换流站500kV站用变保护配置方案

1、换流站500kV站用变保护用电流互感器配置方案1. 前言500kV站用变压器的可靠性直接影响直流输电系统的安全运行，站用电丢失将导致换流站双极停运事故。站用变保护配置是否合理直接影响站用变保护的正确动作。由于换流站内500kV站用变压器具有额定电压高，额定容量小的特点，不能照搬普通500kV变压器的保护配置方案，并且越来越多的换流站采用500kV站用变压器的供电方案。因此，有必要对其保护配置进行研究，以规范换流站内500kV站用变的设计思路。本课题将通过分析500kV站用变压器的特点，选择合理的电流互感器，从而制定出不同接线方式下500kV站用变的典型配置方案，并对通过计算来校验选择的电流互感

2、器参数是否合理。3. 500kV站用变保护配置设计过程中遇到的问题在换流站中，站用电负荷大约10MVA左右，按照此容量，站用变500kV侧一次额定电流约为：，站用变低压侧一次额定电流约为：。若仅仅采用按负荷电流的大小确定保护级电流互感器的变比，对于500kV侧电流互感器，选择20/1A就足够了。但500kV系统短路电流水平较高(约60kA)，为满足500kV系统的短路水平，还必须考虑保护安装处可能出现的最大短路电流和互感器的负载能力与饱和倍数来确定电流互感器的变比。因此，再按20/1A选择就不能满足要求了。考虑500kV系统短路电流水平，按60kA短路电流，电流互感器准确限值系数按40选择（目

3、前多数厂家均按此设计，有个别厂家准确限值系数可做到80），其变比一般应大于1500/1A，对于普通500kV变压器，500kV侧一次额定电流一般在20004000A很容易满足此要求。对于500kV站用变压器，一次额定电流仅10A左右，若500kV侧电流互感器按1500/1A变比选择，10kV侧电流互感器按800/1A变比选择可能会产生如下问题：1）由于保护装置差流调整范围的限制，500kV变压器常规的保护配置难以适应这种运行工况的变压器。下面通过计算来说明相关问题：计算差动保护装置的平衡系数(仅以双圈变为例来说明，三圈变类似)：站用变500kV侧折算到二次额定电流为：；站用变低压侧折算到二次侧

4、额定电流为：A；计算差动保护装置的各侧的平衡系数：，平衡系数的计算方法为，若变压器各侧二次额定电流最大值与最小值的电流比值大于4，则取放大倍数最大的一侧平衡系数为4，其它侧根据电流比依次减小。但是为保证装置的精度，装置所能接受的最小平衡系数为0.25，既是说要保证差动保护的精度，变压器各侧的电流平衡系数的调整范围最大范围为4/0.25=16倍。但是，换流站的500kV站用变高、低压侧的电流差远远大于16倍，其电流差为/94倍。就此问题我们也咨询过各个国内主要保护生产厂家如南瑞继保、南自、四方等，各个厂家也表示可以适当的放大平衡系数的调节范围，均认为最大不超过32倍为宜。因此，常规的差动保护装置

5、无法满足特高压换流站站用变保护要求。2）由于电流互感器变比过大，造成二次电流过小，不利于电流互感器二次回路和继电保护装置的运行监视，以致电流互感器二次断线检测困难等。国内各保护生产厂家的后备保护电流启动元件整定值均设最小值一般为(CT二次侧额定电流为1A时)左右。根据前面的计算，高压侧二次额定电流为077A，其高压侧过流，过负荷等的电流整定值均无法达到。可见，对于站用变的后备保护电流启动元件整定值也无法满足要求。从以上分析可以看出，特高压换流站站用变保护配置是否合理就在于电流互感器准确级和变比的选择是否合理。因此，选择合理的电流互感器成了保护配置的关键问题。4. 保护用电流互感器主要选择原则4

6、.1 总的选择原则保护用电流互感器的性能应满足继电保护正确动作的要求。首先应保证在稳态对称短路电流下的误差不超过规定值。对于短路电流非周期分量和互感器剩磁等的暂态影响，应根据互感器所在系统暂态问题的严重程度、所接保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行经验等因素，予以合理考虑。如保护装置具有减缓电流互感器饱和影响的功能，则可按照保护装置的要求选用适当的互感器。4.2 准确级选择根据DL/T8 66-2004电流互感器和电压互感器选择及计算导则.2条规定,300 MW级及以上发电机变压器组保护用的电流互感器，由于系统一次时间常数较大，电流互感器暂态饱和较严重，由此导致保护误动或拒动的后果严重

7、。因此，所选电流互感器应保证在实际短路工作循环中不致暂态饱和，即暂态误差不超过规定值10%。宜选用TP类互感器，但站用变压器时间常数一般小于100(随着电力系统的不断发展和站用变在系统中位置变化，这一参数可能会发生改变)，这和大型发电机变压器组一次时间常数均大于250是有较大差别的，其电流互感器暂态饱和较轻，因此，站用变压器各侧电流互感器的选择可以参照导则条规定:在区外故障时，电流互感器误差不大于10%，保护不能误动，按给定暂态系数不宜低于2考虑。这样站用变各侧电流互感器均选用P级。既满足暂态和稳态工况的要求，也符合DL/T 5136-2001火力发电厂、变电所二次接线设计技术规程条“用于变压

8、器差动保护的各侧电流互感器铁芯，宜具有相同的铁芯型式”的规定。4.3 变比选择根据DL/T8 66-2004电流互感器和电压互感器选择及计算导则条额定参数选择规定:变压器差动回路电流互感器额定一次电流的选择，应尽量使两侧互感器的二次电流进人差动继电器时基本平衡。尽量避免在二次电流回路中为了调平衡增加辅助电流互感器，以及使差流调整范围在微机保护装置允许的调整范围内，避免由于电流互感器变比过大，造成二次电流过小，不利于电流互感器二次回路和继电保护装置的运行监视，以致电流互感器二次断线检测困难等。对于500KV站用变压器具有额定电压高，额定容量小的特点,无论是额定情况下还是在故障情况下，其一次电流、

9、二次电流都非常小，若仅仅采用按负荷电流的大小确定保护级电流互感器的变比是不行的，还必须同时考虑保护安装处可能出现的最大短路电流和互感器的负载能力与饱和倍数来确定电流互感器的变比。6. 500kV站用变保护的典型配置方案6.1 500kV站用变由500kV串内引接500kV站用变引接至500kV串内，在变压器高压侧不设断路器及独立电流互感器。该变压器的保护配置及相关电流互感器的设置见图1。500kV采用3/2断路器接线方案，变压器接入的串内有穿越电流，电流互感器变比不宜按变压器容量选择，而要按系统容量选择，变比很大。鉴于站用变容量较小，采用大变比的电流互感器会导致站用变高低压侧电流相差倍数过大，

10、无法调节平衡，正常运行时保护装置采集电流过小将会引起误差电流增大和保护定值提高。为解决保护两侧变比不匹配的问题，站用变保护宜分为站用变本体差动和连线差动2个部分。站用变差动保护范围从变压器导管电流互感器到变压器低压侧电流互感器。电流互感器采用5P级，变比按尽量靠近变压器容量选择。通过咨询国内及合资的变压器厂家，其导管电流互感器在满足导管的动热稳定性的要求下，可以选择不同的变比，且最小的可做到150/1A。用作变压器差动保护整定的500kV6A，低压侧为，站用变高、低压侧二次额定电流比为/6A32倍，在变压器差动保护平衡系数的调整范围内。单独装设连线差动保护，与变压器保护实现交叉，保护范围从变压

11、器的高压侧导管电流互感器至3/2断路器串内电流互感器。站用变导管电流互感器变比宜与串内电流互感器相同，特性一致。但由于套管电流互感器二次绕组数量不宜过多，因此，可以考虑与本体差动保护合用同一个二次绕组。站用变500kV侧串内断路器均配置了失灵保护，但是考虑到变压器低压侧故障时，反应到高压侧的电流会很小，可能会无法检测到故障电流，电流判别元件没有足够的灵敏度，因此无法启动断路器失灵保护，故南方电网建议增设独立的失灵保护作为站用变高压侧断路器失灵保护的后备，并采用具有小变比的电流互感器，一般选为750/1A，5P80。对于增设的失灵保护的跳闸范围，可以根据调度部门的意见确定。6.2 500kV站用

12、变接至500kV交流滤波器母线500kV站用变引接至500kV交流滤波器母线，在该变压器高压侧装设断路器，一般未装设独立电流互感器。该变压器的保护配置及相关电流互感器的设置见附图3。1)保护配置说明变压器差动保护的高压侧电流回路及变压器高压侧后备保护的电流回路接至变压器高压侧导管电流互感器；交流滤波器大组母线保护也接入变压器高压侧导管电流互感器的电流。这两套保护的保护范围交叉，使变压器保的保护范围没有死区。为了满足各种保护的要求，变压器导管电流互感器的变比可采用多变比，交流滤波器大组母线保护电流互感器的变比及准确级与其它接入该母线保护的电流互感器一致。变压器差动保护电流互感器的变比按尽量靠近变

13、压器容量选择，其原因在论述接至串内的站用变保护的配置时已经说明了。所以用于变压器保护的高压侧导管电流互感器变比选择150/1A，准确级按5P40选择。电流互感器的排列顺序应满足保护范围无死区的要求。 由于该变压器通过断路器接至500kV交流滤波器母线上，所以还应配置500kV断路器保护，该保护可以单独组屏，也可以和变压器保护共同组屏。断路器保护的电流回路取自变压器导管电流互感器，采用5P80级，变比应满足500kV系统短路时不饱和，一般选择为750/1A；6.3 500kV站用变接至500kV主母线500kV站用变引接至500 kV主母线，在变压器高压侧装设断路器，并装设独立电流互感器。1）保

14、护配置说明该变压器的保护配置及相关电流互感器的设置见图4。接于500kV主母线的站用变压器可以不装设独立电流互感器，其保护的配置与接至交流滤波器母线上的变压器保护的配置一致，但是由于该变压器是接至500kV主母线上，如果变压器至主母线的引线故障时会引起母线保护动作，这样对500kV系统的影响较大，各级调度部门不接受这样的配置。所以在变压器高压侧需装设独立电流互感器，其保护的配置可以参照接于500kV串内的站用变保护。由于独立电流互感器必须满足动热稳定的要求，独立电流互感器的变比不可能做的很小。其变比可以参照串内电流互感器选取，建议选为4000/1。此时，变压器差动保护用电流互感器绕组只能取自变

15、压器导管电流互感器的二次绕组，变压器保护由500kV侧引线差动和变压器本体差动保护组成。为了满足各种保护的要求，变压器导管电流互感器的变比可采用多变比，对用于变压器500kV侧引线保护电流互感器，其变比及特性应与独立电流互感器一致；用于站用变本体差动保护电流互感器采用5P级，变比按尽量靠近变压器容量选择，建议选择为150/1A；电流互感器的排列顺序应满足保护范围无死区的要求。 由于变压器通过断路器接至500kV主母线上，所以还应配置500kV断路器保护，该保护可以单独组屏，也可以和变压器保护共同组屏。断路器保护的电流回路取独立电流互感器，采用5P80级，变比应满足500kV系统短路时不饱和，建

16、议选择为750/1A；该变压器的保护配置及相关电流互感器的设置见图5。 当500kV配电装置为GIS设备时，电流互感器为导管式电流互感器，在校验动热稳定时，可以参照变压器导管电流互感器的选择。由于没有系统穿越电流，只需要满足GIS导管的动热稳定性的要求，其电流互感器的变比可以选的较小，能满足变压器本体差动保护对变比的要求，变压器保护可以不必分为引线差动和变压器本体差动两个部分。变压器差动保护用电流互感器线圈采用导管电流互感器的二次绕组，独立电流互感器变比按尽量靠近变压器容量选择，建议选择为150/1A；电流互感器的排列顺序应满足保护范围无死区的要求。此时变压器高压侧可不装设用于保护的导管CT，

17、高压侧导管CT可按常规变压器配置。7. 保护用电流互感器参数选择校验计算条件：a.以复龙换流站实际短路电流计算结果为例：500kV侧短路电流为61.5kA,10kV侧短路电流为18.2kA。b.500kV站用变为双圈变（当为三圈变时，中压侧可参照10kV侧计算）c.500kV侧差动保护用导管电流互感器参数初选为：2150/1A,5P40,15VA；d.500kV侧后备保护暂按与差动保护合用一个二次绕组。e.连线保护用导管电流互感器初选为：22000/1A,5P40,15VA；f.500kV断路器失灵保护电流互感器参数初选为：2750/1A,5P80,15VA；10kV侧电流互感器参数初选为：8

18、00/1A,5P30,15VA。7.1 站用变差动保护用电流互感器校验差动保护最小动作电流值应按躲过正常变压器额定负载时的最大不平衡电流整定。在工程实际应用中，差动电流起动整定值Icdqd=(0.20.5)Ie,Ie为变压器二次额定电流。假如变压器区内高端发生接地故障，高端TA可能出现饱和，但对于灵敏度较高的保护装置而言，装置有足够的灵敏度可靠动作，不存在装置会发生拒动。变压器在区外故障时因穿越大的故障电流，导致一侧TA饱和，形成差流，导致差动保护误动。根据DL/T8 66-2004电流互感器和电压互感器选择及计算导则6.条：按安全性校验保护动作性能时,电流差动保护的Ipcf应按区外短路时流过

19、互感器的最大短路电流Iscmax确定。1）当低压侧发生短路故障时为区外故障，此时通过500kV侧的短路电流为Iscmax=10/530=0.343kA。2）500kV侧电缆及保护负荷控制不超过15VA。10kV侧电缆及保护负荷控制不超过15VA。3）500kV侧电流互感器额定对称短路电流倍Kpcf=0.,要求准确限值系数KalfKKpcf=22.28=4.56,目前选择为5P40,大于4.56,满足暂态系数不小于2的要求。4）10kV侧电流互感器额定对称短路电流倍数Kpcf=/=22.75,要求准确限值系数KalfKKpcf=222.75=45.5,目前选择为5P30, 小于45.5,不满足暂

20、态系数不小于2的要求。因此，应加大10kV侧电流互感器的变比,若按2000/1A考虑,额定对称短路电流倍数Kpcf=2,要求准确限值系数KalfKKpcf=21=,目前选择为5P30, 大于,满足暂态系数不小于2的要求。也可以增大准确级为5P60，但厂家无法制造。7.2 站用变后备保护用电流互感器校验按稳态短路电流下的误差不超过规定值考虑，只需电流互感器的准确限值一次电流Ipal大于保护故障校验电流Ipcf。一般500V变压器后备保护与差动保护合用同一个电流互感器二次绕组，其参数为：150/1A,5P40,15VA。准确限值一次电流Ipal0.1540=6kA,远小于保护故障校验电流Ipcf6

21、1.5kA。因此，应选择更大变比的电流互感器，若按22000/1A，5P40,15V选择，准确限值一次电流Ipal440=160kA,大于保护故障校验电流Ipcf61.5kA。满足要求。后备保护用电流互感器按22000/1A,5P40选择，虽然满足校验条件，但是当站用变过流时，由于电流互感器变比过大，后备保护又无法检测到故障电流，只有当严重过流时才能检测到故障。因此也存在不足的地方。对于方案1、2、4，由于配置有连线差动保护，高端故障时，连线差动保护有足够的灵敏度使保护可靠动作。可以不考虑后备保护。变压器的后备保护可仅考虑作为过流和相邻元件的后备，其电流互感器二次绕组采用较小变比，考虑与差动保

22、护合用。对于方案3、5，由于没有连线差动保护，其本体差动保护范围较大，包括了高端的连线部分，因此高端故障几率较大，后备保护用电流互感器宜按大变比选择，以提高抗饱和能力。7.3 连线差动保护用电流互感器校验1）对于连线差动保护用电流互感器参数为：22000/1A,5P40,15VA。2）500kV侧电流互感器额定对称短路电流倍数Kpcf=61.5/4=15.375,要求准确限值系数KalfKKpcf=215.375=30.75,目前选择为5P40,大于30.75,满足暂态系数不小于2的要求。目前，南瑞继保的保护装置连线差动保护电流采集回路与变压器差动保护共用同一个导管电流互感器二次绕组，此时，连

23、线差动保护两侧电流互感器变比不同，且导管电流互感器的变比较小。当导管处发生短路故障时，对连线保护来说为区外故障，此时通过电流互感器短路电流为Iscmax=61.5kA。电流互感器额定对称短路电流倍Kpcf=61.5/0.15=410,要求准确限值系数KalfKKpcf=2410=820,目前选择为5P40,小于820,不满足暂态系数不小于2的要求。对连线保护来说可能会误动，但是对于变压器差动保护来说，此时差动保护应可靠动作。因此，对整个站用变的保护（500kV侧连线至站用变10kV侧电流互感器范围）不影响保护的可靠性。故可以合用同一个导管电流互感器二次绕组，但建议厂家改进保护装置接线，尽量采用

24、独立的二次绕组。7.4 失灵保护保护用电流互感器校验1）对于500kV站用变引接至500kV串内时，配置的断路器失灵保护按稳态短路电流下的误差不超过规定值考虑。只需电流互感器的准确限值一次电流Ipal大于保护故障校验电流Ipcf。其电流互感器参数为：750/1A,5P80,15VA。准确限值一次电流Ipal80=60kA,由于增加断路器失灵保护是基于考虑到变压器靠低压侧故障时，500kV断路器本身的失灵保护不起作用而配置的，因此保护故障校验电流Ipcf不应按高压侧短路电流考虑，仅按站用变低压侧故障时流过电流互感的电流考虑，此电流小于61.5kA，此时通过500kV侧电流互感器的短路电流小于10

25、/53061.5=1.16kA。故准确限值一次电流按60kA选择是没有问题的。2）对于500kV站用变引接至500kV主母线或滤波器母线时，配置的断路器失灵保护按稳态短路电流下的误差不超过规定值考虑。只需电流互感器的准确限值一次电流Ipal大于保护故障校验电流Ipcf。其电流互感器参数为：1500/1A,5P80,15VA。准确限值一次电流Ipal1.580=120kA, 大于保护故障校验电流Ipcf61.5kA。满足要求。8. 值得注意和探讨的问题8.1 校验方法按上述校验方法选择的电流互感器可能尚有潜力未得到合理利用。在系统容量很大，而额定二次电流选为1A,以及采用电子式仪表和微机保护时，

26、经常遇到Kalf不够但二次输出容量有裕度的情况。因此，必要时可进行较精确验算，如按额定二次极限电动势或实际准确限值系数曲线验算，以便更合理的选用电流互感器。1）按额定二次极限电动势验算。对于低漏磁电流互感器可按额定二次极限电动势进行验算：a)P类电流互感器的额定二次极限电动势（Es1）为（二次负荷仅计及电阻）：Es1=KalfIsn(Rct+Rbn) (1)式中：Kalf 准确限值系数；Isn 额定二次电流；Kpcf 保护校验系数；Rct 电流互感器二次绕组的电阻值；Rbn 电流互感器额定二次负荷；上述各参数制造部门应在产品说明书中标明。b)继电保护动作性能校验要求的二次感应电动势（Es）为：

27、Es=KKpcfIsn(Rct+Rb) (2)式中：K 给定暂态系数；Kpcf 保护校验系数；Rb 电流互感器实际二次负荷；其它同（1）式。c) 电流互感器的额定二次极限电动势应大于保护校验要求的二次感应电动势，即： (3)d)或所选电流互感器的准确限值系数Kalf应符合下式要求： （4）为此，要求制造部门确认所提供的电流互感器为低漏磁特性，并提供电流互感器二次绕组的电阻值。2）按实际准确限值系数曲线势验算如果制造厂提供的电流互感器不满足低漏磁特性要求，当提高准确限值一次电流时，互感器可能出现局部饱和，不能采用额定二次极限电动势法进行验算。此时，如用户需要提高所选互感器的准确限值系数Kalf，则应由厂家提供直接法试验求得的或经过误差修正后实际可用的准确限制系数Kalf与Rb的关系曲线。根据实际的Rb,从曲线上查出电流互感器的准确限值系数Kalf，参见图7。要求KalfKKpcf。其中Kpcf为保护校验系数，K为给定暂态系数。由于以上两种方法均需要厂家提供具体的参数，而在选取电流互感器时通常还未订货，很难得到电流互感器准确的技术参数，并且电流互感器二次绕组的实际负荷也不易计算准确。因此，在设计过程中通常按一般