1、大型发电机组保护用 TPY 级电流互感器的研究与应用摘要： 大型发电机组保护采用 TPY 级电流互感器能够满足暂态性能的要求，可解决大型发电机组保护用电流互感器暂态饱和及剩磁问题，并满足差动保护各侧电流互感器型式一致的要求。我国电流互感器厂已开发制造出符合国产大型发电机组和工程需要的发电机套管式TPY 级电流互感器。该类产品在设计和制造方面考虑了相关技术特点，满足了大批工程的需求。 关键词： 发电机；电流互感器；TPY 级；机组保护 0 引言我国电力行业标准 DL/T 8662004电流互感器和电压互感器选择及计算导则已颁布实施。该标准在现行国内标准和国际通用标准的基础上，吸取了国际先进标准的
2、规定，并根据工程应用与产品制造的实践情况，对电力工程用互感器的选择应用作了较全面的规定和论述。其中，更突出了保护用电流互感器，特别是满足暂态特性要求的 TP 类电流互感器；而对于大型发电机组保护用 TPY 级电流互感器应用的有关规定则是首次提出。在该标准编制过程中，华北电力设计院工程有限公司和其他主编单位及研究、制造单位，按照国产 300600 MW 发电机和主变压器典型参数，研制开发出了配套哈尔滨、东方和上海发电机制造厂产品的 TPY级电流互感器，并已通过鉴定，开始小批量生产，并在工程中获得应用。文章针对大型发电机组保护用 TPY 级满足暂态特性要求的电流互感器工程设计和产品选择方面作一简要
3、论述，希望有助于标准的实施以及解决实际工作中的问题。1 大型发电机组保护宜采用 TPY 级电流互感器1.1 目前工程采用 5P(10P)级电流互感器的问题大型发电机组(含发电机、主变压器和发电机变压器组)的一次时间常数很大1，因此，当这些设备的差动保护在区外发生短路故障时，短路电流中具有衰减较慢的非周期分量而导致电流互感器铁心严重饱和，即暂态饱和。铁心饱和将使电流互感器传变特性变坏，而不能准确传变故障电流，需要采取措施防止暂态过程中由于电流互感器误差超过准确限值引起区外故障时保护差电流过大而误动。目前，国内大型发电机组的发电机电压侧保护用电流互感器选用不具暂态特性的 5P 或 10P 级(按国
4、家标准或 IEC 标准)，亦或按美国 IEEE 标准选用的 C-800 级电流互感器。这类电流互感器只能在稳态条件下保证规定的误差，但难以满足暂态准确度的要求。另外，5P(10P)级电流互感器使用不带气隙的铁心，在电流互感器严重饱和后，铁心剩磁最大可达 80%。此类电流互感器未采取限制剩磁的措施，磁通密度变化范围小，剩磁难于消除。因此，在一次系统发生短路故障后，互感器可能残留较大剩磁，这将使电流互感器更容易饱和，而且差动保护两侧电流互感器剩磁多不相同，则更易产生过大差电流，引起区外故障时保护误动。目前，我国 500 kV 系统电流互感器已考虑满足暂态特性的要求，而选用铁心带气隙的TP 级电流互
5、感器(线路保护用 TPY 型)。因此，主变压器和发电机变压器组差动保护 500 kV侧已需选用 TPY 级电流互感器。在这种情况下，若发电机电压侧选用 5P(10P)级电流互感器，将造成两侧电流互感器类型不同，使特性规定不同。因此，按上述这种电流互感器配置，差动保护的不平衡电流将会增大，这是应该避免的。其中的一项解决措施是发电机电压侧电流互感器也选用 TP 型。1.2 解决大型发电机组保护用电流互感器存在问题的思路（1） 采用 5P(10P)级电流互感器，但尽可能提高其允许的额定二次负荷、一次额定电流和准确限值一次电流(或准确限值系数)。由上节分析可知，目前成熟产品中，性能最好的为 5P20
6、级(C-800)，SbN=200 VA 的产品，但它尚不能满足要求；而且此类互感器由于大大提高了额定负荷，其体积和造价已与满足性能要求的 TPY 级相当。而且，P 级电流互感器并未解决剩磁和差动两侧电流互感器型式不一致的问题。所以，这个方案不能解决暂态饱和的根本问题。当然，有的工程采用 5PR 级电流互感器，Kalf 选择 60100 级，带气隙的铁心限制剩磁系数 Kr=10%以下解决剩磁问题。但此类电流互感器仍是适用于只考虑稳态误差的保护中，因其并不具备暂态特性，并不能保证暂态误差。（2） 继电保护装置采取措施，避开暂态饱和的影响。目前国外知名厂家的发电机组差动保护装置，如 SIEMENS
7、公司的 7UT612 型、GE 公司的 G60 型和 ALSTOM 公司的发电机组差动保护装置，这些微机保护装置采用了电流互感器饱和鉴别元件，能在 1/4 周期的时间内完成鉴别程序，当电流互感器饱和时，能提高制动曲线，闭锁保护。这些思路是可借鉴的，即这些保护装置都利用了电流互感器饱和之前总有一短时间的不饱和时间的特点。但从根本上讲，任何保护装置要保证安全性和选择性，都要依赖一次电流的准确传变，这是最基本的要求。因而，还是应该采劝治本”的办法，从电流互感器这一根源上解决问题，以避免其他意想不到的保护信号源的传变问题。（3） 采用电子式电流互感器。此类互感器的传感器完全摒弃了常规的电磁原理，采用了
8、利用磁光或电光效应的光电互感器，亦或采用半常规的传感器，如独立式空心线圈(罗戈夫斯基线圈)传感器或低功率电流互感器。此类电流互感器模拟量输出为 22.5225 mV(保护用)，数字量输出可由串行、单向、一发多收和点对点链路传送。可见，这一技术将从根本上解决目前电流互感器存在的问题，无疑是一发展方向。但是，目前电子式电流互感器尚处于研究开发阶段，国内大多数单位都正在研发产品，个别产品在中低压系统中拟以试用。但在高压系统、大型发电机组系统应用此类高科技产品，尚需一段时间，要解决当前大量的工程所需是很不现实的。1.3 大型发电机组差动保护采用 TPY 级电流互感器由 1.2 节所述可知，要解决长时期
9、内工程的需要，上述几种措施均不完善或不具备条件。因此，采用常规的 TP 类具有暂态特性的电流互感器则是一较为现实的措施；但需要解决大型机组所带来的特殊问题，需研制能够安装于发电机套管内的新产品。（1） TP 类电流互感器满足暂态特性要求，其准确限值考虑一次电流中同时存在的周期分量和非周期分量，误差以峰值误差确定而满足规定的暂态工作循环的要求，适用于考虑一次电流中非周期分量影响的暂态情况。因此，只要恰当选择适应大型发电机组的特殊要求的参数，从理论上和技术上是有保证的。目前，标准已规定的 TP 类电流互感器分为 TPS、TPX、TPY 和 TPZ 四级。其中，TPS 和TPX 铁心均不带气隙，因此
10、并不限制剩磁，二者特性相似。当电流互感器严重饱和时切断一次电流，二次电流将随磁通由饱和状态快速降低到剩磁水平，即二次电流残余电流小，因此适用于对保护复归时间要求严格的断路器失灵保护的电流起动元件；另一方面，此类电流互感器励磁阻较高，汲出电流小，适用于电流互感器并接的场合。TPY 和 TPZ 级互感器铁心带有气隙，因而磁阻较大，增长了互感器到达饱和的时间，不易饱和，即有更长的时间可保持线性转换传变关系，使暂态特性大大改善。互感器时间常数减少，铁心面积可减少；剩磁减少也有利于暂态特性的改善，因而 TPY 级可在准确限值条件下保证全电流的最大峰值瞬时误差 =10%；而 TPZ 级仅保证交流分量最大峰
11、值瞬时误差 ac=10%。由于 TPZ 级仅能进行交流分量的传变，用于仅需反应交流分量的保护装置，不能保证低频分量误差且励磁阻抗过低，因而不推荐用于发电机组等主设备保护和断路器失灵保护。总的比较下来，TPY 级电流互感器铁心带有适当气隙，剩磁限制到适当值以下(为饱和磁通值的 10%以下)，在规定的准确限值条件下能保证全电流的峰值瞬时误差在 10%以下，具有较好的暂态特性，更适用于发电机组保护。（2） 我国 500 kV 系统的独立电流互感器或变压器和罐式断路器套管电流互感器，采用 TPY 级已有多年的制造和运行经验，因而在产品设计、制造和使用方面也不会有太大困难。（3） 在大型发电机组(ZX
12、工程 600 MW 进口日立公司制造的机组)上也有试用 TPY 级电流互感器(国外产品)的经验，其主要参数如下：额定电流比 KN 为 25 000/5；额定对称短路电流倍数(暂态)KSSC 为 10；额定一次时间常数 TP 为 100 ms；工作循环为 C-0.12 s00.45 s-C-0.06 s-0； 额定负担 SbN 为 75 VA。这些参数如 TP、KSSC 等均不符合国产机组的实际情况，取值也不尽合理。该台机组是 1997 年投产，限于当时的各种条件，如TP=100 ms 是套用了 500 kV 系统规定的一次时间常数，这是需要改进的。此外，SX 工程中，700 MW 的水轮机组发
13、电机封闭母线中电流互感器也采用了 TPY 级的电流互感器(国外产品)，主要参数如下：额定电流比为 30 000/1；额定对称短路电流倍数(暂态)KSSC 为 5.1；额定一次时间常数 TP 为 305 ms；暂态面积系数 Ktd 为35.7；保持准确限值时间 tal 为 150 ms。因此，这也给国内研制配套发电机套管的 TPY级电流互感器提供了借鉴。2002 年 5 月，国内知名继电保护专家、发电机制造厂技术专家以及电流互感器制造厂代表对华北电力设计院工程公司的300 MW600 MW 发电机电流互感器型式和参数选择报告进行了评审，评审意见指出“为确保发电机变压器组安全运行，300600 MW 发变组差动保护用电流互感器选择具有暂态特性和限制剩磁的 TPY 级是必要的，以保证保护区外不误动、保护区内正确动作”。
