。2) 依据已知Idzo选择互感器额定一次电流Ipn和准确限值系数Kalf。a) Ipn选择。由于此类零序电流互感器正常运行时可视为无电流通过，因此，其额定一次电流并不含有持续长期运行所要求的概念，只是反应相关继电保护整定值选择等一些参数的基准。如选择： Ipn=KIdzo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (4-2)式中： K 选择系数保护二次动作电流Idzo.2为： - - - - - - - - - - - - - - - - - (4-3)式中： ，互感器变比所以有：K=1，Idzo.2=IsnK1，Idzo.2IsnK1，Idzo.2Isn这样，可按选择Idzo.2的设定范围，确定一个K值(一般可选Idzo.2Isn，K1)，即可确定对应的Ipn。b) Kalf选择。对过流保护，建议仍按在保护灵敏度对应的一次电流内互感器能满足准确度的要求(10%)选择。即应有： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (4-4)式中：灵敏系数KL=1.3误差系数KC=1.1将式(4-1)代入(4-4)，有： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (4-5)可见，一般情况下，按K值范围，从准确度方面要求，选10P15级可满足。3) 电流互感器额定一次流IPn和准确限值系数Kalf的估算在设计阶段，往往电力系统资料难以满足进度要求，主变压器零序电流保护的整定值，特别是又要考虑系统和电厂的发展的情况下，很难在设计阶段准确计算。为满足选型要求，建议仍按最严重的工况计算选择，即按110kV500kV母线侧单相接地稳态接地电流，电流互感器能满足规定的误差(10%)，以此兼顾选择电流互感器的Ipn和Kalf；并按短路点零序电压最大值U0m=0.6(对应X0/X1=3)来计算变压器侧提供的零序电流。按上述第3节式(3-6)，通过变压器中性线电流互感器的接地电流Idb为： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (4-6)式中： X1b，X0b 主变压器正序和零序电抗，X1b=X0b应 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (4-7)因此，可按(4-6)式来选择KalfIpn之值，再兼顾选定Kalf和Ipn。按此条件选择亦能满足互感器动热稳定要求。按常用变压器参数，对X1b不同之值，对应的KalfIpn之值如下范围(表4-1)：表4-1 KalfIpn范围变压器正序电抗X1b(%)121313.514(A)15Ieb14Ieb13Ieb13Ieb可见，KalfIpn范围为变压器额定电流Ieb的1315倍；考虑电流互感器的Kalf为15或20，则Ipn的范围为(1.0)Ieb。总之，应统筹考虑Ipn，Kalf以及继电器的整定值范围，可按上述条件规划。汇总 如下： 或20 (10P15或10P20级) (X1b=1214%)X1b和Kalf的最低值对应Ipn的最高值。举例如表4-2(X1b=13.514%，KalfIpn=13Ieb)表4-2 Kalf和Ipn值主变压器额定容量S(MVA)240360360720720主变压器额定电压Ue(kV)242242550242550主变压器额定电流Ieb(A)5738603781719757互感器额定准确限值系数Kalf15/2015/2015/2015/2015/20互感器额定一次电流Ipn(A)500/400750/600400/2501500/1250750/500备 注Ipn=0.87Ieb/0.65Ieb(10P15/1020)5 总 结常用变压器星形侧中性点用于零序电流保护的电流互感器，其额定一次电流Ipn和准确限值系数Kalf的选择结果汇总如表5-1。这些结论可用于设计阶段设备选择。在继电器整定电流范围设定时应与之相适应；按下述选择原则选择时电流互感器也能满足动热稳定的要求。通过本文分析研究，可使长期