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小容量变压器接入高电压等级、大短路电流系统的保护配置探讨

发表时间：2021/7/23 来源：《建筑科技》2020年12月上作者：付向军

[导读] 结合正在建设机组的实际工程情况，针对启备变容量小、接入电压等级高、高压侧短路电流大的特殊性，通过对启备变高压侧CT参数的校验和保护装置输入要求的反推，提出了小容量变压器接入高电压等级、大短路电流系统的保护配置的新方案。

山东电力工程咨询院有限公司付向军山东省济南市历下区闵子骞路106号 250013

【摘要】结合正在建设机组的实际工程情况，针对启备变容量小、接入电压等级高、高压侧短路电流大的特殊性，通过对启备变高压侧CT参数的校验和保护装置输入要求的反推，提出了小容量变压器接入高电压等级、大短路电流系统的保护配置的新方案。
【关键词】CT校验最小电流采样值   保护平衡系数
        1、前言
        近几年来，随着国内大型燃煤机组的日趋饱和，和国家节能减排的新政落地，燃机等分布式能源项目与日俱增。相比与普通燃煤机组，燃-汽机联合循环机组具有节能、减排、提高供能安全性、发电效率高、更加灵活的削峰填谷等不可替代的优势。但是机组容量小，且没有输煤、脱硫等用厂电系统，因此启备变的容量也会很小，在接入电压等级高、短路电流大的系统时，应统筹考虑启备变高压侧CT的参数与保护装置密切配合，以保证电厂的安全稳定运行。下面结合中电常熟燃机热电联产项目，介绍启备变高压侧CT的验算过程和保护配置的方案。
        2工程情况：
        中电常熟燃机热电联产项目建设2×100MW级燃气-蒸汽联合循环机组，每套机组的燃机发电机和汽机发电机均经一台三绕组主变压器以扩大单元接入厂内220kV屋外配电装置（GIS），每套机组设置一台双绕组变压器作为高压厂用工作变压器，两台机组设一台有载调压启备变。
        启备变具体参数如下：
        额定容量：8MVA
        额定变比：236±8×1.25%/6.3kV
        高压侧额定电流：21A
        短路阻抗：Ud=6%
        额定频率：50Hz
        冷却方式：油浸自冷（ONAN）
        联接组标号：Yn,d11
        另，根据潮流计算的结果，启备变高压侧短路电流为46kA。
        本工程的启备变保护采用北京四方的CSC-316BH产品，以差动保护作为主保护，以复压过流、过负荷、高压侧零序过流保护作为后备保护。

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        3.启备变高压侧CT校验
        考虑启备变高压侧额定电流较小（21A），选择启备变高压侧保护CT（300/1   5P30   40VA）校验过程如下：
        （1）准确限值系数计算法：
        已知：
        额定电压:220kV
        额定电流Ir=21A
        220kV系统校验故障电流：Ipcf=45415A
        选定CT变比：300/1A
        CT阻抗值: Rct=1.29ohms
        CT一次电流选择值Ip=300
        电缆长度L=140m
        计算过程如下：
        保护校验系数Kpcf=Ipcf/Ip=46/300=153
        给定暂态系数K=2
        CT的额定容量Pn=40
        CT额定负荷下阻抗值：Rn=Pn/Is2=40/12=40
        CT准确级5P30
        CT准确限值系数Kalf=30
        电缆规格4mm2
        单位长度电缆的阻抗Rc=5.53ohms/km
        电缆总阻抗值RL = L x Rc / 1000=140*5.53/1000=0.77ohms
        电缆负荷的容量: VA2=Is2RL=1.54VA（保护装置侧接地不用乘以2）
        保护装置负荷容量: VA1=0.5VA
        保护装置抗值:Rr= VA1/I2=0.5 ohms
        CT二次总负荷VA= VA1+VA2=2.04VA
        准确限值系数校验： KKpcf(Rct+Rr+RL)/（Rct+Rn）
        =2*153*（1.29+0.5+1.54）/（0.86+40）
        = 28.730
        由上述计算可得：CT二次总负荷VA=1.53VA小于CT 40VA的额定容量，选择CT的容量满足要求；准确限值系数校验为28.7小于30，选择CT的准确限值系数满足要求。
        （2）极限电动势计算法
        Eal=Kalf*Isr（Rct+Rb）
        =30*1*(1.29+40)
        =1238.7
        E’al=K*Kpcf*Isr（Rct+2.0）
        =2*153*1*(1.29+2.54)
        =1172
        E’al< Eal，所选CT满足极限电动势法的校验。
        综上所述，所选CT刚刚满足保护装置在最大短路电流时不饱和的要求。
        4与保护装置的配合：
        CSC-316BH启备变保护装置要求：二次电流最小采样值为0.05A（同时也作为差动保护的启动电流），平衡系数不小于0.1（为高压侧电流与低压侧电流的比值），保护装置内部CT所能承受电流为100A。
        由保护装置最小采样值为0.05A（二次侧）推算，用于保护的 CT变比不能大于400/1A；由高低压侧平衡系数不能小于0.1且启备变低压侧变比为1200/1推算，用于保护的 CT变比不能大于300/1A，而此时的平衡系数为0.11；由保护装置内部CT所能承受电流为100A（100倍的二次额定电流）推算，用于保护的 CT变比不能小于500/1A.
        可见，对于启备变的容量小、高压侧短路电流大的情况，存在如下矛盾点：
        （1）如果按照保护装置最小采样值和平衡系数的要求，选用300/1A的CT变比，考虑到保护装置内部CT所能承受最大电流为100A，在启备变高压侧短路电流小于30kA时，保护装置能可靠动作，而当高压侧短路电流在30-46kA时，输入保护装置内部CT的电流大于100A，保护装置内部CT饱和，从而存在保护拒动风险。
        （2）如果按照保护装置内部CT所能承受最大电流为100A的要求，选用500/1A的CT变比时，保护装置会因实际的输入电流小于最小采样值和平衡系数要求，而存在误动风险。
        5.解决途径
        鉴于启备变的容量小、高压侧短路电流大的特殊性，保护装置内部增加速断保护作为主保护，同时在启备变高压侧增加一组大变比的CT，单独作为速断保护提供保护判据，即单套保护装置按照差动和速断双套主保护运行。在机组正常运行时，输入速断保护的二次电流小于保护装置的最小采样值，速断保护不启动，此时变压器依靠差动保护和后备保护；当故障电流小于30kA时，以先达到定值的主保护动作来保护变压器；当故障电流大于30kA时，依靠速断保护动作保护变压器。
        6.结论
        在遇到小容量变压器接入高电压等级、大短路电流系统时，需结合保护装置的输入要求和CT的验算结果配置变压器的保护，如果单组CT无法满足保护装置输入要求，应考虑增加CT数量和另外配置一套主保护的配置方案，以达到保证机组安全、稳定运行的目的。