接地系统零序电流互感器的应用误区

赵 歆，罗 彬

(华能重庆珞璜发电有限责任公司，重庆 402283)

某电厂厂用电中压6 kV系统如图1所示，高压厂用变压器为20/6.3 kV，变压器接线组别为Dyn11，低压侧中性点采用9.1 Ω小电阻接地。

图1 厂用中压6 kV系统图

某日，6 kV母线上的某水泵电机运行时，电机接线盒处发生单相接地故障，安装在6 kV开关柜处电动机综合保护WDZ-430装置报“零序保护动作”，保护跳开6011断路器。

调取水泵电机开关柜6011上电动机综合保护WDZ-430装置保护动作记录，将报文中二次动作电流值直接折算成一次值，为181 A；调取高压厂用变压器故障录波器，查看高压厂用变压器低压侧中性点接地零序电流录波值，折算成一次值，为355 A。其中， 高压厂用变压器故障录波器的零序电流值为厂用变压器低压侧中性点接地零序电流互感器测量，水泵电机综合保护装置取的零序电流为开关柜6011电缆零序电流互感器测量。可以发现，不同的测量点，测得的零序电流值存在很大差异。负载侧检测的零序电流值远小于进线电源侧零序电流值，若不查明原因，极可能造成保护越级动作，扩大事故停电范围。

1 接地故障电流分析

由图1可知，厂用变压器为中性点经电阻接地系统，故障录波器采样的零序电流为厂用变压器低压侧中性点接地零序电流互感器测量[1]。

本案例中，水泵电机接线盒发生单相接地时，故障电流经电缆通过6011断路器流向6 kV母线，再经6 kV母线进线断路器601流向高压厂用变压器中性点到大地，经大地流向电机接线盒故障接地点。由此可以看出，安装在高压厂用变压器中性点处的零序电流互感器真实反映了此次故障的接地故障电流。

安装在水泵电机断路器6011处的电动机综合保护装置测量的零序电流，因一次动力电缆和零序电流互感器的接线较为特别，因此确定未能反映故障时刻的一次系统故障接地电流。

1.1 一次电缆接线方式

由于此水泵电机功率较大，一次动力电缆采用了2根3 mm×125 mm的电缆并联接线方式，每根电缆的3芯分别接在开关柜负载侧ABC三相接线柱上，即每相共有2芯电缆，如图2所示。

由于选用的是穿心式零序电流互感器，互感器内径较小，无法满足2根3 mm×125 mm的电缆同时穿过，因此实际设计施工采用了2根电缆各穿1只零序电流互感器的方式，其中2只电流互感器参数完全一致，均为减极性，安装也完全一致， P1端均靠电源侧，P2端均靠电机侧；零序电流互感器的二次侧采用了串接方式接入电动机综合保护WDZ-430装置的零序电流接线端子。

图2 水泵电机电缆及零序CT二次串接接线图

1.2 电机保护装置故障电流分析

如图1所示，厂用变压器中性点接地电阻为9.1 Ω，计算6 kV系统近端发生金属性单相接地故障时，流经厂用变压器中性线处最大接地零序电流3I0为(忽略电缆、母线的电阻等因素带来的影响)

由于水泵电机采用了2根3芯电缆，可忽略电缆电阻及敷设带来的不均衡影响。当水泵电机接线盒处发生A相金属性接地故障时，每根3芯电缆中的A相芯电缆都将流过大小相同的故障电流，即每根电缆的A相各提供约200 A故障电流。

接地故障时，零序电流方向为故障点流向母线，即零序电流均为P2流向P1方向。每根电缆各穿1只零序电流互感器，且故障均发生在零序互感器的同侧，则零序电流互感器二次侧流过的故障电流极性相同，方向一致，即零序电流互感器二次侧电流方向为s1流向s2。

1.3 零序互感器二次接线分析

由以上分析可知，2只零序电流互感器二次侧有2种接线方式，即串联或并联。串联接线时，应确保2只零序电流互感器二次侧电流流向为同方向，即第1只的s1与第2只的s2相连，然后第1只的s2与第2只的s1分别接至综合保护装置，如图2所示；并联接线时，互感器二次侧电流应为同极性端并接，即s1与s1并接，s2与s2并接，然后再接至综合保护装置，如图3所示。

在本案例中，原设计施工采用了零序电流互感器二次侧串联接线的方式，那么到底是串联接线正确，还是并联接线正确呢？

图3 水泵电机电缆及零序CT二次并接接线

2 接线方式不同时电路原理分析

电流互感器相当于1只电流源，理想电流源内阻无穷大。而理想电流源实际上不存在，由电路原理可知，实际电流源是用1个理想电流源I和1只大内阻R相并联的模型来表征，见图4中的零序CT等效电路。

图4 2只零序CT二次侧串联接线等效电路

2.1 电流互感器二次侧串联时

图4所示为零序电流互感器二次侧串接等效电路，其中电流源I1、I2为理想恒流源，R1、R2为对应等效电流源内阻。

根据电路原理[1]，列KCL方程如下：

(1)

由式(1)解得：

I总=(I1R1+I2R2)/(R1+R2)

(2)

在本例中，忽略零序电流互感器的特性差异，设内阻相同即R1=R2，由式(2)解得

I总=(I1+I2)/2

(3)

由式(3)可见，当2根电缆参数一致时，故障电流由2根一次电缆的A相平均分配，即各提供200 A一次故障电流，即I1=I2，由式(3)解得：

I总=I1=I2

由于实际运行中，2根电缆因为长度和敷设存在较小差异，且零序电流互感器特性不完全一样，因此实际串接时流进保护装置的故障电流经折算后，不完全为一次总故障电流的1/2，但相差不太大。

在本案例中，由于受到水泵电机电缆阻抗等因素影响，当电机处发生单相接地时，厂用变压器中性点处检测的零序电流为355 A，与计算值400 A一致(计算值未考虑长电缆阻抗因素)。由于2只零序电流互感器二次侧采用了串联接线方式，因此流进电动机综合保护WDZ-430装置零序电流181 A，与分析一致。

由以上分析可知，2根电缆并接回路，各自电缆的零序互感器的二次侧采取串联接线方式，不能真实反映故障时的电流，会比真实电流小近一半。

2.2 电流互感器二次侧并联时

当零序电流互感器二次侧采用并联接线时，如图5所示。

图5 2只零序CT二次侧并联接线等效电路

由电路叠加原理分析，可求得：

I总=I1+I2

流进电动机综合保护WDZ-430装置的电流是2只电流互感器二次侧的电流的叠加，即本文中反映的一次侧故障电流计算值400 A。

由以上分析可知，2根一次电缆并接的回路，各自电缆的零序互感器的二次侧同性极采取并联接线方式，能准确反映故障时的真实一次电流值，见图3。同理推断，多根一次电缆并接的回路，采用多只零序互感器实现零序接地保护时，各独立的零序互感器的二次同极性端应并联后接入保护装置。

3 结语

由此看出，本文中的保护动作案例，因水泵电机的2只零序电流互感器二次侧接线采用了串联接线的错误接线方式，未能正确反映故障时刻接地电流，因而两个保护安装点测得的故障电流偏差过大。

综上所述，当同一负荷采用多根动力电缆并联接线，且采用多个零序电流互感器穿过不同的一次动力电缆来实现零序接地保护时，应注意以下几个要点。

1)同一负荷设备，要采取并联接线的所有零序电流互感器参数特性应相同，如变比、容量、精度、伏安特性、极性等。

2)安装时，零序电流互感器应严格确认P1、P2的方向，确保所有互感器P1的指向一致；同时，应确保动力电缆屏蔽层接地线应回穿零序电流互感器，回穿前的接地线应有绝缘，不能有接地，否则会造成零序测量不准备，而导致保护误动作。

3)零序电流互感器二次线圈抽头极性相同的要并联，即所有互感器s1与s1并接、s2与s2并接，然后再接入保护装置中零序电流接线端子。