四線制CT接線方式給繼電保護帶來的問題

錢凈生

摘 要：傳統繼電保護電流二次回路三相共用中性線，本文首次提出這種接線方式存在不同相電流互竄的問題，分析互竄產生的原因、條件和程度，并指出對微機型母差、縱差、距離保護可能造成誤動的作用機理，提出中性線獨立的糾正措施。本文提出了分析影響繼電保護動作正確性的新問題，對分析繼保誤動疑案提供新的思考因素。

關鍵詞：繼電保護;差動保護;電流回路;CT飽和

中圖分類號：TM773 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0140-02

0 引言

目前，廣泛采用的電流互感器的輸出是交流電流。而繼電保護及自動裝置的計算邏輯回路通常是直流。為確保繼電保護及自動裝置運行的可靠性及安全性，需將電流互感器的二次回路與繼電保護及自動裝置的邏輯回路進行隔離。在保護裝置中，將電流互感器的二次電流變換成與電流成正比的電壓，并進行交、直流回路隔離的變換器，通常采用兩種變換器之一，即輔助變流器或輔助變壓器（即電抗互感器）。

1 電力系統常規的二次電流接線建模分析

電力系統常規的二次電流接線為三相四線制，ABC三相共用N線構成閉合回路，接線原理如圖1。從圖中可以看出，在某相CT飽和時，非飽和相的電流將從N線和飽和支路回流，回流電流的分布由飽和支路和N線的電阻決定。

2 實際試驗分析

不妨做一個實際試驗來驗證這種現象，測試電路見圖2。測試接線中的電阻模擬導線和CT的直流電阻，由于B相不飽和，B相導線電阻可以忽略，30：30的CT模擬飽和相的特性，在5A下有50%的時間電流飽和。

三相四線制CT接線由于N線共用可以造成電流互竄問題。分析AB相各種角度差下的波形可知，如同時滿足下述條件（下文中引用為條件A），互竄的電流將使飽和期間竄入的電流與不飽和時應出現的電流反相：

（1）兩相幅值不同而造成一相飽和而另一相不飽和。（2）相角差較小或飽和相超前120°。

滿足這一條件的系統情況有：完全接地系統單點多相接地，電網多點故障、主變勵磁涌流。

3 電流互竄現象對各種保護的影響

3.1 線路差動的影響

對于線路差動來說，如果線路兩側CT特性和負載的差異，在區外故障或勵磁涌流時出現了一側飽和、另一側不飽和，如滿足條件A，則在這種電流互竄現象的影響下，繼電器可能會誤判為區內故障而誤動，特別是高靈敏的微機型縱差保護裝置更有可能誤動。

3.2 距離保護和高頻保護的影響

對于距離保護和高頻保護而言，區外故障時只要線路有一側CT出現飽和，且電流滿足條件A，則距離保護的方向元件（阻抗突變量）很可能在CT飽和期間誤判，如果故障距離近，則距離I段很可能立即誤動作。

現以實際案件分析這種電流互竄對距離和高頻保護的影響。某變電所有1205和1206兩條110KV架空線為進線電源，110KV母聯合上，均裝有LFP941B保護裝置。某日線路遭雷擊，兩條線路同時為高頻距離、零序和距離段動作跳閘。看其故障波形，可知1205線和1206線B相電流反向，說明電流從一條進線穿越母聯回到另一條線路。看其高頻收發信和跳閘信號先后秩序，可知1206線保護裝置在故障電流出現的同時正確發出Fx（允跳）信號，而1205線的保護裝置是在故障電流出現后延遲20ms左右才發出Fx信號，發信號的同時正是B相電流波形出現第一個畸變，說明畸變是造成1205線保護裝置判斷故障電流為線路方向的原因。幾乎在1205線發Fx信號的同時，跳閘信號發出，對方的允跳信號Sx比跳閘信號晚15ms，說明1205線是距離I段跳閘的。這些現象說明1205線是因波形畸變而誤跳閘的。看看波形的畸變形狀，就像是沒有考慮直流衰減分量的圖3。其實它就是AC相電流反竄入B相飽和期的結果。

3.3 中阻式母線差動保護的影響及原理分析

對于中阻式母線差動保護而言，由于繼電器電流測量回路的等效阻抗較大，加上有其它線路同相電流的分流影響，情況較為復雜。我們先來分析其保護原理。中阻式母差動保護抗CT飽和引起誤動的原理是基于非飽和支路的電流彌補飽和支路的電流缺損。

當某條出線故障時，極大的故障電流造成該出線的CT飽和，其它線分擔了故障電流而未出現飽和，則故障電流Ifault分流到飽和支路IX和差流支路ID，飽和支路得到的分流IX顯然與CT不飽和應出現的電流同方向，起到了非飽支路的電流彌補飽和支路電流缺損的作用。則其差流和制動電流分別為：

差流ID=Ifault-IX

制動電流IS=Ifault+IX

差流和制動電流比K=ID/IS=（Ifault-IX）/（Ifault+IX）

由于IX/ID=RE/RMAX，故可解得RE>RMAX*/（1+K）/2K時，差動保護不誤動。

從上式可知，要使區外故障不誤動，就是要控制好飽和支路和差流支路的分流比，確保分流到飽和支路的電流比較大。我們可以將單純的CT飽和與經分流后的電流波形做直觀比較，顯見這一抗誤動原理是如何起作用的。

我們通過實驗來驗證這種情況引起母差保護誤動的可能性。某母差保護裝置型號為BUS1000，輔助CT的變比為5：1，一次電阻0.25Ω，二次電阻20Ω，單根導線電阻為0.6Ω。先分析最易誤動的條件，如果有甲乙兩線，甲線的A相飽和、B相不飽和，乙線的AB相均不飽和，而故障中B相電流遠大于A相電流，則分流來的甲線A相電流幾乎全部成了母差中A相的差電流。圖3為模擬這種情況的試驗。圖中A相加直流為模擬CT飽和，實測中甲線A相的分流為2A，后用調壓器取代多功能繼電保護測試儀，將B相電流加大到25A，母差保護A相動作。

分析一下圖3情況在實際中發生的條件，若母差保護的回路超過三個，且有大型變壓器存在，則當變壓器激磁時，如各相出現不同強度的勵磁涌流而分別飽和，涌流最大的如同圖3的B相，涌流較小的如同圖3的A相，由于AB相角差的存在，很可能出現這樣的時間窗：A相進入飽和期而B相退出飽和期，由于A相電流分布在三個回路，則很可能出現只有一個回路進入飽和而使其它回路的不同相分流未發生。這樣的時間窗正好滿足圖3的情況。

這種情況在實際事故中出現過，某220KV變電所，220KV的一條進線帶接地線合閘，縱差跳閘后，110KV主變電壓恢復時出現強烈的勵磁涌流（從故障錄波中看到勵磁涌流比故障電流還大），當時110KV母線裝設的BUS1000母差保護誤動作。

由于中阻式母差保護原理相同，三相四線制CT接線帶來的同回路不同相電流在CT飽和時的互竄問題，都可能造成保護誤動，且極可能發生在勵磁涌流發生時。

4 改進誤動的措施

要防止這種誤動的發生，只能是改變CT二次的接線方式，改為6線傳送三相電流，徹底分開相間二次電流的互串。

5 結語

這個問題是電力系統普遍存在的，它對電網的安全運行威脅較大，許多差動保護的誤動可能是它引起的，但往往被歸因于大電流的CT飽和或者是主變勵磁涌流等等原因。其實就保護原理而言，線路縱差或者是距離保護只要有一定的飽和判斷能力，原本能夠經受得住區外復雜故障、主變激磁的，但在三相四線制CT接線方式造成不同相電流互竄后，保護裝置往往不能正確判斷而誤動。

參考文獻

[1] 韓笑，趙景峰，邢素娟.電網微機保護測試技術[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2] 楊新民，楊雋.電力系統微機保護培訓教材（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2008.