開關櫃設計人員如何選擇合適的零序電流互感器?

作者介紹了開關櫃內配零序電流互感器（適用於0.38～66kV），分析了它的特性，探討了如何選擇合適的零序電流互感器，以期達到最佳的使用效果。

1 概述

在中壓電力系統的項目中，我們開關櫃的設計人員經常會遇到開關櫃內配零序電流互感器的選擇問題，不同的零序電流互感器具有各自不同的特性，它們的應用環境也有所不同。如何在開關櫃的設計中合理選用零序電流互感器就成為開關櫃設計人員經常遇見的問題。本文就這一問題進行初步的探討。

2 零序電流互感器特性及分類

2.1 零序電流互感器及其特性

零序電流互感器是用來檢測零序電流的，因此可以稱之為零序電流過濾器，它的構造與普通穿心式電流互感器相仿，只是它的一次繞組是被保護系統的三個相的導線（三個相的導線一起穿過互感器環形鐵心），二次繞組反應一次系統的零序電流。

在中性點不直接接地系統中，零序電流互感器與接地繼電器等構成單相接地保護裝置。系統正常運行時，通過零序電流互感器一次側三相電流的矢量和為零，即Ia＋Ib＋Ic =0。此時零序電流互感器處於非工作狀態，當發生單相接地故障（如A相）時，Ia＋Ib＋Ic＝3Ioc，3Ioc等於B相和C相的對地電容電流的向量和，鐵芯中出現零序磁通，該磁通在二次繞組感應出電動勢，二次電流流過接地繼電器使之動作。

簡單的說，零序電流互感器在電力系統產生零序接地電流時與繼電保護裝置或信號裝置配合使用，使裝置元件動作實現保護或監控功能。

2.2 零序電流互感器的分類

按照安裝方式的不同，分整體式（如LJ、LJZ）和開合式（如LXK）兩類，外形見圖1。

按照產品結構的不同，分母線式（如LJM）和電纜式（如LJ、LJZ，LXK）兩類，外形見圖1。

按照配合保護的不同，分小電流接地選線裝置用，繼電器用，微機保護用三類。

圖1 零序電流互感器

3 零序電流互感器的選型

3.1 安裝方式方面

從檢修和安裝方面考慮，儘量選用LJK、LXK型開合式的零序電流互感器，拆開時的外形見圖2；LJ、LJZ型為老式結構，檢修更換時必須重新製作電纜頭，不建議選用。

圖2 開合式零序電流互感器打開狀態

3.2 產品結構方面

根據實際用途相應選用，一般大部分使用的都是電纜式（如LJ、LJZ，LXK），極少的場合下需要使用分母線式（如LJM），例如發電機出口的零序保護。

3.3 配合保護方面

根據配合使用的保護裝置相應選用。根據保護裝置的不同，分為以下幾種：

1）與小電流接地選線裝置配套使用的零序電流互感器

小電流接地先線裝置本身沒有整定值，零序電流只是裝置的判據之一，要求零序電流互感器在一次接地電流較小時，和非金屬性接地時，零序電流互感器也要有一定的輸出，來滿足裝置啟動的門坎值，進行接地選線或進行相應線路跳閘。

裝置本身的負載阻抗並不大，但需要通過電纜將各個零序電流互感器與裝置連接起來，所以電纜的阻抗就是零序電流互感器的主要負載阻抗，這種零序電流互感器的負載阻抗一般為2.5Ω左右。

這種零序電流互感器一般可選用無變比型，一次零序電流1～40A，二次電流0.02～1A左右。

2）與DD11/60型接地繼電器配套使用的零序電流互感器

DD11/60型接地繼電器線圈並聯阻抗為10Ω，其動作的整定值為0.03A。這種零序電流互感器一般可選用無變比型，一次零序電流2～4A，二次電流0.03～0.06A左右。

3）與DL11/0.2型電流繼電器配套使用的零序電流互感器

DL11/0.2型繼電器線圈並聯阻抗為10Ω，其動作的整定值為0.1A。這種零序電流互感器一般可選用無變比型，一次零序電流10A，二次電流0.2A左右。

4）與微機保護裝置配套使用的零序電流互感器

微機保護裝置阻抗一般不超過0.2 ~0.4Ω，其零序過流保護二次動作的整定值為0.1～20A。這種零序電流互感器一般可選用帶變比、容量、準確級要求的型式。

3.4 零序電流互感器變比的選擇

零序電流互感器的應用一般都選用較小變比，常用的如：50/5；75/5；100/5；150/5；200/5；300/5；20/1；50/1；100/1；150/1；200/1；300/1，因為只有發生一次接地故障時,零序電流互感器才有輸出.人們不會讓接地電流很大時才使保護動作。

不用考慮躲過負荷電流)可是由於一次繞組是電力電纜，僅有一匝，這樣，50/5；10/1的零序電流互感器的二次額定匝數，僅10匝，所以50/5、10/1的零序電流互感器負荷特性較差，實際負載阻抗和零序電流互感器的容量不一致時將會出現較大的誤差，而且在低於額定電流時誤差也會加大，所以在允許的情況下儘量選用大一些的變比。

1) 已有保護整定值時變比選擇

已有保護定值，變比就很容易選擇了。如定值是一次電流80A時保護動作，可選100/5或100/1，其對應的零序二次電流值為4A或0.8A，在零序過流保護二次動作的整定值為0.1～20A之內。

2）電阻接地系統（小電流接地系統，一般用於66kV及以下）變比的選擇

電阻接地系統單相接地時，流過故障點的電流由兩個分量組成，一個是電容電流，另一個是中性點電阻電流，兩者相差90°。故障迴路的零序電流等於接地點電流與本線路接地電容電流向量差，即等於所有非故障線路接地電容電流與電阻電流向量和的負值，見表1。

建議零序電流互感器變比選用:50/1；100/1；150/1；200/1；100/5；200/5。

表1 電阻接地系統的接地電流

a) 架空線的電容電流計算

IC=(2.7～3.3)*U*L*10－3 (A)

式中:U — 電網的額定電壓(kV)

L — 線路長度(KM)

係數2.7適用於無避雷線的線路(木桿線路);3.3適用於有避雷線的線路(木桿線路)金屬杆塔時

變電所的電力設備所引起的電容電流增值，可按表2估計。

表2 電力設備所引起的電容電流增值

b) 電纜要比同樣長度架空線的電容電流大25倍(三芯電纜)～50倍(單芯電纜)，在近似計算中可採用IC=0.1U*L (A)。也可採用表3的平均值計算。

表3 電纜線路電容電流平均值（A/KM）

3）中性點不接地和消弧線圈接地系統（小電流接地系統，一般用於66kV及以下）用零序電流互感器變比的選擇。

中性點不接地系統單相接地時，流過故障點的電流僅為電網對地的電容電流。這種系統接地電流較大時，或保護最小啟動電流較小時，可選用大變比的零序電流互感器，如50/1；100/1；100/5；150/5及以上。可是有的中性點不接地系統一般不允許接地電流超過10A，所以一般10A以下保護就要動作。

消弧線圈接地系統單相接地時，由於消弧線圈產生的電感電流和單相接地的電容電流的中和後，一般也不會有超過10A的接地電流（一般都是過補償，實際接地電流已是電感電流）。

由於使用了綜合保護，就要求有整定值（不用綜合保護的有時用高靈敏度零序電流互感器，和與其配套的繼電器，見3.3第1~3）），一般定值≤10A，如整定值一次電流為5A，可考慮100/5A或20/1A，一次電流5A時，二次電流0.25A，一般已超過綜合保護的啟動電流。

如綜合保護最小啟動電流＞0.25A也只好選用75/5；50/5；15/1；10/1的變比，這些變比的零序電流互感器最好選用整體式的，否則精度要差一些。

4）中性點直接接地系統（大電流接地系統，一般用於110kV及以上）變比的選擇

中性點接地系統單相接地就是單相短路。變比可以選大一些，如：150/5：150/1以上變比，不要太小，否則躲不過不平衡電流。注意電纜的零線不要穿過零序電流互感器。

3.5 零序電流互感器二次額定電流的選擇

GB1208-2006中電流互感器二次額定電流規定有1A、5A。考慮到零序電流互感器一般都是小變比，所以儘量選用1A的（零序電流互感器的二次額定匝數多），來提高帶負載能力。但是有些綜合保護設定1A或5A時是用菜單選擇，這時零序電流互感器的二次額定電流就要服從主電流互感器二次額定電流值。

3.6 容量的選擇

容量要與保護裝置阻抗（含電纜阻抗）匹配，才能保證其精度。

1）容量與二次阻抗的關係

Z=S/I2或 S=I2×Z

式中：

S：容量（額定負荷）用「VA」表示

I：二次額定電流，（5A或1A）用「A」表示

Z：二次儀器或繼電器的阻抗和二次聯接線路阻抗之和，用「Ω」表示

例如：變比100/5 容量：5VA

Z=S/I2=5/52=0.2（Ω）

變比150/5 容量:10VA

Z=S/I2=10/52=0.4（Ω）

變比100/1 容量:2.5VA

Z=S/I2=2.5/I2=2.5（Ω）

變比50/1 容量:1VA

Z=S/I2=1/12=1（Ω）

2）精度與容量（額定負荷）的關係

GB1208-2006中規定：「在額定頻率及額定負荷下，電流誤差，相位差和複合誤差不超過表4所列限值。」所以所選零序電流互感器的容量要與二次迴路（裝置及迴路）阻抗匹配，才能達到上表精度，如所選容量比實際大時零序電流互感器在使用時將出現正誤差，反之則出現負誤差。

表4 保護用電流互感器誤差限值

3）與綜合保護等電子型保護配套的零序電流互感器容量

這種保護如就地安裝（開關柜上），迴路阻抗可以不計，一般在0.2Ω—0.4Ω。二次額定電流5A的零序互感器選5VA，二次額定電流1A的零序電流互感器0.2VA—0.4VA。如電纜連接迴路較長，要考慮迴路阻抗，加大容量。

4）與繼電器配套的零序電流互感器容量

表5 常用電磁繼電器阻抗（Ω）

根據阻抗（見表5）和零序電流互感器的額定二次電流可計算出零序電流互感器的容量。

5）二次迴路電纜電阻，見表6。

表6 銅導線電阻表

3.7 準確級與準確限值係數

準確級是對電流互感器給定的等級。互感器在規定使用條件下的誤差應在規定的限值內。保護用電流互感器的準確級是以其額定準確限值一次電流下的最大複合誤差的百分比來標稱，其後標以字母「P」（表示保護用）。保護用電流互感器的標準準確級為5P和10P。

準確限值係數是額定準確限值一次電流與額定一次電流之比。

例如：變比100/5；10p5

其中10為複合誤差，p為保護級，5為準確限值係數 。

也就是說當一次電流為500A時，二次電流為25A左右，複合誤差≤10%，準確限值係數在零序電流互感器應用較少，應儘可能的使零序電流互感器工作在額定一次電流和額定二次電流時，獲得較高的精度，一般零序電流互感器的準確級選10P。

3.8 動穩定電流和短時熱電流

動穩定電流是一次電流很大時產生的電動力不會使電流互感器機械損壞，電纜型零序電流互感器一次繞組為電力電纜，互感器與電力電纜不直接接觸，故沒有動穩定電流的要求。

短時熱電流是指在二次繞組短路的情況下，電流互感器在一秒內能承受住，且無損傷的最大一次電流方均根植，（用「kA-S」）表示。一般都在5KA/1秒以上。

3.9 零序電流互感器的一次、二次電流曲線

a.0~1，起始階段，零序電流互感器一次電流較小，由於其中一部分用於激磁，所以二次電流也較小，高靈敏度的零序電流互感一般都工作在這個階段。

b.1~2，直線部分，一次電流與二次電流成比例，零序電流互感器工作在線性區，有變比和精度要求的零序電流互感器一般都工作在這個階段。

c.2~3，過了2這點互感器進入飽和區。準確很值係數越大2這一點越高，進入飽和區越晚。

3.10 零序電流互感器內徑選擇

高壓電力電纜一般為交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電力電纜，在選擇零序電流互感器內徑時，一般要求互感器內徑必須大於電纜外徑20~30mm（見表7），以方便電纜和互感器的安裝和檢修。

表7 互感器內徑一覽表

4 結語

根據以上的分析方法，通過產品的安裝方式、結構形式、配合保護等方面結合電力系統各種運行方式（中性點接地、中性點不接地、電阻接地、消弧線圈接地）來選擇相應的零序電流互感器，以達到零序電流互感器和相應保護裝置的最佳配合，起到保護電力設備的作用。

在實際的選型中，應儘量選用樹脂澆注成型，外形美觀、小巧、安裝方便、節省安裝空間的型式，仔細權衡不同零序電流互感器的性價比，進一步降低開關櫃的設計成本，增加開關櫃的市場的競爭力。

本文編自《電氣技術》，標題為「開關櫃中零序電流互感器設計選型」，作者為許鐵軍、李嶽。