风电场站用变保护电流互感器一次电流选择

2024-03-08李清

电力勘测设计 2024年2期

李清

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川成都 610051）

0 引言

目前，风电场通常以35 kV母线汇集电能后升压送入电网，站用变压器接在35 kV母线上。35 kV站用变容量通常不超过400 kVA，其回路额定电流较小，如按照回路额定电流值选择保护P级电流互感器(CT)额定一次电流值(Ipr)，保护故障校验电流(Ipcf)将远大于额定准确限制一次电流(Ipal)，无法解决CT饱和问题。工程中通常采用保护故障检验电流法选择站用变保护级电流互感器的Ipr，Ipr按满足Ipcf要求得出一次电流值，鉴于P级电流互感器一次准确限制系数(Kpcf)不超过40倍，在35 kV侧短路电流较大的情况下，由该方法得到额定一次电流值的工程易造成站用变过电流保护、过负荷保护定值整定困难甚至无法给出二次定值的情况，导致保护灵敏度降级及失效。对此问题国内鲜有文献对其展开研究。

为解决上述问题，本文以某425 MW风电场工程升压站站用变为例，结合站用电保护整定计算，提出了适用于站用变保护用电流互感器Ipr选择方法，该方法可作为同类新能源工程站用变保护级电流互感器参数选择的参考。

1 保护故障校验电流法

保护故障校验电流法以电流互感器额定准确限制一次电流(Ipal)大于或等于保护故障校验电流(Ipcf)(通常是最大运行方式下35 kV母线处三相短路故障电流)为选择依据。

以下结合某425 MW风电场工程站用变回路实际参数阐明该方法。图1为该风电场一次主接线示意图，表1、表2分别列出了某425 MW风电场35 kV母线短路电流值及站用变相关参数。

图1 某425 MW风电场一次主接线示意图

表1 某425 MW风电场35 kV母线短路电流值 kA

表2 某425 MW风电场站用变、保护CT参数

由表1可看出，该风电场35 kV母线最大运行方式下短路电流为20.936 kA，采用该方法，如选择电流互感器的一次准确限制系数为30倍，其一次电流值至少应为698 A，例中选择为700 A。

依据规程DL/T 866—2016《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》[1]条文8.2.4的要求，在保护安装点近处故障，若互感器参数在技术上难以满足要求时，可允许有较大误差。考虑到站用变保护电流速断保护、过电流保护整定值远小于电流互感器的准确限制一次电流，因此站用变保护电流速断保护、过电流保护在电流继续增大的过饱和情况下仍能保证保护的可靠动作。按此CT一次变比可降低，但规范未明确如何考虑二次侧定值对其的影响。

综上，保护故障校验电流法以避免CT饱和为前提选择额定一次电流裕度偏大，且该方法并未考虑由此带来的站用变过电流保护、过负荷保护中存在二次定值问题。

以下将结合该风电场工程站用变整定计算分析该方法在二次定值中存在的问题。

2 站用变整定计算

依据规范DL/T 1631—2016《并网风电场继电保护配置及整定计算规范》[2]，容量10 MVA以下的站用变压器配置电流速断保护作为主保护，同时应配置过电流保护作为其后备保护。

2.1 电流速断保护

站用变电流速断保护定值按高压侧引线故障有灵敏度并躲过低压侧母线故障和励磁涌流整定。

1)躲过系统最大运行方式下站用变低压侧母线三相短路故障时流过高压侧的短路电流：

忽略站用变与35 kV站用变间隔之间线缆的阻抗，由表1可知，最大运行方式下35 kV母线三相短路电流为20.936 kA，折算至变压器容量下的等效阻抗标幺值为：

式中：Sj为基准容量，MVA；Sd.max为最大运行方式下35 kV母线三相短路容量，MVA。

式中：X*t为站用变阻抗电压标幺值；Ij为归算至站用变容量的35 kV侧基准电流，A。

满足该条件的电流速断保护一次整定值I1.dz1计算如下：

式中：Krel为可靠系数，取1.4。

2)躲过变压器励磁涌流(励磁涌流通常为7～10倍额定电流)：

满足该条件的电流速断保护一次整定值I1.dz2计算如下：

式中：In为站用变高压侧额定电流，A。

综上，电流速断保护一次整定值I1.dz取式(3)、式(4)大值124.306 A。

3)灵敏度K1.1m校验：

按工业与民用设计供配电设计手册(第四版)表7.2-3[3]，电流速断保护灵敏度应不小于1.5，由式(5)可知，当电流速断保护一次整定值取124.306 A，高压侧引线故障时灵敏度满足要求。

2.2 过电流保护

1)站用变压器高压侧的后备保护以躲过变压器过负荷电流及低压侧故障且有足够灵敏度为整定条件，过电流保护一次整定值I2.dz计算如下：

式中：Krel为可靠系数，取1.2；Kcon为接线系数，取1；Kol为过负荷系数，取1.3；Kr为返回系数，取0.9。

灵敏度按最小运行方式下低压侧两相短路时折算至高压侧的短路电流校验。考虑到站用电回路变压器联结组别为Dyn11，低压侧两相短路时折算至高压侧的短路电流要考虑组别的影响，流过高压侧最大一相短路电流为低压侧三相短路时流过高压侧的短路电流。

忽略站用变与35 kV站用变间隔之间线缆的阻抗，最小运行方式下35 kV母线三相短路电流为19.345 kA，折算至变压器容量下的等效阻抗标幺值为：

式中：Sj为基准容量，MVA；Sd.min为最小运行方式下35kV母线三相短路容量，MVA。

因此，最小运行方式下低压侧两相短路时流过高压侧最大一相短路电流为：

2)灵敏度K2.lm校验：

按工业与民用设计供配电设计手册(第四版)表7.2-3[3]，过电流保护灵敏度应不小于1.3，由式(9)可知，过电流保护一次整定值取10.82 A，低压侧两相短路故障时灵敏度满足要求。

2.3 过负荷保护

站用变过负荷保护一次整定值I3.dz应躲过变压器高压侧额定电流，计算如下：

式中：Krel为可靠系数，取1.1；Kcon为接线系数，取1；Kr为返回系数，取0.9。

3 过电流保护、过负荷保护整定中存在问题

由第2节内容不难看出，电流速断保护、过电流保护一次定值均能满足灵敏度的要求。考虑到输入微机保护装置为一次定值经电流互感器折算至二次侧的值，以南瑞站用变综保装置PCS-9621A-N为例，电流速断、过电流、过负荷定值范围均为(0.05～20)In(In为电流互感器二次侧额定电流值，例中为1 A)。如按700 A的额定一次电流，则电流速断保护二次定值为0.178 A，过电流保护二次定值为0.015 A，过负荷保护二次定值为0.01 A。显然，过电流保护和过负荷保护均无法满足微机保护的最小输入值要求。

为避免站用变失去相间后备保护以及过负荷保护，按照微机保护的最小输入值的要求，可按0.05 A设置过负荷保护，0.06 A设置过电流保护。如按照0.05 A的二次电流值设置过负荷保护，则一次电流需要达到35 A时，过负荷保护经过延时才会报警，此时变压器过负荷倍数已经达到了4.6倍，大大超过了规范GB/T 1094.12—2013《电力变压器第12部分：干式变压器负载导则》里对于干式变压器过载能力的要求[4]。按此定值设置无法实现对变压器过载的保护，相当于失去了站用变的过负荷保护。如按照0.06 A的二次电流值设置过电流保护，则一次电流定值为42 A，此时灵敏度为2.11，稍高于相间后备保护灵敏度最低值要求。

综上分析可知，按保护故障检验电流法选择站用变保护级电流互感器的额定一次电流易造成站用变失去过负荷的保护。此外，如工程中选择电流互感器的额定一次电流在此基础上适当加大，且二次定值取值稍大，则相间后备灵敏度将无法满足最小值的要求。

4 电流互感器一次电流值选择

为解决上述问题，下文将从满足微机保护采样精度、保护装置动作可靠性两方面分析电流互感一次电流的取值。

1)按微机保护采样精度选择

由第3节分析可知，要保证所有保护一次定值经电流互感器折算到二次侧的值满足最低5%的要求，则过负荷保护的一次定值应超过电流互感器Ipr的5%。为保证过负荷保护整定值满足微机保护采样最低5%的要求，则Ipr≤7.63/5%=152.6 A。

2)按保护动作可靠性选择

对于P级CT，Kpcf最大取值40，为满足采样精度的要求，如互感器额定一次电流按1)分析结果取150 A，则Ipal最大值为6 kA，仍小于系统最大短路电流20.936 kA。

针对此情况，规范DL/T 866—2015《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》[1]提出：当3 kV～35 kV系统电流互感器的最大限制电流小于最大系统短路电流时，互感器准确限制电流宜按大于保护最大动作电流整定值2倍选择。因此，为避免因CT饱和和微机保护装置限幅对继电保护产生不良影响导致保护拒动、越级跳闸等问题，在选择电流互感器时，CT的额定准确限制一次电流应按大于保护最大动作电流一次整定值(即电流速断保护整定值)的2倍选择，可保证保护装置可靠动作。表3中CT的Kpcf取30，则CT的额定一次电流Ipr≥2×124.306/30=8.29 A。