保护用电流互感器在低压配电系统中的选型方案

保护用电流互感器在低压配电系统中的选型方案保护用电流互感器在低压配电系统中的选型方案 何艳 1白怡明1 杨广亮2 1 中煤国际工程集团沈阳设计研究院 沈阳 110000 2 杨广亮 江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏 江阴 214405 摘摘 要要 分析电流互感器的原理 介绍了保护用电流互感器的种类 分析 其特点 结合工程实例分析 谈谈对保护用电流互感器的选用 关键词关键词 低压配电系统 保护用电流互感器 工作原理 种类 特性 特性 曲线 选型 1 1 引言引言 随着我国电力系统不断完善和发展 低压配电系统的自动化程度不 断提高 测量 计量用均形成自动化 而用户对自身用电设备的暂态和 稳态保护意识越来越强 为此保护用电流互感器已被广泛地应用于电力 保护装置之中 2 2 电流互感器工作原理电流互感器工作原理 保护用电流互感器的工作原理与测量用电流互感器的工作原理较为 类似 工作原理如图 1 所示 电流互感器的一次绕组串联在被测线路中 I1 为线路电流即电流互感器的一次电流 N1 为电流互感器的一次匝数 I2 电流互感器二次电流 通常为 5A 1A N2 为电流互感器的二次匝 数 Z2e 为二次回路设备及连接导线阻抗 当一次电流从电流互感器 P1 端流进 P2 端出 在二次 Z2e 接通的情况下 由电磁感应原理 电流互 感器二次绕组有电流 I2 从 S1 流过 经 Z2e 至 S2 形成闭合回路 由此 可得电流在理想状态下 I1 N1 I2 N2 所以有 I1 I2 N1 N2 K K 为电 流互感器的变比 图 1 3 3 保护用电流互感器的分类保护用电流互感器的分类 保护用电流互感器分暂态 TP 类 和稳态 P 类 条件保护 TP 类 电流互感器是考虑暂态条件的保护用电流互感器 一般 P 类保护用电流 互感器仅考虑在稳态短路电流情况下保证具有规定的准确性 在具有非 周期分量的暂态条件下则可能饱和而使误差远超过允许值 TP 类保护用 电流互感器则要求在规定工作循环的暂态条件下保证规定的准确性 3 13 1 TPTP 类电流互感器分以下级别并定义如下 类电流互感器分以下级别并定义如下 TPS 级 铁心闭合 低漏磁电流互感器 其性能由二次励磁特性 和匝数比误差限值规定 对剩磁无规定 TPX 级 铁心闭合 准确限值规定为在指定的暂态工作循环中的 峰值瞬时误差 对剩磁无规定 其二次时间常数在数秒以上 TPY 级 小气隙铁心 准确限值规定为在指定的暂态工作循环中 的峰值瞬时误差 剩磁不超过饱和磁通的 10 其二次时间常数 在数百毫秒至 1 秒左右 TPZ 级 大气隙铁心 准确限值规定为在指定的二次时间常数下 具有最大直流偏移的单次通电时的峰值瞬时交流分量误差 ac 无 直流分量误差限值要求 剩磁通实际上可以忽略 其二次时间常数在 60 100 毫秒左右 TPS 级电流互感器的误差限值见表 1 TPS 级电流互感器的性能与 P 类互感器中的 PX 级电流互感器相当 误差限值条件由匝数比和励磁特性 确定 匝数比 Kn误差应不超过 0 25 励磁特性的二次极限电动势 Eal不低于规定值 此电动势幅值增大 10 时致使相应励磁电流增大不超过 100 当客户有规定时 在励磁极 限二次电动势下测得的励磁电流峰值应不超过规定值 如果未指定限值 则励磁电流应不超过折算到二次侧 Ith的 10 对于 TPS 由用户规定额定 等效二次极限电动势 通常表示如下 Eal KsKssc Rct Rb Isn其中 Ks为 客户给定的暂态系数 Rct由制造厂的设计确定 但在有些使用条件下 为了与其他设备相配合 可由客户提出其限值 TPX 级 TPY 级 TPZ 级电流互感器的误差限值表 1 P 类电流互感 器的误差限值条件由复合误差规定 TP 类电流互感器在暂态情况下的误 差限值条件则由瞬时误差规定 这是由于引起互感器误差的励磁电流在 暂态情况下一般不是周期分量 只能用瞬时电流描述 主要技术参数见 表 2 表表 1 1 TPTP 类电流互感器误差限值类电流互感器误差限值 在额定一次电流下在准确限值条件下 相位差级别比值差 mincard 最大峰值瞬时误差 TPX 0 5 30 0 9 10 TPY 1 60 1 8 10 TPZ 1180 185 3 0 6 ac 10 表表 2 2 TPTP 类电流互感器规范内容类电流互感器规范内容 电流互感器的级别TPSTPXTPYTPZ说明 额定一次电流 Ipn 额定二次电流 Ips 额定频率 f 设备最高电压和额定绝缘 水平 额定短时热电流 Ith 额定动稳定电流 Idyn 规范采用的电流比 Kn 额定对称短路电流倍数 Kssc 规定的一次时间常数 Tp 工作循环 单 t 双 t tfr t 额定二次负荷电阻 Rbn 用户规定的暂态系数 Ks 由用户提出的规范 互感器二次绕组电阻 Rct 校正至 由制造部门提供的 补充规范 额定暂态面积系数 Ktd 额定二次时间常数 Tsn 适用 不适用 注 1 当客户希望获得新设备与现有设备兼容时 在相配合的技术 规范中可规定某些参数的限值 例如 Ts或 Rct 但必须承认不同设计之 间可能有些差别 注 2 技术规范包括补充规范 应在产品铭牌上标明 以便用户进 行性能校验 3 2TP3 2TP 类电流互感器的应用特点类电流互感器的应用特点 1 TPS 级和 TPX 级电流互感器 TPS 级电流互感器除了是低漏磁 型外 还要求严格控制匝数比 适用于根据简单环流原理和采用高阻抗 继电器的差动保护系统 由于对剩磁不限制 保护继电器的励磁使用极 限 通常由试验和现场经验得出的经验公式确定 若在电流互感器已严 重饱和时切断一次电流 将使得二次回路中的电流随同磁通由饱和状态 快速降低到剩磁水平 保护继电器的复归时间 通常不明显受 TPS 电流 互感器衰减特性的影响 适用于对复归时间要求严格的断路器失灵保护 电流检测元件 TPX 级电流互感器的基本特性一般与 TPS 级相似 只是对误差限值 的规定不同 对于 TPS 和 TPX 级电流互感器 在 t tmax和 Tp Ts情况 下的 C t O 工作循环中 暂态面积系数计算公式可简化为 Ktd 2 fTp 1 错误 未找到引用源 错误 未找到引用源 1 C t O tfr C t O 工作循环的暂态面积系数公式可简化为 Ktd Tp 1 错误 未找到引用源 错误 未找到引用源 sin t 错误 未找到错误 未找到 引用源 引用源 Tp 1 错误 未找到引用源 错误 未找到引用源 1 由于这类电流互感器二次时间常数 Ts较大 在重合闸断电时间 tfr 铁心磁通衰减很有限 两次通电循环的 Ktd值很大 故 TPS 和 TPX 互感器 不适用于线路重合闸情况 2 TPY 级电流互感器 TPY 级电流互感器控制剩磁不大于饱和磁通 的 10 有利于 C O C O 工作循环的准确限值 适用于采用重合闸的线 路保护 在从饱和到剩磁状态的转换期间 与相同尺寸和相同二次外接 负荷的 TPS 级或 TPX 级电流互感器相比 由于磁阻 储能 以及磁通变 化量的不同 因而二次回路的电流值较高且持续时间较长 不宜用断路 器失灵保护 对于 TPY 级电流互感器 额定暂态面积系数 Ktd可按公式进行计算 工作循环有关参数可根据电力系统实际情况确定 但二次回路时间常数 Ts变化范围较大 通常是由制造设计优化确定的 制造厂应提供额定二 次负荷下的 Ts值 应用时可根据实际二次负荷进行修正 3 TPZ 级电流互感器 对于 TPZ 级电流互感器 剩磁可忽略不计 严重饱和后衰减的二次电流在最初阶段 继电器返回时 比相应的 TPY 级保持更高数值 这类互感器适用于仅反应交流分量的保护 许多继电 器将被测量经过输入电流 电压传感器转换后处理 因此 仅二次电流的 交流分量有意义 由于不保证低频分量误差及励磁阻抗低 此类互感器 一般不推荐用于主设备保护和断路器失灵保护 3 33 3 P P 和和 PRPR 类电流互感器的准确特性类电流互感器的准确特性 P 类电流互感器是 IEC 标准和我国国家标准 GB1208 2006 规定的保 护用电流互感器 现已在我国广泛应用 由于 P 类互感器的铁心是闭合 的 在严重短路后可能残留有剩磁 将严重影响互感器的性能 故 IEC 关于电流互感器标准的修改单规定了 PR 类电流互感器 规定该类电流互 感器的剩磁系数小于 10 P 类及 PR 类电流互感器的准确级在额定准确限值一次电流下的最大 允许复合误差的百分值标称 标准准确级为 5P 10P 5PR 10PR 电 流互感器在额定频率及额定负荷下 电流误差 相位误差和复合误差不 超过下表 3 所列限值 表表 3 3 P P 类及类及 PRPR 类电流互感器误差限值类电流互感器误差限值 在额定一次电流下在准确限值条件下 相位差准确级 电流误差 mincard 复合误差 5P 5PR 1 60 1 85 10P 10PR 3 10 对于 PR 电流互感器 有些情况下应规定二次时间常数 Ts值以限制 复合误差 发电机和变压器主回路 220kV 及以上电压线路宜采用复合误差较 小 波形畸变较小 的 5P 或 5PR 级电流互感器 其他回路可采用 10P 或 10PR 级电流互感器 3 43 4 PXPX 类电流互感器的准确特性类电流互感器的准确特性 PX 类电流互感器是 IEC 标准新定义的一种电流互感器 其性能与英 国标准规定的 X 类互感器相当 PX 类电流互感器用于 5P 和 10P 的准确 限值不适应的特殊场合 例如对互感器变比和励磁特性有严格要求的高 阻抗母线保护 励磁特性是电流互感器二次端子上正弦波电动势方均根 值与所加励磁电流的方均根值的相互关系 此时互感器的一次绕组和其 他绕组均开路 如下图 2 图 2 PX 级互感器必须是低漏磁型 其性能可由以下规范确定 额定一次电流 Ipn 额定二次电流 Isn 额定匝数比 匝数比误差不应超过 0 25 额定拐点电动势 Ek 额定拐点电动势的最大励磁电流 Ie 在温度为 75 时二次绕组最大电阻 Rct 额定负荷电阻 Rbn 计算 尺寸 系数 Kx 额定拐点电动势定义为电流互感器所有其他端子均开路时 施加于 二次端子上的额定频率正弦波电动势最小方均根值 当此值增加 10 时 其励磁电流方均根值增加至但不大于 50 额定拐点电动势可用以下公 式表示 Ek Kx Rct Rbn Isn 3 53 5 常见保护用电流互感器的型号规格常见保护用电流互感器的型号规格 保护用电流互感器就是为保护用继电器提供电流的电流互感器器 与电流继电器等类似电器配套使用 主要用于低压配电系统电流过载保 护和短路保护 主要准确级有 5P 10P 5 10 表示复合误差 5 10 准确限值系数又叫限值系数 它是额定准确限值一次电流 此 时符合误差不超过 5 10 与额定一次电流的比值 准确限值系数有 5 10 15 20 以江苏安科瑞 AKH 0 66 P 系列保护型电流互感器为例 具体型号与规格见表 4 表表 4 4 保护用电流互感器的型号规格保护用电流互感器的型号规格 电流互感器型号输入 输出主要特点主要规格 AKH 0 66 P 双 M8 系列 输入 3 100A 输出 0 5A 0 1A 配合 100A 及以下保 护 10P10 P 双 M8 AKH 0 66 P M8 系 列 输入 150 400A 输出 0 5A 0 1A 主要使用在核电项目 小空间柜体中使用 10P10 P M8 AKH 0 66 P III 系 列 输入 250 6300A 输出 0 5A 0 1A 主要用于柜体空间较 小的大电流场合 5P10 10P10 10P15 P 50III P 60III P 80III P 100III P 120III P 130III AKH 0 66 P II 系列 输入 200 6300A 输出 0 5A 0 1A 一般用于如电厂等高 要求 大电流场合 5P10 5P15 5P20 P 60 50 P 80 50 P 100 50 P 120 50 P 180 50 P 220 50 P 220 165 P 280 90 图 3 AKH 0 66 P 系列保护型电流互感器外形图 3 63 6 保护用电流互感器在低压配电系统中的问题及应用实例保护用电流互感器在低压配电系统中的问题及应用实例 保护电流互感器在低压配电系统中 准确级以及准确限值系数的选 择是用户经常碰到的问题 2003 年河北某工厂 由于新厂房扩建 在新厂房 1500 米附近安装 了一台 250KVA 10 0 4kV 配变 与主变距离 2500 米 因负荷较小 额定电流 80A 当时为了考虑计量准确 使互感器额定一次电流与 最大负荷电流相接近 将电流互感器比选择 100 5A 同时保护用电流互 感器选择 100 5A 10P10 在施工下水道时 将电缆挖断 造成工厂附 近大面积停电 经电网参数计算得 主变短路电抗为 X1 0 07 配变短路电抗 为 X2 0 5 短路点前短路电抗为 X3 0 4 计算电抗 X X1 X2 X3 0 97 相短路时 TA 流经次暂态短路电流周期分量有效值 为 I 1 X 5 5 5 67 kA 此时短路电流是额定电流的 56 7 倍 远远大于准确限值系数 10 同时复合误差超过 10 时 影响继 电器动作 应该选择 500 5A 10P15 3 73 7 电流互感器使用过程中的注意事项电流互感器使用过程中的注意事项 电流互感器在接线时 同名端必须要保持一致 即 P1 S1 P2 S2