0引言

　　电力系统的飞速发展使供电容量越来越大、网络结构越来越复杂，要求各级继电保护的灵敏度越来越高、配合级差越来越小；电子技术、计算机技术的飞速发展又为继电保护满足系统的要求成为了可能。但继电保护能否充分发挥作用，受到现场一、二次设备性能及回路附属设备等因素的制约。其中受试验设备容量的限制、从试验安全性角度考虑，现场无法直接带二次回路模拟电流互感器保护绕组是否能正确反映出一次故障短路电流，即无法检测出该电流互感器保护绕组的准确限值系数是多少，由于电流互感器二次绕组与二次回路配合选

　　用不当造成保护拒动、误动的事件时有发生，特别是35kV及以下系统大量采用断路器内置式电流互感器，受铁芯体积的限制，出现大量保护用电流互感器特性变差，而更换又成本过高（需与断路器一同更换）；因此引起了更多的关注，如何正确检测、核算、分析，解决现场存在的问题，达到提高电网安全、可靠运行的目的，本文进行了相关内容的探讨，以供参考。

　　1事故描述及分析

　　2005年4月，110kV长岭变1#主变35kV侧限时电流速断保护动作410开关跳闸，35kV出线无保护动作，检查35kV母线无异常，35kV402出线回路有近区短路故障。将402开关手动拉开后，合上410开关送电成功。事故后对402开关和保护回路进行了检查试验，未发现异常，开关和保护均动作正常。跳闸前系统一次接线简图如图1。

　　图1系统一次接线图（2。jpg）

　　查主变保护动作记录和故障录波，得出故障时410回路一次电流有效值如下：A相302A；B相2187A：C相1735A；持续时间618ms。

　　杳110kV长岭变1#主变35kV侧410限时速断与出线402速断保护配合，时间级差为0。5s，保护整定通知单与现场定值一致。保护定值如表1。

　　表1保护整定数据

　　间隔名称 电流互感器变比 速断保护整定电流 速断保护整定时间 故障一次电流启动速断保护动作值

　　410 600/5 13。8A 500ms 1656A

　　402 300/5

　　22A 0ms 1320A

　　通过以上数据分析可知，故障时一次电流B、C相电流有效值和持续时间均大于410、402速断保护启动值。l#主变35kV侧限时速断保护动作正确，402速断保护拒动。

　　查402保护回路所接电流互感器对应铭牌标志绕组为4K1K2，变比为300/5，准确级为10P；准确限值系数未标明。（该站35kV电流互感器均为断路器内置式，与断路器整体绝缘绕注，参数标示严重不全）

　　实测402保护回路所接电流互感器绕组变比无误为300/5。

　　将402电流互感器一次侧开路，解开二次绕组负载回路，在二次保护绕组上施加交流可变电压，读取回路电压、电流值，并计算得出绕组内部等效阻抗值如表2。

　　表2绕组测算数据

　　US（V） 16 32 36 38 39 40 41 42 43

　　IS（A） 0。1 0。2 0。4 0。7 1 2 3 5 10

　　ZS（Ω） 160 160 90 54。3 39 20 13。7 8。4 4。3

　　根据表2绘制出电压与电流的对应关系曲线（即伏安特性曲线）如图2。

　　图2伏安特性曲线（2。jpg）

　　从图2曲线可以看出402电流互感器保护用二次绕组拐点电压约为35V、极限饱和电压约为43V。（用同样的方法检测变比为300/5的其他绕组、拐点电压和极限饱和电压均较此绕组低10V左右，以此判断该绕组是厂家提供给保护用的绕组。）

　　根据表2绘制出内部等效阻抗随电压变化的关系曲线（阻抗特性曲线）如图3。

　　图3阻抗特性曲线（2。jpg）

　　从图3曲线可以看出，当端电压小于拐点电压时，内部等效阻抗值较大，比较稳定，当端电压大于拐点电压后内部等效阻抗值下降较快，当端电压趋于极限饱和电压值时，内部等效阻抗值趋近于0。

　　断开402电流互感器二次绕组回路，在二次负载回路施加交流可变电压，读取回路电压、电流值，并计算得出二次回路负载如表3。

　　表3负载回路测算数据

　　US（V） 2。16 4。32 6。48 8。64 10。8 

　　IS（A） 1 2 3 4 5 

　　ZS（Ω） 2。16 2。16 2。16 2。16 2。16 

　　从表3可以看出，负载回路阻抗不随电压变化，保持不变。

　　正常运行时，电流互感器的等值电路图如图4。

　　注：Es最为二次感应电动势；Us为二次负荷电压；Ip为一次电流；Ip/Kn为二次全电流；Is为二次电流；Ie为励磁电流；N1为一次匝数；N2为二次匝数；Kn为匝数比（Kn=N2/N1）；Xct为二次绕组电抗；Rct为二次绕组电阻；Zfz为二次负荷阻抗（包括二次设备及连接导线）；Ze为励磁阻抗。

　　图4电流互感器的等值电路图（3。jpg）

　　电流互感器的内部等效阻抗ZS为Zct（二次绕组阻抗，图中Xct、Rct）与Ze（励磁阻抗）之和；由于二次绕组阻抗Zct一般不超过0。2Ω，约为励磁阻抗磊的0。1％～1％，且不会在电流互感器出现饱和时发生变化，因此可用励磁阻抗磊替代内部阻抗ZS。电流互感器的等值电路图可简化如图5。

　　注：is为对应一次电流的二次全电流；Zfz为二次负荷阻抗（包括二次设备及连接导线）；Ze为励磁阻抗；Us为二次负荷电压：Ie为励磁回路电流；Ifz为二次负荷电流（即通过保护回路的电流）

　　图5电流互感器简化等值电路图（3。jpg）

　　故障时运行分析：随着一次电流的增大，二次电流（即is）相应增大，当Us超过拐点值后，Ze回路的分流系数开始明显增大，对应故障时一次电流402电流互感器保护绕组二次全电流为：

　　IB=2187/(300/5)=36。5A

　　IC=1735/(300/5)=28。9A

　　保护回路对应于不同一次电流各回路分流变化如表4。

　　表4故障运行分析表

　　项目 线性区间 对应拐点电压 逐渐饱和区间 对应故障IC 极限饱和点 对应故障IB

　　Is（A） 7。5 15。0 24。5 28。9 30。0 36。5

　　Us（V） 16。0 32。0 42。1 42。8 43。0 43。0

　　Ze（Ω） 160。0 160。0 8。42 4。71 4。30 2。59

　　Zfz（Ω） 2。16 2。16 2。16 2。16 2。16 2。16

　　Ze分流（%） 1。3% 1。3% 20。4% 31。4% 33。4% 45。5%

　　Zfz分流（%） 98。7% 98。7% 79。6% 68。6% 66。6% 54。5%

　　Ie（A） 0。10 0。20 5。00 9。09 10。00 16。59

　　Ifz（A） 7。41 14。81 19。49 19。81 19。91 19。91

　　从表4中可看出，受极限饱和电压Us的影响，无论故障时二次绕组全电流is（对应故障一次电流）如何变化，流经保护回路的电流Ifz不超过20A，这就是402速断保护（整定值为22A）不能动作的原因。

　　2电流互感器伏安特性的测算与分析

　　如何判断现场电流互感器及其二次绕组与保护回路的整定配合是否正确，逐渐受到关注，正确检测电流互感器的伏安特性、二次负载并动态分析核算是关键；根据实际检测核算结果，分析并选择适合的解决方案，下面进一步进行探讨。

　　2。1电流互感器伏安特性的检测

　　将电流互感器一次侧开路，二次侧施加交流电压，测量电压和电流（注意保持电压均匀上升，不得来回摆动，否则剩磁的存在将严重影响测量结果。首先电压、电流成线性增长，随着电流的增大，电流互感器逐渐进入饱和区，进入电压饱和区前测取间隔应小，以利找出拐点电压（对应拐点电压的空载电流一般为额定二次电流的10％～20％），进入饱和区后，加测4～5点即可，一般最大测取到2倍二次额定电流下的电压值即可（注：也可采用专用的伏安特性测试仪进行试验）。特别值得注意的是，对于大变比电流互感器和110kV及以上的1A制电流互感器，由于励磁电抗较大，二次空载伏安特性很难作到饱和，一般只作到电压1000V不饱和即可。

　　2。2电流互感器二次负载的检测

　　电流互感器回路二次负载包括联系电缆阻抗、装置负载阻抗、中间电流互感器阻抗和连接导线接触电阻等，统称为二次负载阻抗Zfz。测试时，测试时在电流互感器输出端子通电（解开电流互感器二次进线侧），测差动回路阻抗时应将差动线圈短接。

　　CT二次按三角形接线，应测量3个相一相阻抗，然后换算成相阻抗Zfz：

　　Zfza=(Zab+Zca-Zbc)/2

　　Zfzb=(Zbc+Zab-Zca)/2

　　Zfzc=(Zbc+Zca-Zab)/2

　　CT二次按星形接线，除测量3个相-相阻抗外，还应测量1次相-零阻抗。如测量A相的相-零阻抗Zfza0，可计算零相阻抗Zf0：

　　Zf0=Zfza0-Zfza

　　2。3电流互感器二次负载的计算

　　星形接线三相过流及零序电流保护接线见图6。

　　图6星形三相过流及零序电流保护接线图（4。jpg）

　　（1）三相短路（中性线内无电流）

　　Ua=IaZfz

　　Z=Ua/Ia=Zfz

　　（2）两相短路（以kab(2)为例）

　　Ua=2IaZfz/2=IaZfz

　　Z=Ua/Ia=Zfz

　　（3）单相接地（以ka(1)为例）

　　Ua=Ia(Zfz+Zf0)

　　Z=Ua/Ia=Zfz+Zf0

　　若二次负载采用Zfz+Zf0，计算电流倍数应采用单相接地电流值；若采用Zfz则应取相间短路电流值，哪种情况严重，采用哪种组合方式。

　　（1）三相短路（中性线内是一B相电流）

　　（2）两相短路（kab(2)或kbc(2)为例）

　　Ua=IaZfz+IaZfz=2IaZfz

　　Z=Ua/Ia=2Zfz

　　（3）两相短路（kca(2)为例，中性线内无电流）

　　Ua=IaZfz

　　Z=Zfz

　　Y，d11接线变压器，三角形接线侧ab两相短路，流过星形接线侧A相电流为，流过中性线电流为，则

　　2。4各类保护对应的电流倍数的计算

　　2。4。1纵差保护：mca=Kre1Ik，max/I1，N

　　式中：Ik，max为最大穿越故障短路电流；Kre1为考虑非同期分量影响后的可靠系数，采用速饱和变流器，Kre1=1。3，不带速饱和变流器的，Kre1=2；，I1，N为电流互感器一次侧额定电流。

　　2。4。2限时速断保护：mca=Kre1Iop/I2，NKcon

　　式中：Iop为继电器动作电流；Kre1为可靠系数，取1。1；I2，N为电流互感器二次额定电流；Kcon为电流互感器接线系数。

　　2。4。3距离保护：mca=Kre1Ik/I1，N

　　式中：Ik为保护装置第1段末端短路时故障电流；Kre1为可靠系数，t≤0。5s，取1。5；t>0。5s，取1。3。

　　2。4。4母差保护：mca=Kre1Ik，max/I1，N

　　式中：Ik，max为穿越故障时流过电流互感器最大短路电流；Kre1为可靠系数，取1。3。

　　2。5核算、分析

　　mca×I2，N×Zmax<Use。则该电流互感器及其二次保护回路合格。

　　mca为电流倍数；I2，N为二次额定电流；Zmax为各接线方式下二次最大负载；Use为绕组拐点电压。

　　mca×I2，N×Zmax≥Use，则需进一步计算和判断。

　　在伏安特性曲线中找出对应拐点电压的电流值，计算励磁阻抗：

　　即Ze=Use/Ise

　　其中：Ze为对应绕组拐点电压的励磁阻抗；Ise为对应绕组拐点电压的电流。

　　如Ze≥10倍二次最大负载Z，即判断为合格，否则为不合格。

　　3回路与保护配合的改善方法

　　在检测电流互感器伏安特性时，如判断为绕组匝问短路（三相伏安特性明显不一致，饱和电压低）则必须立即更换，否则应退出该绕组所接电流保护，并重新考虑保护配合。当电流互感器保护绕组伏安特性核算不合格时，可按以下原则对其进行改进，使之满足保护正确配合的需要。

　　3。1选用变比较大的绕组

　　同一电流互感器，变比越大则饱和电压越高（即Use↑）；同时在故障一次电流相同的情况下，二次绕组全电流is变小，二次负载回路端电压降低。

　　3。2降低二次负载

　　通过并接电缆芯线或更换截面较大的二次电缆，即减小Zmax。

　　3。3增大励磁阻抗

　　串接电流互感器同变比的备用保护绕组，增大励磁阻抗，使二次回路允许负载增大。

　　3。4改善二次绕组特性

　　改用伏安特性较高的二次绕组或更换二次输出容量较大的电流互感器。

　　3。5减小继电器动作电流值

　　对出线过电流保护定值（如速断保护）的定值最大值进行限制。

　　4实例分析

　　为解决110kV长岭变电站35kV出线402速断保护不动作，主变35kV限时速断保护越级跳闸问题，可分别采取以下方法。

　　4。1选用变比较大的绕组

　　将402保护绕组改接3-4K1K3（即变比400/5）或3-4KlK4（即变比600/5），可同时从两个方面得到改进：

　　（1）由于变比的增大，同样的一次故障电流，反映到二次电流的值变小，电流速断保护的继电器动作整定电流按变比相应缩小，即电流倍数mca减小，在二次负载回路阻抗Zfz=2。16Ω和绕组阻抗特性（见图3）不变的条件下，核算励磁电阻Ze，原300/5时不合格，改为400/5、600/5后均合格。详见表5。

　　表5励磁阻抗核算表

　　变比 速断定值（A） 电流倍数mca 计算临界电压值Use（V） 对应励磁阻抗Ze（Ω） 励磁阻抗核算

　　300/5 22 4。84 52。27 <4。3 Ze<10Zfz

　　400/5 16。5 3。63 39。20 39 Ze>10Zfz

　　600/5 11 2。42 26。14 160 Ze>10Zfz

　　（2）同一个电流互感器随着绕组变比的增大，输出容量也将增大，反映到伏安特性曲线上的拐点电压值、极限电压值均将提高，满足保护正确动作出口的要求：

　　实测保护绕组3-4K1K2（即300/5）的拐点电压值为35V，极限饱和电压值为43V；小于计算临界电压值（Use）52。27V，不合格。

　　实测保护绕组3-4KlK3（即400/5）的拐点电压值为42V，极限饱和电压值为54V；大于计算临界电压值（Use）39。20V，合格。

　　实测保护绕组3-4K1K4（即600/5）的拐点电压值为50V，极限饱和电压值为65V。大于计算临界电压值（Use）26。14V，合格。

　　4。2通过并接电缆芯线或更换截面较大的二次电缆，降低二次负载

　　在110kV长岭变，通过并接同样型号电缆芯线或更换截面较大的二次电缆，可将二次阻抗由现在的2。1～2。2Ω减小到60％及以下，如其他条件不变，核算如下：

　　原二次负载：22×1。1/5×5×2。16=52。27>35，不合格；

　　降低二次负载后22×1。1/5×5×2。16×0。6=3l。36<35，合格。

　　4。3串接电流互感器同变比的备用保护绕组，使允许负载增大一倍

　　串接电流互感器同变比的备用保护绕组，在现场测试时会发现串接的两个绕组比一个绕组在伏安特性曲线上的拐点电压和极限饱和电压均提高近一倍，如其他条件不变，核算如下：

　　原402为：22×1。1/5×5×2。16=52。27>35，不合格；

　　串接绕组后22×1。1/5×5×2。16=52。27<70，合格。

　　4。4改用伏安特性较高的二次绕组或更换二次绕组输出容量较大的电流互感器

　　为满足110kV长岭变402现场要求，选用保护绕组的伏安特性最低应满足：对应临界电压（402为52。27V）的Ze=Ue/Ie≥10Z（402：Z=2。16Ω）。

　　4。5对出线过电流保护定值（如速断保护）的定值最大值进行限制

　　如其他条件不变，为确保110kV长岭变402出线保护正确动作，速断保护最高限值为：

　　（1）在伏安特性曲线中找到Ze=Ue/Ie=10Z的对应电压以的值：

　　Ze=10×2。16=21。6，对应Ue约为40V。

　　（2）根据核算公式计算速断保护最高限值：

　　电流倍数mca×二次额定电流×最大负载Z=临界Ue

　　电流倍数mca=临界Ue/(二次额定电流×最大负载Z)

　　电流倍数mca=Kre1Iop/I2，NKcon（式中Iop为继电器动作电流；Kre1为可靠系数，取1。1；I2，N为电流互感器二次额定电流；Kcon为电流互感器接线系数，取1）

　　继电器最大动作电流=电流倍数mca×电流互感器二次额定电流I2，N/可靠系数Kre1

　　电流倍数mca=40/(5×2。16)=3。7

　　速断保护最高限值=继电器最大动作电流=3。7×5/1。1=16。8A

　　即将402速断保护定值由22A调为16。8A，能确保出线故障速断保护正确动作出口跳闸，不会引起主变35kv侧限时速断保护越级跳闸的问题，但出线速断保护的定值减少，有可能引起35kV出线速断保护越级切除保护范围外故障，因此对于过流保护定值的限制应慎用。

　　5结束语

　　针对110kV长岭变35kV出线402电流互感器及其二次回路与保护整定配合不当的问题，在全局范围内开展了保护用电流互感器伏安特性普查与核算工作，通过采用适当的整改方法，较好地解除了现场多处类似安全隐患。

　　由于电力系统容量越来越大，故障短路电流也不断增大，在每年校核现场定值是否满足要求的同时，还应动态校核电流互感器保护绕组伏安特性是否满足要求，防止因电流互感器伏安特性不满足要求造成的保护误动或拒动事件的发生。

　　高电压、大容量、长线路对保护用电流互感器的特性要求越来越高，TP类抗饱和电流互感器、PX类电流互感器、电子式电流互感器也己进入实用阶段，对电流互感器的特性检测和校核工作的探讨与研究仍将继续。