小电流接地系统接地选线/定位零序电流互感器参数探讨

张振旗刘长利柴玲芳胡红垓郑泽斌肖小勤

（珠海威瀚科技发展有限公司）

摘要：本篇探讨了小电流接地选线/定位对零序电流互感器的特殊要求，提出依据系统的电容电流、选线判据的需求及对零序电压最小启动值的规定来确定零序电流互感器的参数。根据规程计算出可能出现的零序电流下限，认为不宜使用普通开启式零序电流互感器。分析了零序电流滤过器的工作特点及应用案例。建议接地选线装置应包括零序电流互感器在内的整体检测、整体供货，以提高装置的正确动作率。

关键词：零序电流互感器；接地选线/定位；过渡电阻；测量范围

Inthisstudy，thespecialrequirementsofzerosequencecurrenttransformer（zsCT），whichcanbeusedforgroundinglineselectionandlocationinnon-effectiveearthedpowersystem，arediscussed.Weproposedanovelstrategythatisbasedonthecapacitancecurrentofthegroundingsystem，requirementofcriterionandthepossibleminimumzerosequencecurrenttodetermineparametersofCT.Accordingtotherules，theminimumzerostartingvoltagecouldbeobtained.ResultssuggestthattypicalzsCTwithopenstructureisnotsuitableforgroundingfaultlineselectionandlocation.Furthermore，theworkingstateofzerosequencecurrentfilterwasanalyzed.Thecorrespondingresultsindicatethatinordertoeffectivelyimprovetheperformanceofcorrectaction，necessarycalibrationincludingzsCTishighlyrecommended.

Keyword；zerosequencecurrenttrabsformer；groudingfaultlineselectionandlocation；transitionresistance；measuringrang

1.概述

电力系统利用短路时电流的增大及运行电压的降低构成各种保护装置。高压互感器反应电压降低及电流上升已经有成熟的经验及技术标准，高压互感器与继电保护装置按规程各自独立检测，准确配合，不会问题。小电流接地选线/定位（接地选线与馈线接地定位类似，不再单独讨论，以下统称装置）的主攻对象是低电压、小电流。零序电压只能取自开口三角，且电压互感器在低量程时的测量精度不降低，本篇不再赘述，本篇依据文[1][2][3]的有关规定讨论零序电流互感器。小电流接地故障线路的零序电流还可能小于健全线路，再加上过渡电阻的影响，装置必须在微小电流中选出接地线路，与一般继电保护利用kA级电流来启动、测量故障区段完全不同，这就是装置的特殊性。所使用的零序电流互感器至今还没有规范的技术条件，处于混乱状态，这就很难保证判据获得准确的零序电流信息。文[1][2][3]只规定了接地选线装置自身的技术条件，没有涉及与之关系密切的零序电流互感器。文[4]将中性点非有效接地系统使用的零序电流互感器纳入保护用电流互感器范畴，指出按保证装置动作灵敏系数来选择变比及有关参数，没有更具体的表述。罕见有专题研究零序电流互感器文章[5][6]，也有研究者曾给予关注[7][8]。发表过的论文基本上是变换判据的表达式，名称繁多难以胜数，对接地电流特征的研究没有新的突破，最后以仿真正确结束。极少论著涉及到接地选线装置在实际运行中对过渡电阻适应性的报导[9][10]。实际上金属性接地毕竟是少数，所述接地电流特征也不是普遍现象。解决金属性接地选线早已成为过去时，仿真不能解决铁磁元件的非线性特征。最完善的判据没有准确的接地信息支撑也没有实用价值。文[11]提出，高阻接地故障是世界范围内普遍面临的检测难点并不夸张。高阻接地可以说成接地电流小，测量不到；也可以说超过了电流互感器的测量范围。在这种情况下，任何一种判据都不能适应。

2.零序电压与过渡电阻的关系

反应高过渡电阻接地是装置的核心技术，文[1][2]给出了过渡电阻的间接指标，但没有给出量化值。文[1]规定最小工作电压二次值为20V（等值一次1154.8V）；文[2]规定了启动电压二次值为1V~100V（等值一次57.74V~5774V），但在选线功能试验中仍然延用了文[1]的“5.2.2”中的表2、3，工作电压降低到20V（折算到一次为1154.8V）时装置应正确动作；文[3]规定启动电压的整定范（0.01~1.0）Un（同文[2]），同时在动态模拟试验中规定2Ω~5倍系统零序阻抗的测试，以及人工接地试验固定电阻（100Ω~3kΩ）时的动作行为，但没有明确合格与不合格的界限。实际上，相同的过渡电阻在不同的接地系统中形成的零序电压是不同的，相差很大。例如，消弧线圈自动调整到最大残流为5A时，零序电压降低到20%相电压时需要5.6kΩ的过渡电阻；若自动调整到最大残流2A，零序电压降低到20%相电压时需要14.1kΩ的过渡电阻，等等，可参考表1的计算结果，从最小零序电压启动值推导出对应的过渡电阻。对于中性点不接地系统，零序电压降低到20%相电压时的过渡电阻值与系统的电容电流有关。中性点经消弧线圈接地系统，零序电压降低到20%相电压时的过渡电阻值与残流有关，与系统的电容电流无关。以下按文[1]、[2]、[12]、[13]、[14]的规定，依据电压/阻抗三角形，计算出中性点不同接地方式、系统不同的电容电流、最大残流、零序电压降低到20%时对应的过渡电阻、接地电流及残流，见表1.

表1看出，中性点经消弧线圈接地系统在零序电压降低到20%相电压时所遇到的过渡电阻比中性点不接地系统高出许多，文[3]指标明显低于文[1]，本篇依据文[1]讨论所延伸的内容。就是说，自动跟踪将最大残流设置为5A时，5657Ω的过渡电阻介入后，零序电压就降低到相电压的20%，残流就降低到1A，此时装置应当准确选线。

2.零序电流互感器测量下限讨论

地选线规程中有最小“工作电流”、“启动电流”及“启动电流整定范围”描述，实际上是一个意思不同的表达方式。文[1]规定最小工作电流在不接地系统及高阻接地系统为20mA，消弧线圈接地系统为100mA。文[2]规定启动电流10mA~100mA。文[3]规定启动电流整定范围：（0.01~1.0）In，推测In是指零序电流互感器的二次额定值，上述规定类似阻抗继电器精确工作电流。若乘以不同的变比，可以得到任意多一次电流额定值，与我们讨论的零序电流互感器应满足的一次电流测量下限没有对应关系，我们希望找到零序电流互感器一次精确工作电流。另外，用于选线判据的零序电流与选线装置启动电流不是等值关系，粗略认定是同一数量级。

文[13][14]规定了中性点经消弧线圈接地系统最大残流不应大于10A，文[14]没有限制脱谐度及残流下限，即不再限制全补及欠补方式，仅用“一般以过补为宜”作为推荐意见。文[12]既规定了脱谐度5%~20%、又规定了最大残流不能大于5A。前者限制小系统，后者制约大系统，本篇以最大残流5A作为讨论基准。所谓“最大”，前提一定是金属性接地，当过渡电阻将零序电压降低到20%相电压时，残流则会按比例下降到1A。实际上两者所表述的内容一样，只不过前者的过渡电阻等于零。

准确选线必须控制零序电流下限的测量误差。表1所列是参与选线判据的基准电流，必须准确采集到，不能排除非故障线路还有更小的零序电流参与判据比较。按照上述规定，零序电流互感器一次电流的测量下限至少不能大于1A，这就基本上排除了P级电流互感器的使用。灵敏系数按1.25计，控制一次电流互感器的误差起始点至少满足。类似推算，假定最大残流为2A，零序电压降低到20%时，。性能优良的自动跟踪消弧线圈已有将残流限制在的记录[15]，从判据的有用信息来看，0.32A不是一次电流的最下限。高阻接地零序电流主要成分是工频分量，无暂态电流利用，这就对电流互感器的测量下限提出了苛刻的要求。对于新投入运行变电站，零序电流互感器一次额定值还要考虑5~10年线路增容的裕度[13]，上限额定值越大，下限测量精度也就越差，这是铁芯非线性固有特征。线路长度不同，非故障线路零序电流大小也不同，小于或大于残流均有可能。在接地故障的同一时刻，每条线路零序电流电流大小不一样，比差、角差也不一致。我们关注到，有大量的接地选线使用开合式电缆型电流互感器，磁路一般在30cm以上，断磁缝隙的存在只能属于P级范畴，上限通常能够满足5~10P标准，但测量零点几安的一次电流则十分困难，这就是对一般的开合结构电流互感器提出质疑的理由。文[16]规定了10kV配王电流互感器二次电流额定值为5A（等于排除了1A），且包括开启式，从制造工艺上就不能满足小电流选线的要求。5A且开启式电流互感器，一定将微小电流全部变成励磁电流，正好过滤掉选线最需要的电流。而接地选线制造商均接受开合电流互感器的使用，应该给予极大关注。

3.零序电流互感器测量上限的讨论

3.1电压初相角在峰值附近发生单相接地时会出现衰减振荡电流，虽然幅值较高，但是电流互感器励磁阻抗与频率成正比，测量范围及精度随着频率的上升而提高，有“自适应”能力，不影响线性变换。只要满足工频零序电流上限，高频振荡电流上限一般没有问题。因此，金属性接地不是选线的难点。

3.2电压初相角在零附近发生单相接地时会出现较大的非周期分量，消弧线圈接地系统比较严重，文[18]提供实测数据表明，最大电感电流与最大稳态电流之比为2.5~9.5。电感电流中的非周期分量加速电流互感器铁芯饱和，使一、二次电流转换特性变坏。若使用是开合结构，非周期分量直接进入励磁回路，不能线性变换到二次侧，非周期分量选线判据自动退出。滤波只能整形，不能找回电流互感器抢先虑掉的波形。

零序电流互感器的测量下限首先要满足规程对残流及零序电压下限的规定，以及选线判据对精确工作电流的需求。是否需要涵盖暂态的最上限，应由装置制造商确定，用户没有能力、也不应由用户提出。

4.关于零序电流滤过器

10kV一般安装2相TA，标识为5~10P，供速断、过流使用，可利用的测量范围控制在数百~十数千安电流之间。改为3支相同规格的电流互感器之后，准确测量到微小电流已超出了文[17]对测量误差的限值。假定线路保护用10P级的规格为200A/5A，规定在额定电流时的比差，角差不规定，即允许任意值；若提高到5P级，额定电流时的误差，角差。当电流为50%（一次100A）、10%（一次20A）、5%（一次10A）及1%（一次2A）时，P级电流互感器允许出现任意误差，不能适应规程的需求，不能使用在装置上。

文[19]验证了特性一致的三相专用电流互感器（没有注明测量级或保护级）对10A以下的测量误差，以及在52A~152A三相对称电流下叠加2A、5A小电流的稳态输出能够满足装置的要求。实际上2A、5A及10A不能达到实用的“小电流”限值，检测暂态上限特征也不应缺少。

零序电流滤过器如图1所示。单相接地时，相电流互感器中既有负荷电流、又有接地电流，分析电流互感器的运行状态时则不能忽略负荷电流的存在。

4.1确定二次负担

设是中性线的阻抗，包括连接导线、零序电流元件及插件接触电阻。假定A相金属性接地，对于中性点不接地系统，A相电流互感器通过正常的负荷电流和接近系统电容电流的3，见图2。

5.结束语

零序电流互感器向接地选线/定位装置提供接地电流信息，涉及到系统的规划容量、判据对精确工作电流要求来确定电流互感器的有关参数（变比、容量及测量精度），以达到预期效果，选择零序电流滤过器时应特别予以关注。制造商对配套的零序电流互感器仅有定性描述显然远远不够，由用户自行选择的方式也极不合理，建议零序电流互感器由制造商配套供应作为订货技强制术条件，实现包括零序电流互感器在内的整体检测、整体供货，提高小电流接地选线/定位的设计、运行质量。

参考文献：

[1]电力行业标准，小接地电流系统单相接地保护装置，DL/T872—2004

[2]国家电网公司企标，小电流接地系统单相接地故障选线装置技术规范，Q/GDW369—2009

[3]南方电网公司企标，小电流接地选线装置技术规范，Q/CSG110040—2012

[4]电力行业标准，电流互感器和电压互感器选择及计算导则，DL/T866-2004

[5]贾清泉，杨以涵，光学电流互感器用于配电网单相接地故障电流检测，电力系统自动化，2001，25（11）：41~44

[6]鲍海，杨以涵，宽量程电流互感器控制方法研究，中国电机工程学报，2003.23（10）：67~71

[7]陈奎，唐轶，基于接地故障类型的综合选线研究，华北电力大学学报，2005年7月

[8]张林利，高厚磊，徐丙垠，薛永端，基于区段零序导纳的小电流故障定位方法，2012，36（20）：94~97

[9]徐丙垠，薛永端等，小电流接地故障选线技术综述，电力设备，2005.06（4）：1~7

[10]杨以涵，齐郑，中压配电网单相接地故障选线及定位技术，中国电力出版社，2014年7月

[11]何后裕，薛永端等，XJ-100小电流接地故障暂态检测装置及运行经验，2005年全国电网中性点接地方式与接地技术研讨会论集文

[12]国网公司，10kV~66kV消弧线圈装置技术标准2004.12.26

[13]电力行业标准，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合，DL/T620—1997

[14]电力行业标准，自动跟踪补偿消弧线圈成套装置技术条件，DL/T1057—2007

[15]陆国庆，姜新宇，影响消弧线圈应用效果的重要性能，电网技术，2001.25（11）：62~65

[16]南方电网公司，10kV配电网电流互感器技术规范，2010

[17]电力行业标准，电力用电流互感器订货技术条件，DL/T725-2000

[18]要焕年，曹梅月，电力系统谐振接地，中国电力出版社，200年7月

[19]齐波，陈维江等，10kV配电网架空出线零序电流过滤器的特性，高电压技术，2009，35（11）：2882~2838

[20]束洪春等，自适应消弧线圈接地系统故障选线新方法，电力系统自动化，2005，29（13）：64~68

作者简介：

张振旗（19450.07），男，高工，从事配网自动化技术研究工作；

刘长利（1963.04），男，高工，从事配网自动化技术研究工作；

柴玲芳（1972.08），女，工程师，从事配网自动化技术研究工作；

胡红垓（1952.11）男，高工，从事高电压技术工作；

郑泽斌（1983.04）男，工程师，从事配网自动化技术研究工作。