王志嘯

（湖南力通電力勘測設(shè)計咨詢有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

不同于傳統(tǒng)發(fā)電廠的機(jī)組依靠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過電力電子器件經(jīng)直流-交流變換后提供電能并連接電網(wǎng)。光伏組件受自然因素的影響，具有隨機(jī)波動的特性。電流互感器向保護(hù)和測量裝置提供交流電流采集量，將系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障時的電流信號反饋到綜合自動化系統(tǒng)監(jiān)控后臺，為繼電保護(hù)裝置動作提供重要判斷依據(jù)，為電能計量設(shè)備數(shù)據(jù)采集提供必要條件，其選型對整個系統(tǒng)的電氣保護(hù)和測量具有重要影響。

1 一般技術(shù)條件概述

電流互感器按用途分為繼電保護(hù)用和測量/計量用兩種類型。涉及電氣參數(shù)選擇的技術(shù)條件包括正常工作時的一次回路電流和電壓、二次回路電流、二次側(cè)負(fù)荷、二次繞組數(shù)量、準(zhǔn)確度等級以及暫態(tài)特性，短路穩(wěn)定性條件需要考慮動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定倍數(shù)，承受過電壓能力需要考慮絕緣水平、泄漏比距。

額定一次電壓選擇不小于電流互感器所在回路的一次電壓，由于額定電壓升高會導(dǎo)致制造時絕緣成本上升，因此通常取該回路一次電壓。額定一次電流根據(jù)所在回路最大工作電流選擇，根據(jù)該回路可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流和短路電流水平選擇合適的額定連續(xù)熱電流、額定短時熱電流，并按持續(xù)時間1 s對額定熱電流倍數(shù)和動穩(wěn)定電流進(jìn)行校驗(yàn)[1]。電流互感器額定二次電流有5 A和1 A兩種，選用額定二次電流為1 A的電流互感器，可以在相同比值誤差下獲得額定二次電流為5 A互感器的25倍帶負(fù)載阻抗能力，從而減小連接互感器到繼電保護(hù)或測量/計量裝置之間控制電纜的導(dǎo)線截面[2]。二次繞組數(shù)量取決于設(shè)備安裝處需要接入的測量儀表、保護(hù)裝置以及安全自動裝置數(shù)量，結(jié)合接入設(shè)備的使用功能、二次負(fù)載大小，可以將同類型設(shè)備在二次回路中進(jìn)行串聯(lián)連接，使用一個二次繞組帶多個設(shè)備獲取電流采樣。雙重化配置的保護(hù)應(yīng)使用電流互感器的不同二次繞組，避免因互感器斷線造成雙重化保護(hù)誤動或拒動。

2 保護(hù)用電流互感器

2.1 一次參數(shù)選擇

保護(hù)用電流互感器與繼電保護(hù)裝置相互配合，必須滿足繼電保護(hù)選擇性、速動性、靈敏性以及可靠性4個方面的基本要求。在保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時，能使繼電保護(hù)裝置正確動作，其誤差不影響保護(hù)裝置的可靠性；在保護(hù)區(qū)外發(fā)生最嚴(yán)重的故障時，其誤差不導(dǎo)致保護(hù)誤動或無選擇性動作。

光伏電站中組件所發(fā)出的直流電經(jīng)逆變后通過場區(qū)內(nèi)的箱式變壓器升壓至35 kV，經(jīng)匯流后接至光伏電站的升壓站，在升壓站內(nèi)經(jīng)升壓變壓器升壓至110 kV或220 kV送出，接入新能源匯集站或電網(wǎng)變電站。額定一次電流根據(jù)光伏電站送出線路和終期發(fā)展規(guī)模的最大工作電流選擇設(shè)計規(guī)范提供的標(biāo)準(zhǔn)值[3]。系統(tǒng)短路時，短路電流增大至額定工作電流數(shù)十倍，因互感器鐵芯飽和，勵磁電流迅速增大，使電流互感器誤差增加，對繼電保護(hù)的靈敏性和選擇性造成影響。

2.2 二次參數(shù)選擇

由于微機(jī)保護(hù)已廣泛普及，若無特殊要求，電流互感器額定二次電流通常選用1 A。當(dāng)實(shí)際二次負(fù)荷較小時，選用較大的額定負(fù)荷進(jìn)行輸出，可以提高電流互感器抗飽和能力。由于互感器鐵芯在上一次短路故障發(fā)生后留有剩磁，當(dāng)下次短路發(fā)生時鐵芯會很快飽和，因此可以采用簡化方法和P類互感器進(jìn)行初步估算。220 kV及以下繼電保護(hù)暫態(tài)飽和問題造成的影響較小，通常可以按穩(wěn)態(tài)短路條件計算和選擇。按區(qū)內(nèi)最嚴(yán)重故障短路時流過電流互感器安裝處的電流對穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行校驗(yàn)，需要滿足額定二次極限電勢大于繼電保護(hù)動作性能要求的二次極限電勢[4]。

3 測量用電流互感器

3.1 一次參數(shù)選擇

光伏電站的發(fā)電不穩(wěn)定，天氣、溫度、負(fù)載的變化會導(dǎo)致工作電流出現(xiàn)大范圍波動，加上升壓站的關(guān)口計量點(diǎn)通常設(shè)在出線處，此時應(yīng)選用S級專用電流互感器。結(jié)合光伏電站分期投入運(yùn)行的規(guī)模，選擇二次電流合適的多電流可選變比抽頭，提供小變比抽頭供前期并網(wǎng)光伏電站容量較少時使用，保留后期擴(kuò)建切換到大變比抽頭的可能性。額定一次電流選擇應(yīng)在正常負(fù)荷下使儀表指示在刻度標(biāo)尺2/3以上，接近一次回路正常運(yùn)行時最大負(fù)荷電流，既可以使測量儀表在正常運(yùn)行時處于最佳工作范圍，又可以兼顧短時過載負(fù)荷提供正確的儀表指示。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計量，同一組電流互感器保護(hù)用和測量用二次繞組可以采用不同的變比[5]。

3.2 二次參數(shù)選擇

測量用電流互感器與測量儀表準(zhǔn)確等級相互匹配，由于工作電流變化范圍大，因此通常選擇S級電流互感器作為計費(fèi)用的電能計量裝置[6]。根據(jù)回路中儀表工作損耗、電流回路連接導(dǎo)線損耗、接觸電阻損耗等因素，計算實(shí)際二次負(fù)荷。在滿足實(shí)際二次負(fù)載正常工作需要的前提下，適當(dāng)降低測量用電流互感器額定二次負(fù)荷，以便一次短路電流超過額定儀表限值一次電流時，二次感應(yīng)電動勢計算值大于或等于額定二次極限電動勢，使電流互感器飽和，保證儀表安全。

4 工程實(shí)例

某光伏電站規(guī)劃容量為150 MW，本期全部建成，光伏電站配套建設(shè)的升壓站110 kV側(cè)采用線路-變壓器組接線，裝設(shè)1臺150 MVA油浸自冷升壓變壓器。對側(cè)變電站110 kV出線擴(kuò)建間隔配電裝置距離繼電保護(hù)室內(nèi)電能量計費(fèi)屏電纜長度約為290 m，電流互感器二次電流為5 A。

4.1 新建站電流互感器選擇

額定二次電流Isr為1 A，額定一次電流In根據(jù)主變壓器110 kV側(cè)回路持續(xù)工作電流選擇，即：

式中：Sn為負(fù)荷容量；Un為額定電壓。

根據(jù)系統(tǒng)專業(yè)短路計算結(jié)果，110 kV出線三相短路電流周期分量I''=7.492 kA，短路沖擊電流（峰值）Ich=19.105 kA，升壓站110 kV側(cè)短路電流按40 kA設(shè)計，距離保護(hù)I段末端短路電流為35 kA，給定暫態(tài)系數(shù)K=2。根據(jù)上述計算結(jié)果，為減小額定一次電流下的比值誤差限制，額定電流取1 250 A[7]。

對P級電流互感器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)性能計算：距離保護(hù)I段保護(hù)校驗(yàn)系數(shù)Kpcf=35/1.25=28；保護(hù)出口短路電流為7.492 kA，保護(hù)校驗(yàn)系數(shù)Kpcf=7.492/1.25=5.99。

選擇5P級互感器，考慮短路電流設(shè)計水平，準(zhǔn)確級選擇5P30。根據(jù)所選互感器廠家參數(shù)，準(zhǔn)確限制系數(shù)Ralf=30，互感器額定電阻負(fù)荷Rb=30 Ω，二次繞組電阻Rct=9 Ω，實(shí)際二次負(fù)荷Rb'=10 Ω。按距離保護(hù)I段末端短路校驗(yàn)時，電流互感器額定二次極限電勢為：

電流互感器等效二次感應(yīng)電勢為：

由于Es1＞Es，因此所選電流互感器滿足要求?？紤]到光伏電站方陣數(shù)較多，集電線路按回路分批并入35 kV母線向電網(wǎng)送電。在投運(yùn)早期并網(wǎng)光伏方陣較少時，實(shí)際負(fù)荷電流不足1 000 A的20%，會使測量和計量出現(xiàn)較大誤差。基于此，增設(shè)變比600/1 A以滿足工程早期運(yùn)行需要，當(dāng)并網(wǎng)負(fù)荷電流超過600 A時切換二次抽頭至1 000/1 A。110 kV送出線路為本站關(guān)口計量點(diǎn)，為了滿足測量和計量對精度的不同要求，測量級準(zhǔn)確度為0.5，計量級準(zhǔn)確度為0.2S。

4.2 對側(cè)擴(kuò)建間隔互感器選擇

根據(jù)配電裝置到計量屏距離，對側(cè)擴(kuò)建間隔110 kV線路電流互感器計量二次繞組實(shí)際負(fù)荷為：

式中：Zb為電流互感器二次回路阻抗，Ω；Kmc為儀表接線的阻抗換算系數(shù)；Zm為儀表電流線圈的阻抗，Ω；K1c為連接線的阻抗換算系數(shù)；Z1為連接導(dǎo)線單程的阻抗，Ω；Rc為接觸電阻，可以取0.05～0.1 Ω；A為二次回路導(dǎo)線截面積，mm2；ρ為銅導(dǎo)電率；L為二次回路導(dǎo)線單根長度，m。

本工程計量繞組二次額定電流為5 A，關(guān)口計量電流回路采用分相接法，每相并聯(lián)2根10 mm2的電纜，長度為290 m。該計量點(diǎn)串聯(lián)接入2塊多功能關(guān)口電能表，電流互感器按分相接線，故儀表接線的阻抗換算系數(shù)Kmc=1，連接線的阻抗換算系數(shù)K1c=2。根據(jù)電能表廠家提供資料，儀表（電能表）電流線圈的阻抗Zm取0.1 Ω，接觸電阻取0.1 Ω，則電流互感器二次阻抗Zb約為0.809 Ω。電流互感器二次實(shí)際負(fù)荷應(yīng)在25%～100%額定二次負(fù)荷范圍內(nèi)，根據(jù)計算結(jié)果電流互感器二次額定容量應(yīng)在20.225～80.9 VA范圍內(nèi)，實(shí)際選擇為30 VA，可以滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

光伏電站送出線路電流互感器必須根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況并結(jié)合遠(yuǎn)期各階段擴(kuò)建的光伏容量及終期規(guī)模進(jìn)行確定，建議采用變比可選電流互感器，以適應(yīng)不同階段的運(yùn)行要求。在選擇保護(hù)級互感器時，如果系統(tǒng)短路容量很大而互感器額定電流較小，建議選用限值剩磁系數(shù)的PR級互感器，以消除對保護(hù)的影響。如果在擴(kuò)建/改造項目中出現(xiàn)配電裝置距繼電保護(hù)室較遠(yuǎn)導(dǎo)致二次額定負(fù)荷選擇困難時，可以采用大截面電纜或多根電纜并聯(lián)的方式減小電纜上的功耗。