一起电流互感器二次负载不满足要求案例分析

国网湖南省电力有限公司常德供电分公司的陈坤、钟著辉，在2022年第12期《电气技术》上撰文，对一起计划检修工作中发现的保护用电流互感器二次负载不满足要求的案例进行分析，结合现场实际情况提出相应解决方法，并通过仿真模拟分析所提方法带来的潜在问题。

目前，常规变电站广泛采用基于电磁感应原理的电磁式电流互感器。电流互感器是电力系统继电保护、测量、计量等装置的数据源头，对电流互感器最基本的要求是能真实、准确量测出正常运行状态下的一次电流。

对于保护用电流互感器，还要求其能够准确反映故障状态下一次电流大小及相位。在实际现场中，存在电流二次回路设计不足、电流互感器选型偏差及系统短路容量增加等可能造成电流互感器二次负载超过额定允许值的因素。这些因素都可能造成电流互感器传变误差增大，进而导致继电保护可靠性降低。

本文对一起保护用电流互感器二次负载不满足要求的案例进行分析，提出相应的解决办法，并通过仿真模拟分析所提方法带来的潜在问题。

1  案例介绍

近几年以某地区甲变电站为核心的主网架结构发生了诸多变化，尤其是电甲Ⅰ、Ⅱ线（电厂送至220kV甲变电站的两条线路）投运后，甲站220kV母线最大短路电流已超过20kA，图1为甲变电站电气平面示意图。

在某次停电检修过程中，工作人员在二次侧对甲站220kV出线电流互感器伏安特性及二次负载进行校验，发现甲乙线612、丙甲线602间隔二次负载严重超过电流互感器励磁特性允许值，尤其是以单相接地最大短路电流校核的结果。以甲乙线612间隔为例，按单相接地最大短路电流核算的绕组二次电压为186V，远大于电流互感器伏安特性实测拐点电压125V。

图1  甲变电站电气平面示意图

2  理论分析

根据继电保护技术规程GB/T 34122—2017 9.3.3规定“电流互感器带实际二次负荷在稳态短路电流下的准确限值系数或励磁特性（含饱和拐点）应能满足所接保护装置动作可靠性的要求”。DL/T 866-2015《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》也对电流互感器提出相关要求，即要求保护区外最严重故障时电流互感器误差不会导致保护误动作或无选择性动作。

2.1  电流互感器误差特性对继电保护的影响

电流互感器误差包括电流比误差和相位误差，主要由本身励磁特性不良及二次负载阻抗超过允许值造成，尤其是二次负载阻抗大小对电流互感器准确度有较大影响。电流互感器模型如图2所示，当电流互感器回路阻抗超出容许负载时，励磁电流数值将大大增加，使铁心进入饱和状态。电流互感器饱和后，很大部分的一次电流将变为励磁电流，造成互感器误差大大增加，一旦区外出口短路，可能造成继电保护误动作。

图2  电流互感器模型

2.2  减小电流互感器二次负载的措施

当电流互感器不满足误差特性要求时，可采取的技术措施主要有：增大电流互感器电流比；增大电流互感器二次电缆截面积，减小回路阻抗；串接备用电流互感器绕组，提高容许拐点电压和短路电流倍数；更换励磁特性更佳的电流互感器。

对于甲变电站，220kV间隔电流互感器一次连接片均为并联方式，二次侧也无备用绕组可供串接使用，技术措施和并不适用于现场实际。由于工作前并未拟定相关更换电流互感器的计划，故对此次校核结果不满足要求的电流互感器，只能通过改善二次回路来降低误差影响。

在忽略导线电感、电流互感器二次绕组电阻、二次回路接触电阻及装置电阻时，电流互感器的二次负载Zfd可由式（1）近似计算。

式（1）

由式（1）可得，在电缆长度一定情况下，截面积越大，二次负载阻抗越小。例如，电流回路截面积为4mm2芯线阻抗是截面积为2.5mm2芯线阻抗的0.625倍。因此，可以考虑通过增大二次回路电缆芯线截面积的方式来降低电流互感器二次负载。电流回路电缆截面积可根据式（2）进行选取。

式（2）

式（2）中：K1、K2为换算系数，由表1给出；Zen为电流互感器允许额定负载；ZZ为附加电阻（包括保护装置电阻、二次绕组电阻等）；Zc为二次回路接触电阻。

表1  换算系数K1、K2

计算时忽略附加电阻ZZ和二次回路接触电阻Zc，允许负载Zen取为1.6Ω（额定负载）。以距离主控室最远的丙甲线602间隔为例进行保护用电流回路电缆选型。电流回路电缆长度L约为360m，则由式（2）可得截面积S理论值为7.9mm2，需选用8mm2电缆芯线。考虑到接于端子排的电缆芯线截面积不宜超过6mm2，即使是6mm2截面的电缆保护屏上已难以接入。为此，考虑新敷设一根电缆，以与原电流回路电缆并接的方式来降低二次回路阻抗。

3  处理措施及结果

为妥善处理电流互感器二次负载不满足要求的问题，二次专业人员计划通过敷设新电缆与原电流回路电缆并接的方式来减小回路电阻，以期达到要求。并接示意图如图3所示，虚线为新敷设的电缆。

图3  电流电缆并接示意图

已知甲变电站220kV母线单相接地最大短路电流为21.826kA，三相短路最大短路电流为20.439kA，保护绕组电流互感器电流比统一为1200/5。可核算出最大短路电流下的电动势ES为

式（3）

式（3）中：Ikmax为最大短路电流；nTA为电流互感器电流比；Rct为电流互感器的二次绕组电阻。根据导则要求采用最大短路电流核算的电动势ES应小于实测拐点电压Ek（不满足要求时，按0.9倍Ikmax进行校验）。表2给出了甲乙线612间隔电流互感器二次负载及核算结果。

表2  甲乙线612间隔电流互感器二次负载及核算结果

由表2可看出，甲乙线612间隔按单相接地最大短路电流的0.9倍核算结果为0.9Ikmax×Zfd=0.9× 21 826×(1.093+1.083)/240V=178V＞125V，不合格，需将电流AN回路电阻降至1.53Ω左右，方能满足要求。甲乙线612间隔电流回路电缆规格为4×4mm2，为确保该间隔二次负载核算满足要求，采取在原电缆基础上并行敷设一根同型号新电缆的措施。

此外，从降低电流回路开路概率考虑，仅选取2芯与现有N线并接一起。理论上，N回路导线阻抗约降为原值的1/3，能够满足现有要求。整改后的甲乙线612间隔电流互感器二次负载见表3。

表3  整改后甲乙线612间隔电流互感器二次负载

由表3可以看出，N回路导线阻抗虽未降至原来的1/3（约0.363），但数值确有降低，尤其是第二套保护二次负载，整改之后结果已经满足预期要求。而第一套保护用电流回路因串接有故障录波回路和断路器保护电流回路，所以整改后的核算电压仍略高于实测拐点电压。丙甲线602间隔电流互感器核算结果见表4。

表4  丙甲线602间隔电流互感器核算结果

由表4可以看出，丙甲线602间隔电流互感器按单相接地最大短路电流核算的电动势ES为0.9Ikmax× Zfd=0.9×21 826×(1.359+1.398)/240V=226V＞126V，不合格，需将AN相电阻降至1.54Ω左右方合格。

丙甲线602间隔电流回路电缆规格为4×4mm2，该间隔端子箱距离主控室最远，单向距离约为180m左右。为确保二次负载核算满足要求，采取在原电缆基础上并行敷设一根同型号新电缆的措施，将新敷设的4芯电缆与原电缆按相分别在端子箱和保护屏并接（加装接线端子）。理论上，并接后回路阻抗约降为原值的1/2，能够满足现有要求。整改后的丙甲线602间隔电流互感器二次负载见表5。

表5  整改后丙甲线602间隔电流互感器二次负载

由表5可以看出，第二套保护二次阻抗在并接之后基本降至原来的1/2，已能够满足要求。而第一套保护用电流回路因串接有故障录波回路，所以整改后的二次负载虽未降至1/2，但已接近预期值，采用单相接地最大短路电流进行核算能够满足要求。

4  分析与思考

对于220kV甲变电站相关间隔电流互感器二次负载不满足要求的问题，本次采取的措施是在原电流回路基础上并接电缆芯线以减小回路阻抗。下面对并接电缆方案存在的问题进行分析。

1）在并接电缆芯线时，无论是新增加接线端子还是共用原电流端子都增大了电流回路开路的概率，尤其是丙甲线602间隔并接A、B、C、N回路的情况。当A、B、C三相中任一并接线开路时，虽不会造成电流互感器完全开路，但会导致断开相回路阻抗突然增大，将造成A、B、C三相电流回路失去原有的对称性，进而对保护采样产生影响。而N回路开路时，则将导致中性线电阻突然增大。有文献指出电流互感器中性线电阻变大，区外故障时有可能导致线路差动保护误动作。

本文采用ATP-EMTP软件搭建相应仿真模型，对上述各种故障场景进行模拟。在0.1s时，并接于A相电流回路某一支路开路故障场景下的三相电流如图4所示。可以看出，当并接的A相支路开路后，A、B、C三相电流平衡的状态被破坏，系统中出现一定数值的零序电流。当负荷电流达到一定数值后，该零序电流有可能引起保护误启动甚至是误动作。

图4  并接于A相支路开路时三相电流

2）并接的N相支路发生断线并且线路在0.02s时发生区外A相接地故障场景下的电流如图5～图7所示。其中，图5为并接N相支路未断线侧的电流，图6为并接N相支路断线侧的三相电流，图7为并接N相支路断线引起的差流。

可以看出，在系统正常运行时N相支路开路并不会表现出明显的故障特征，以致无法察觉。但由于N回路的开断，导致线路两侧电流回路失去原有的对称性。一旦区外近端发生短路故障，线路上将流过较大的穿越电流，此时两侧所产生的差流有可能引起线路差动保护误动作。

图5  区外故障并接N相支路未断线侧三相电流

图6  区外故障并接N相支路断线侧三相电流

图7  区外故障并接N相支路断线引起的差流

对于采用并接电缆来改善电流互感器二次带载能力的方案，不能适应该地区电网容量增长的需求及主网架结构的变化。以丙甲线602间隔为例，实测拐点电压为126V，按照并接电缆后的回路阻抗反推此电流互感器能够适应的单相最大短路电流Ikmax为Ikmax=240×126÷(0.752+0.752)÷0.9kA=22.34kA，即当单相最大短路电流超过22.34kA时，该电流互感器的二次负载又不合格。

3）上述间隔在对电流互感器进行校核计算时，并未考虑电流互感器的绕组电阻Rct，若计及电流互感器绕组电阻，则二次负载Zfd由式（4）近似计算，其中RL为电流互感器二次回路电阻。

式（4）

本型号电流互感器二次绕组电阻Rct约为0.5Ω，若在校核中计及绕组电阻，即使采用4芯线全并接的方案也不能满足要求。

4）所采用的方案中，并未考虑对电流回路时间常数的影响。

综上所述，采用并接电缆来改善甲变电站电流互感器二次带载能力的方案并不能满足电网发展的要求和网架结构的变化，而且还可能带来一些其他危及保护正常运行的因素。因此，建议对上述间隔电流互感器进行立项更换，更换为伏安特性更好或电流比更大的电流互感器。

5  结论

保护用电流互感器是继电保护、安全自动等装置采集数据的源头，其误差特性直接影响继电保护动作的可靠性。本文针对一起电网规模扩大后系统短路容量增大导致的电流互感器二次负载核算结果不满足要求的事件进行了分析讨论，提出在原电流回路基础上并接电缆来降低电流互感器二次负载的方法，使现场检修工作中面临的问题得以解决。最后，通过仿真模拟指出所提方法也存在一些潜在问题和局限性。本文所述内容对现场电流互感器的选型及工程应用具有一定的参考意义。

本文编自2022年第12期《电气技术》，论文标题为“一起电流互感器二次负载不满足要求案例分析”，作者为陈坤、钟著辉。