一起電流互感器二次負載不滿足要求案例分析

陳 坤 鐘著輝

一起電流互感器二次負載不滿足要求案例分析

陳 坤 鐘著輝

（國網湖南省電力有限公司常德供電分公司，湖南 常德 415000）

本文對一起計劃檢修工作中發現的保護用電流互感器二次負載不滿足要求的案例進行分析，結合現場實際情況提出相應解決方法，并通過仿真模擬分析所提方法帶來的潛在問題。

電流互感器；二次負載；伏安特性；繼電保護

0 引言

目前，常規變電站廣泛采用基于電磁感應原理的電磁式電流互感器。電流互感器是電力系統繼電保護、測量、計量等裝置的數據源頭，對電流互感器最基本的要求是能真實、準確量測出正常運行狀態下的一次電流[1]。對于保護用電流互感器，還要求其能夠準確反映故障狀態下一次電流大小及相位。在實際現場中，存在電流二次回路設計不足、電流互感器選型偏差及系統短路容量增加等可能造成電流互感器二次負載超過額定允許值的因素。這些因素都可能造成電流互感器傳變誤差增大，進而導致繼電保護可靠性降低[2-6]。

本文對一起保護用電流互感器二次負載不滿足要求的案例進行分析，提出相應的解決辦法，并通過仿真模擬分析所提方法帶來的潛在問題。

1 案例介紹

近幾年以某地區甲變電站為核心的主網架結構發生了諸多變化，尤其是電甲Ⅰ、Ⅱ線（電廠送至220kV甲變電站的兩條線路）投運后，甲站220kV母線最大短路電流已超過20kA，圖1為甲變電站電氣平面示意圖。在某次停電檢修過程中，工作人員在二次側對甲站220kV出線電流互感器伏安特性及二次負載進行校驗，發現甲乙線612、丙甲線602間隔二次負載嚴重超過電流互感器勵磁特性允許值，尤其是以單相接地最大短路電流校核的結果。以甲乙線612間隔為例，按單相接地最大短路電流核算的繞組二次電壓為186V，遠大于電流互感器伏安特性實測拐點電壓125V。

圖1 甲變電站電氣平面示意圖

2 理論分析

根據繼電保護技術規程GB/T 34122—2017 9.3.3規定“電流互感器帶實際二次負荷在穩態短路電流下的準確限值系數或勵磁特性（含飽和拐點）應能滿足所接保護裝置動作可靠性的要求”[7]。DL/T 866—2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》也對電流互感器提出相關要求，即要求保護區外最嚴重故障時電流互感器誤差不會導致保護誤動作或無選擇性動作[8]。

2.1 電流互感器誤差特性對繼電保護的影響

電流互感器誤差包括電流比誤差和相位誤差，主要由本身勵磁特性不良及二次負載阻抗超過允許值造成，尤其是二次負載阻抗大小對電流互感器準確度有較大影響。電流互感器模型如圖2所示，當電流互感器回路阻抗超出容許負載時，勵磁電流數值將大大增加，使鐵心進入飽和狀態。電流互感器飽和后，很大部分的一次電流將變為勵磁電流，造成互感器誤差大大增加，一旦區外出口短路，可能造成繼電保護誤動作。

圖2 電流互感器模型

2.2 減小電流互感器二次負載的措施

當電流互感器不滿足誤差特性要求時，可采取的技術措施主要有[9]：①增大電流互感器電流比；②增大電流互感器二次電纜截面積，減小回路阻抗；③串接備用電流互感器繞組，提高容許拐點電壓和短路電流倍數；④更換勵磁特性更佳的電流互感器。

對于甲變電站，220kV間隔電流互感器一次連接片均為并聯方式，二次側也無備用繞組可供串接使用，技術措施①和③并不適用于現場實際。由于工作前并未擬定相關更換電流互感器的計劃，故對此次校核結果不滿足要求的電流互感器，只能通過改善二次回路來降低誤差影響。

在忽略導線電感、電流互感器二次繞組電阻、二次回路接觸電阻及裝置電阻時，電流互感器的二次負載fd可由式（1）近似計算。

由式（1）可得，在電纜長度一定情況下，截面積越大，二次負載阻抗越小。例如，電流回路截面積為4mm2芯線阻抗是截面積為2.5mm2芯線阻抗的0.625倍。因此，可以考慮通過增大二次回路電纜芯線截面積的方式來降低電流互感器二次負載。電流回路電纜截面積可根據式（2）進行選取[10]。

式中：1、2為換算系數，由表1給出；en為電流互感器允許額定負載；Z為附加電阻（包括保護裝置電阻、二次繞組電阻等）；c為二次回路接觸電阻。

表1 換算系數K1、K2

計算時忽略附加電阻Z和二次回路接觸電阻c，允許負載en取為1.6W（額定負載）。以距離主控室最遠的丙甲線602間隔為例進行保護用電流回路電纜選型。電流回路電纜長度約為360m，則由式（2）可得截面積理論值為7.9mm2，需選用8mm2電纜芯線。考慮到接于端子排的電纜芯線截面積不宜超過6mm2，即使是6mm2截面的電纜保護屏上已難以接入。為此，考慮新敷設一根電纜，以與原電流回路電纜并接的方式來降低二次回路阻抗。

3 處理措施及結果

為妥善處理電流互感器二次負載不滿足要求的問題，二次專業人員計劃通過敷設新電纜與原電流回路電纜并接的方式來減小回路電阻，以期達到要求。并接示意圖如圖3所示，虛線為新敷設的電纜。

圖3 電流電纜并接示意圖

已知甲變電站220kV母線單相接地最大短路電流為21.826kA，三相短路最大短路電流為20.439kA，保護繞組電流互感器電流比統一為1 200/5。可核算出最大短路電流下的電動勢S為

式中：kmax為最大短路電流；TA為電流互感器電流比；ct為電流互感器的二次繞組電阻。

根據導則要求采用最大短路電流核算的電動勢S應小于實測拐點電壓k（不滿足要求時，按0.9倍kmax進行校驗）。表2給出了甲乙線612間隔電流互感器二次負載及核算結果。

表2 甲乙線612間隔電流互感器二次負載及核算結果

由表2可看出，甲乙線612間隔按單相接地最大短路電流的0.9倍核算結果為0.9kmax×fd=0.9× 21 826×(1.093+1.083)/240V=178V＞125V，不合格，需將電流AN回路電阻降至1.53W左右，方能滿足要求。

甲乙線612間隔電流回路電纜規格為4×4mm2，為確保該間隔二次負載核算滿足要求，采取在原電纜基礎上并行敷設一根同型號新電纜的措施。此外，從降低電流回路開路概率考慮，僅選取2芯與現有N線并接一起。理論上，N回路導線阻抗約降為原值的1/3，能夠滿足現有要求。整改后的甲乙線612間隔電流互感器二次負載見表3。

由表3可以看出，N回路導線阻抗雖未降至原來的1/3（約0.363），但數值確有降低，尤其是第二套保護二次負載，整改之后結果已經滿足預期要求。而第一套保護用電流回路因串接有故障錄波回路和斷路器保護電流回路，所以整改后的核算電壓仍略高于實測拐點電壓。

表3 整改后甲乙線612間隔電流互感器二次負載

丙甲線602間隔電流互感器核算結果見表4。

表4 丙甲線602間隔電流互感器核算結果

由表4可以看出，丙甲線602間隔電流互感器按單相接地最大短路電流核算的電動勢S為0.9kmax×fd=0.9×21 826×(1.359+1.398)/240V=226V＞126V，不合格，需將AN相電阻降至1.54W左右方合格。

丙甲線602間隔電流回路電纜規格為4×4mm2，該間隔端子箱距離主控室最遠，單向距離約為180m左右。為確保二次負載核算滿足要求，采取在原電纜基礎上并行敷設一根同型號新電纜的措施，將新敷設的4芯電纜與原電纜按相分別在端子箱和保護屏并接（加裝接線端子）。理論上，并接后回路阻抗約降為原值的1/2，能夠滿足現有要求。整改后的丙甲線602間隔電流互感器二次負載見表5。

表5 整改后丙甲線602間隔電流互感器二次負載

由表5可以看出，第二套保護二次阻抗在并接之后基本降至原來的1/2，已能夠滿足要求。而第一套保護用電流回路因串接有故障錄波回路，所以整改后的二次負載雖未降至1/2，但已接近預期值，采用單相接地最大短路電流進行核算能夠滿足要求。

4 分析與思考

對于220kV甲變電站相關間隔電流互感器二次負載不滿足要求的問題，本次采取的措施是在原電流回路基礎上并接電纜芯線以減小回路阻抗。下面對并接電纜方案存在的問題進行分析。

1）在并接電纜芯線時，無論是新增加接線端子還是共用原電流端子都增大了電流回路開路的概率，尤其是丙甲線602間隔并接A、B、C、N回路的情況。當A、B、C三相中任一并接線開路時，雖不會造成電流互感器完全開路，但會導致斷開相回路阻抗突然增大，將造成A、B、C三相電流回路失去原有的對稱性，進而對保護采樣產生影響。而N回路開路時，則將導致中性線電阻突然增大。有文獻指出電流互感器中性線電阻變大，區外故障時有可能導致線路差動保護誤動作[11]。

本文采用ATP-EMTP軟件搭建相應仿真模型，對上述各種故障場景進行模擬。在0.1s時，并接于A相電流回路某一支路開路故障場景下的三相電流如圖4所示。可以看出，當并接的A相支路開路后，A、B、C三相電流平衡的狀態被破壞，系統中出現一定數值的零序電流。當負荷電流達到一定數值后，該零序電流有可能引起保護誤啟動甚至是誤動作。

圖4 并接于A相支路開路時三相電流

并接的N相支路發生斷線并且線路在0.02s時發生區外A相接地故障場景下的電流如圖5～圖7所示。其中，圖5為并接N相支路未斷線側的電流，圖6為并接N相支路斷線側的三相電流，圖7為并接N相支路斷線引起的差流。可以看出，在系統正常運行時N相支路開路并不會表現出明顯的故障特征，以致無法察覺。但由于N回路的開斷，導致線路兩側電流回路失去原有的對稱性。一旦區外近端發生短路故障，線路上將流過較大的穿越電流，此時兩側所產生的差流有可能引起線路差動保護誤 動作。

圖5 區外故障并接N相支路未斷線側三相電流

圖6 區外故障并接N相支路斷線側三相電流

圖7 區外故障并接N相支路斷線引起的差流

2）對于采用并接電纜來改善電流互感器二次帶載能力的方案，不能適應該地區電網容量增長的需求及主網架結構的變化。以丙甲線602間隔為例，實測拐點電壓為126V，按照并接電纜后的回路阻抗反推此電流互感器能夠適應的單相最大短路電流kmax為kmax=240×126÷(0.752+0.752)÷0.9kA=22.34kA，即當單相最大短路電流超過22.34kA時，該電流互感器的二次負載又不合格。

3）上述間隔在對電流互感器進行校核計算時，并未考慮電流互感器的繞組電阻ct，若計及電流互感器繞組電阻，則二次負載fd由式（4）近似計算，其中L為電流互感器二次回路電阻。

本型號電流互感器二次繞組電阻ct約為0.5W，若在校核中計及繞組電阻，即使采用4芯線全并接的方案也不能滿足要求。

4）所采用的方案中，并未考慮對電流回路時間常數的影響。

綜上所述，采用并接電纜來改善甲變電站電流互感器二次帶載能力的方案并不能滿足電網發展的要求和網架結構的變化，而且還可能帶來一些其他危及保護正常運行的因素。因此，建議對上述間隔電流互感器進行立項更換，更換為伏安特性更好或電流比更大的電流互感器。

5 結論

保護用電流互感器是繼電保護、安全自動等裝置采集數據的源頭，其誤差特性直接影響繼電保護動作的可靠性。本文針對一起電網規模擴大后系統短路容量增大導致的電流互感器二次負載核算結果不滿足要求的事件進行了分析討論，提出在原電流回路基礎上并接電纜來降低電流互感器二次負載的方法，使現場檢修工作中面臨的問題得以解決。最后，通過仿真模擬指出所提方法也存在一些潛在問題和局限性。本文所述內容對現場電流互感器的選型及工程應用具有一定的參考意義。

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Analysis of a case that the secondary load of current transformer does not meet the requirements

CHEN Kun ZHONG Zhuhui

(Changde Power Supply Company of State Grid Hu’nan Electric Power Co., Ltd, Changde, Hu’nan 415000)

This paper analyzes a case that the secondary load of current transformer for protection does not meet the requirements found in the planned maintenance work. Corresponding solutions are proposed based on the actual situation on site, and potential problems brought by the proposed methods are analyzed through simulation.

current transformer; secondary load; V-I characteristic; relay protection

2022-10-08

2022-10-24

陳 坤（1989—），男，湖北十堰人，碩士，工程師，主要從事電力系統繼電保護工作。