雲南電網有限責任公司昆明供電局的研究人員張春剛、繆際、甘龍、唐強、李輝，在2020年第6期《電氣技術》雜誌上撰文，以兩起35kV變電站保護越級跳閘事件分析實例為依據，深入探討相關繼電保護越級跳閘原因，結合現場相關試驗數據或繼電保護動作故障波形記錄，重點分析電流互感器勵磁飽和導致繼電保護裝置不能正確動作的過程，為類似事件的分析計算提供參考方法，並為防止電流互感器飽和提出預防措施，以促進電網系統的穩定運行。
電流互感器（current transformer, CT）作為電力系統一次與二次設備的關鍵銜接中間設備，其能否將一次電流正確傳變為二次電流將直接影響繼電保護能否正確動作。隨著供電可靠性要求的逐步提高，任何一次繼電保護的不正確動作都將影響電力系統的正常運行，繼電保護裝置的越級誤動則影響更大。
有研究者指出P類互感器區外故障導致保護誤動的主要原因是由於CT飽和，當然也有其他因素的影響。有很多研究者從各方面著手對CT飽和相關問題進行了研究，還有研究者針對CT飽和的識別方法進行了深入研究。
本文以兩起典型的35kV變電站越級跳閘事件實例為依據，案例1主要依據保護裝置的故障錄波、保護報文等現場記錄較直觀地分析事件原因；案例2在沒有故障錄波記錄的情況下依靠現場試驗數據、後臺機報文，從理論上探討、推導故障時的電流變化過程。
由兩起案例重點分析由於電流互感器勵磁飽和導致繼電保護裝置不能正確動作，造成相關保護越級跳閘的成因過程，為行業內類似事件的計算分析提供參考方法，並對防止CT飽和提出預防措施，促進電力系統的安全穩定運行。
1 案例1
1.1 事件前後D變電站運行方式
35kV D變電站為單臺主變壓器運行，圖1所示為部分主接線圖。正常運行時，35kVⅠ、Ⅱ段母線分列運行，由35kV備自投保護裝置實現進線的明備用，10kVⅠ、Ⅱ段母線並列運行，10kVⅠ段母線上僅有011出線間隔；10kV 052斷路器2號電容器一次設備發生故障後，052、012斷路器由保護裝置跳開，011斷路器由調度人員手動拉開。
1.2 事件簡要分析
2019年9月9日07:46，35kV 2號主變低後備保護（裝置型號CSC-326GL）、10kV 2號電容器保護（裝置型號CSC-221A）均有保護動作報文，簡要如下：
1）07:46:15.156，2號主變低後備保護起動（主變低壓側CT變比為400/5）。2）07:46:15.531，低後備保護限時速斷T1出口，（故障電流IA=25.00A、IB=23.50A，IC=23.50A），10kV母聯012斷路器跳閘，10kVⅠ段母線失壓。3）07:46:15.718，10kV 2號電容器052斷路器過流Ⅱ段動作（IA=12.06A、IB=7.25A，IC=12.18A），10kV 2號電容器052斷路器跳閘。10kV母聯012斷路器保護裝置（型號CSC-211）發「開關偷跳」，無保護起動報文。
現場檢查10kV 2號電容器一次設備存在放電痕跡，查看35kV 2號主變低後備保護裝置錄波（如圖2）可知，故障電流出現前期，A、B相電流大小相等，方向相同，故障發展到後期，三相電流大小相等，方向為正序方向。根據不對稱短路故障時YNd接線變壓器兩側電流關係的規律，可推測故障在d側（10kV側），先是AB相間短路，後發展為三相短路。
10kV 2號電容器052斷路器間隔存在AB相間故障，052斷路器間隔的過流Ⅰ段並未動作，但卻造成了2號主變低後備保護動作，跳開012斷路器。
根據10kV 2號電容器保護裝置提供的錄波圖（如圖3所示）可知，裝置採樣故障電流波形為畸形波，10kV 2號電容器CT變比為100/5；將故障電流折算到一次設備側，得故障相電流為244A，遠小於主變低後備保護裝置採樣得出的2007.2A，可明顯判斷為052斷路器間隔CT飽和，保護裝置採樣故障電流小於實際故障電流，達不到過流Ⅰ段保護動作定值，故過流Ⅰ段一直未動作，其故障發展順序與圖2的分析結果一致。
1.3 案例1結論分析
根據現場檢查情況，確認10kV 2號電容器AB相一次設備存在短路故障，35kV 2號主變低後備保護先於10kV 2號電容器保護動作，造成越級跳閘。
保護裝置信息綜合分析可知，由於10kV 2號電容器故障，造成10kV 052斷路器間隔CT飽和，保護裝置採樣到的最大故障電流小於實際故障電流，僅有12.2A，小於過流Ⅰ段12.5A的動作定值，因此過流Ⅰ段未動作；35kV 2號主變低後備保護裝置採到的最大故障相電流為25.09A，大於限時速斷電流14A的動作定值，0.3s左右主變低後備保護裝置限時速斷T1出口跳開10kV母聯012斷路器，10kVⅠ段母線失壓。
但是10kV 2號電容器052斷路器位於10kVⅡ段母線上，故障未排除，故障電流一直持續存在，經0.5s左右的延時後，由於10kV 2號電容器裝置採樣電流12.2A大於過流Ⅱ段定值7A，過流Ⅱ段保護出口，跳開10kV 2號電容器052斷路器，故障點被隔離，保護動作結束。
2 案例2
2.1 保護動作經過梳理
接地調通知2019年12月15日22:31，35kV M變電站10kV 025斷路器過流Ⅰ段保護動作，35kV 1號主變保護裝置（型號為北京四方CSC-326GF）比率差動保護動作，35kV側301斷路器、10kV側001斷路器跳閘，直接造成35kV M變電站全站失壓的惡性非計劃停電事件。
根據後臺機報文可知具體保護動作情況如下：
（1）22:31:49.143，10kV 025斷路器過流Ⅰ段保護啟動。（2）22:31:49.184，主變保護起動。（3）22:31:49.238，35kV 1號主變比率差動出口（如圖5所示），主變高壓側301斷路器、低壓側001斷路器跳閘。（4）22:31:49.262，10kV 025斷路器過流Ⅰ段動作（如圖6所示）（Ia=32.5A，Ib=32.50A，Ic=32.00A）。（5）22:31:50.287，10kV 025斷路器重合閘動作，重合成功。
2.2 現場檢查情況
現場檢查35kV 1號主變及10kV Ⅰ段母線各間隔一次設備外觀無異常，各CT變比為：
1）10kV 025斷路器CT變比為300/5。2）35kV 1號主變35kV側301斷路器CT變比為100/5。3）35kV 1號主變10kV側001斷路器CT變比為400/5。35kV 1號主變差動保護平衡係數為1.1。
根據電流互感器等效示意電路（如圖7所示），ZLC為電流互感器內阻，ZFZ為負載電阻；電流互感器傳變特性如圖8所示。
根據歐姆定律計算可知1號主變35kV側的開口電壓UL約為33.44V，10kV側的開口電壓UL約為26.609V。
2.3 CT勵磁特性試驗驗證及原因分析
依據試驗人員對1號主變10kV側的CT進行勵磁特性實驗結果，當勵磁電流為20mA時，UL為8V；即當UL為8V時該CT進入飽和狀態，但由故障電流折算出的UL為26.609V，已經遠超過8V，CT進入嚴重飽和狀態；35kV側的CT勵磁特性試驗結果為，當勵磁電流為200mA時，UL為57V，57V大於33.44V；即當發生故障時1號主變35kV側的CT未飽和，處於正常的傳變特性範圍內，能夠正確採樣故障電流大小。
根據025斷路器保護測控裝置定值單可知，過流Ⅰ段保護定值為14A，延時為0.1s，重合閘時間為1s。
在10kV 025斷路器間隔過流Ⅰ段保護0.1s延時過程中，故障電流流過1號主變10kV側CT，導致該側的CT飽和，不能正確傳變故障電流大小，但主變35kV側的CT可以正確傳變故障電流。
最終35kV 1號主變高壓側和低壓側產生較大差流。
根據35kV 1號主變保護測控裝置（型號CSC- 326GF）說明書可知，故障點處於差動保護動作範圍內，故主變比率差動保護動作。
2.4 案例2結論分析
保護人員到達現場後對10kV 025斷路器間隔、35kV 1號主變保護間隔相關二次迴路進行檢查，並確認不存在故障，根據相關保護動作信息及試驗人員的CT測試結果綜合判斷分析，可確認為本次35kV 1號主變比率差動保護動作跳閘是由於10kV 025出線間隔送電過程中線路存在三相短路故障，導致10kV 025間隔保護測控裝置過流Ⅰ段保護動作跳閘。
由於過流Ⅰ段保護動作有0.1s的延時，進而故障電流穿越35kV 1號主變本體，但是1號主變低壓側CT抗飽和能力不足，很快進入飽和區內，引發主變高壓側和低壓側產生較大差流，故主變比率差動保護動作出口跳開301和001斷路器，主變保護測控裝置屬於正確動作。
3 預防措施
1）針對部分電流互感器流過故障電流時容易飽和的問題，可採用直接更換一次設備CT的方法，重新安裝變比合適、傳變特性滿足要求的CT即可，或者調整CT使用的繞組變比。
2）通過繼電保護的保護範圍、時間搭配的調整臨時代替一次設備的更換。
如案例1中的35kV 2號主變低後備保護限時速斷電流T1出口時間設置為大於10kV 2號電容器保護過流Ⅱ段時間定值，或者將2號電容器保護過流Ⅰ段動作定值根據CT易飽和的特點進行適當調整，避免出現過流Ⅰ段定值過大保護永遠不會動作的問題；案例2中由於過流Ⅰ段保護動作有0.1s的延時，故為了防止主變比率差動保護提前動作，可將主變保護的差動保護功能退出，完善主變保護的高后備和低後備功能，從而避免故障電流穿越後引起保護越級誤動的風險。
3）根據最近的電流互感器傳變特性研究分析成果，引入先進的CT飽和檢測方法，除了研究CT穩態情況下的傳變特性，更應該關注CT暫態飽和時的勵磁特性，搭建相關仿真模型深入研究。研發應對CT暫態飽和的方案，比如針對CT的磁滯效應，深入研究CT剩磁衰減規律，提出剩磁抑制措施等基礎性研究成果，或拓展研究其他防止CT飽和的預防性控制措施。
4 結論
本文通過對兩起35kV變電站越級跳閘事件的分析，根據現場相關試驗數據、保護動作記錄等信息，深入分析了電流互感器勵磁飽和導致繼電保護越級跳閘動作的原因，分別依據現場保護動作記錄、實驗數據分析確定事件原因，為類似事件的調查分析過程提供參考，並提出預防措施，以促進電網系統的穩定運行。