陳 坤 鐘著輝

一起電流互感器二次負(fù)載不滿足要求案例分析

陳 坤 鐘著輝

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司常德供電分公司，湖南 常德 415000）

本文對(duì)一起計(jì)劃?rùn)z修工作中發(fā)現(xiàn)的保護(hù)用電流互感器二次負(fù)載不滿足要求的案例進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出相應(yīng)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(fù)載；伏安特性；繼電保護(hù)

0 引言

目前，常規(guī)變電站廣泛采用基于電磁感應(yīng)原理的電磁式電流互感器。電流互感器是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量等裝置的數(shù)據(jù)源頭，對(duì)電流互感器最基本的要求是能真實(shí)、準(zhǔn)確量測(cè)出正常運(yùn)行狀態(tài)下的一次電流[1]。對(duì)于保護(hù)用電流互感器，還要求其能夠準(zhǔn)確反映故障狀態(tài)下一次電流大小及相位。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，存在電流二次回路設(shè)計(jì)不足、電流互感器選型偏差及系統(tǒng)短路容量增加等可能造成電流互感器二次負(fù)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(jìn)而導(dǎo)致繼電保護(hù)可靠性降低[2-6]。

本文對(duì)一起保護(hù)用電流互感器二次負(fù)載不滿足要求的案例進(jìn)行分析，提出相應(yīng)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(qū)甲變電站為核心的主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)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(yùn)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(cè)對(duì)甲站220kV出線電流互感器伏安特性及二次負(fù)載進(jìn)行校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)甲乙線612、丙甲線602間隔二次負(fù)載嚴(yán)重超過電流互感器勵(lì)磁特性允許值，尤其是以單相接地最大短路電流校核的結(jié)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(yuǎn)大于電流互感器伏安特性實(shí)測(cè)拐點(diǎn)電壓125V。

圖1 甲變電站電氣平面示意圖

2 理論分析

根據(jù)繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)程GB/T 34122—2017 9.3.3規(guī)定“電流互感器帶實(shí)際二次負(fù)荷在穩(wěn)態(tài)短路電流下的準(zhǔn)確限值系數(shù)或勵(lì)磁特性（含飽和拐點(diǎn)）應(yīng)能滿足所接保護(hù)裝置動(dòng)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(jì)算規(guī)程》也對(duì)電流互感器提出相關(guān)要求，即要求保護(hù)區(qū)外最嚴(yán)重故障時(shí)電流互感器誤差不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作或無選擇性動(dòng)作[8]。

2.1 電流互感器誤差特性對(duì)繼電保護(hù)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(lì)磁特性不良及二次負(fù)載阻抗超過允許值造成，尤其是二次負(fù)載阻抗大小對(duì)電流互感器準(zhǔn)確度有較大影響。電流互感器模型如圖2所示，當(dāng)電流互感器回路阻抗超出容許負(fù)載時(shí)，勵(lì)磁電流數(shù)值將大大增加，使鐵心進(jìn)入飽和狀態(tài)。電流互感器飽和后，很大部分的一次電流將變?yōu)閯?lì)磁電流，造成互感器誤差大大增加，一旦區(qū)外出口短路，可能造成繼電保護(hù)誤動(dòng)作。

圖2 電流互感器模型

2.2 減小電流互感器二次負(fù)載的措施

當(dāng)電流互感器不滿足誤差特性要求時(shí)，可采取的技術(shù)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(diǎn)電壓和短路電流倍數(shù)；④更換勵(lì)磁特性更佳的電流互感器。

對(duì)于甲變電站，220kV間隔電流互感器一次連接片均為并聯(lián)方式，二次側(cè)也無備用繞組可供串接使用，技術(shù)措施①和③并不適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。由于工作前并未擬定相關(guān)更換電流互感器的計(jì)劃，故對(duì)此次校核結(jié)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(dǎo)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(shí)，電流互感器的二次負(fù)載fd可由式（1）近似計(jì)算。

由式（1）可得，在電纜長(zhǎng)度一定情況下，截面積越大，二次負(fù)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(fù)載。電流回路電纜截面積可根據(jù)式（2）進(jìn)行選取[10]。

式中：1、2為換算系數(shù)，由表1給出；en為電流互感器允許額定負(fù)載；Z為附加電阻（包括保護(hù)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(shù)K1、K2

計(jì)算時(shí)忽略附加電阻Z和二次回路接觸電阻c，允許負(fù)載en取為1.6W（額定負(fù)載）。以距離主控室最遠(yuǎn)的丙甲線602間隔為例進(jìn)行保護(hù)用電流回路電纜選型。電流回路電纜長(zhǎng)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?？紤]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(hù)屏上已難以接入。為此，考慮新敷設(shè)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(jié)果

為妥善處理電流互感器二次負(fù)載不滿足要求的問題，二次專業(yè)人員計(jì)劃通過敷設(shè)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(dá)到要求。并接示意圖如圖3所示，虛線為新敷設(shè)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(hù)繞組電流互感器電流比統(tǒng)一為1 200/5?？珊怂愠鲎畲蠖搪冯娏飨碌碾妱?dòng)勢(shì)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(jù)導(dǎo)則要求采用最大短路電流核算的電動(dòng)勢(shì)S應(yīng)小于實(shí)測(cè)拐點(diǎn)電壓k（不滿足要求時(shí)，按0.9倍kmax進(jìn)行校驗(yàn)）。表2給出了甲乙線612間隔電流互感器二次負(fù)載及核算結(jié)果。

表2 甲乙線612間隔電流互感器二次負(fù)載及核算結(jié)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(jié)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(guī)格為4×4mm2，為確保該間隔二次負(fù)載核算滿足要求，采取在原電纜基礎(chǔ)上并行敷設(shè)一根同型號(hào)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(xiàn)有N線并接一起。理論上，N回路導(dǎo)線阻抗約降為原值的1/3，能夠滿足現(xiàn)有要求。整改后的甲乙線612間隔電流互感器二次負(fù)載見表3。

由表3可以看出，N回路導(dǎo)線阻抗雖未降至原來的1/3（約0.363），但數(shù)值確有降低，尤其是第二套保護(hù)二次負(fù)載，整改之后結(jié)果已經(jīng)滿足預(yù)期要求。而第一套保護(hù)用電流回路因串接有故障錄波回路和斷路器保護(hù)電流回路，所以整改后的核算電壓仍略高于實(shí)測(cè)拐點(diǎn)電壓。

表3 整改后甲乙線612間隔電流互感器二次負(fù)載

丙甲線602間隔電流互感器核算結(jié)果見表4。

表4 丙甲線602間隔電流互感器核算結(jié)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(dòng)勢(shì)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(guī)格為4×4mm2，該間隔端子箱距離主控室最遠(yuǎn)，單向距離約為180m左右。為確保二次負(fù)載核算滿足要求，采取在原電纜基礎(chǔ)上并行敷設(shè)一根同型號(hào)新電纜的措施，將新敷設(shè)的4芯電纜與原電纜按相分別在端子箱和保護(hù)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(xiàn)有要求。整改后的丙甲線602間隔電流互感器二次負(fù)載見表5。

表5 整改后丙甲線602間隔電流互感器二次負(fù)載

由表5可以看出，第二套保護(hù)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(hù)用電流回路因串接有故障錄波回路，所以整改后的二次負(fù)載雖未降至1/2，但已接近預(yù)期值，采用單相接地最大短路電流進(jìn)行核算能夠滿足要求。

4 分析與思考

對(duì)于220kV甲變電站相關(guān)間隔電流互感器二次負(fù)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(chǔ)上并接電纜芯線以減小回路阻抗。下面對(duì)并接電纜方案存在的問題進(jìn)行分析。

1）在并接電纜芯線時(shí)，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(dāng)A、B、C三相中任一并接線開路時(shí)，雖不會(huì)造成電流互感器完全開路，但會(huì)導(dǎo)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(duì)稱性，進(jìn)而對(duì)保護(hù)采樣產(chǎn)生影響。而N回路開路時(shí)，則將導(dǎo)致中性線電阻突然增大。有文獻(xiàn)指出電流互感器中性線電阻變大，區(qū)外故障時(shí)有可能導(dǎo)致線路差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作[11]。

本文采用ATP-EMTP軟件搭建相應(yīng)仿真模型，對(duì)上述各種故障場(chǎng)景進(jìn)行模擬。在0.1s時(shí)，并接于A相電流回路某一支路開路故障場(chǎng)景下的三相電流如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)并接的A相支路開路后，A、B、C三相電流平衡的狀態(tài)被破壞，系統(tǒng)中出現(xiàn)一定數(shù)值的零序電流。當(dāng)負(fù)荷電流達(dá)到一定數(shù)值后，該零序電流有可能引起保護(hù)誤啟動(dòng)甚至是誤動(dòng)作。

圖4 并接于A相支路開路時(shí)三相電流

并接的N相支路發(fā)生斷線并且線路在0.02s時(shí)發(fā)生區(qū)外A相接地故障場(chǎng)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(cè)的電流，圖6為并接N相支路斷線側(cè)的三相電流，圖7為并接N相支路斷線引起的差流?？梢钥闯觯谙到y(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)N相支路開路并不會(huì)表現(xiàn)出明顯的故障特征，以致無法察覺。但由于N回路的開斷，導(dǎo)致線路兩側(cè)電流回路失去原有的對(duì)稱性。一旦區(qū)外近端發(fā)生短路故障，線路上將流過較大的穿越電流，此時(shí)兩側(cè)所產(chǎn)生的差流有可能引起線路差動(dòng)保護(hù)誤 動(dòng)作。

圖5 區(qū)外故障并接N相支路未斷線側(cè)三相電流

圖6 區(qū)外故障并接N相支路斷線側(cè)三相電流

圖7 區(qū)外故障并接N相支路斷線引起的差流

2）對(duì)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(yīng)該地區(qū)電網(wǎng)容量增長(zhǎng)的需求及主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化。以丙甲線602間隔為例，實(shí)測(cè)拐點(diǎn)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(yīng)的單相最大短路電流kmax為kmax=240×126÷(0.752+0.752)÷0.9kA=22.34kA，即當(dāng)單相最大短路電流超過22.34kA時(shí)，該電流互感器的二次負(fù)載又不合格。

3）上述間隔在對(duì)電流互感器進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)，并未考慮電流互感器的繞組電阻ct，若計(jì)及電流互感器繞組電阻，則二次負(fù)載fd由式（4）近似計(jì)算，其中L為電流互感器二次回路電阻。

本型號(hào)電流互感器二次繞組電阻ct約為0.5W，若在校核中計(jì)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(duì)電流回路時(shí)間常數(shù)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(wǎng)發(fā)展的要求和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化，而且還可能帶來一些其他危及保護(hù)正常運(yùn)行的因素。因此，建議對(duì)上述間隔電流互感器進(jìn)行立項(xiàng)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(jié)論

保護(hù)用電流互感器是繼電保護(hù)、安全自動(dòng)等裝置采集數(shù)據(jù)的源頭，其誤差特性直接影響繼電保護(hù)動(dòng)作的可靠性。本文針對(duì)一起電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大后系統(tǒng)短路容量增大導(dǎo)致的電流互感器二次負(fù)載核算結(jié)果不滿足要求的事件進(jìn)行了分析討論，提出在原電流回路基礎(chǔ)上并接電纜來降低電流互感器二次負(fù)載的方法，使現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)容對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電流互感器的選型及工程應(yīng)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(tǒng)繼電保護(hù)工作。