接地系統(tǒng)零序電流互感器的應(yīng)用誤區(qū)

趙 歆，羅 彬

(華能重慶珞璜發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶 402283)

某電廠廠用電中壓6 kV系統(tǒng)如圖1所示，高壓廠用變壓器為20/6.3 kV，變壓器接線組別為Dyn11，低壓側(cè)中性點(diǎn)采用9.1 Ω小電阻接地。

圖1 廠用中壓6 kV系統(tǒng)圖

某日，6 kV母線上的某水泵電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)接線盒處發(fā)生單相接地故障，安裝在6 kV開關(guān)柜處電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)WDZ-430裝置報(bào)“零序保護(hù)動(dòng)作”，保護(hù)跳開6011斷路器。

調(diào)取水泵電機(jī)開關(guān)柜6011上電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)WDZ-430裝置保護(hù)動(dòng)作記錄，將報(bào)文中二次動(dòng)作電流值直接折算成一次值，為181 A；調(diào)取高壓廠用變壓器故障錄波器，查看高壓廠用變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地零序電流錄波值，折算成一次值，為355 A。其中， 高壓廠用變壓器故障錄波器的零序電流值為廠用變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地零序電流互感器測(cè)量，水泵電機(jī)綜合保護(hù)裝置取的零序電流為開關(guān)柜6011電纜零序電流互感器測(cè)量?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)得的零序電流值存在很大差異。負(fù)載側(cè)檢測(cè)的零序電流值遠(yuǎn)小于進(jìn)線電源側(cè)零序電流值，若不查明原因，極可能造成保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，擴(kuò)大事故停電范圍。

1 接地故障電流分析

由圖1可知，廠用變壓器為中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，故障錄波器采樣的零序電流為廠用變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地零序電流互感器測(cè)量[1]。

本案例中，水泵電機(jī)接線盒發(fā)生單相接地時(shí)，故障電流經(jīng)電纜通過6011斷路器流向6 kV母線，再經(jīng)6 kV母線進(jìn)線斷路器601流向高壓廠用變壓器中性點(diǎn)到大地，經(jīng)大地流向電機(jī)接線盒故障接地點(diǎn)。由此可以看出，安裝在高壓廠用變壓器中性點(diǎn)處的零序電流互感器真實(shí)反映了此次故障的接地故障電流。

安裝在水泵電機(jī)斷路器6011處的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置測(cè)量的零序電流，因一次動(dòng)力電纜和零序電流互感器的接線較為特別，因此確定未能反映故障時(shí)刻的一次系統(tǒng)故障接地電流。

1.1 一次電纜接線方式

由于此水泵電機(jī)功率較大，一次動(dòng)力電纜采用了2根3 mm×125 mm的電纜并聯(lián)接線方式，每根電纜的3芯分別接在開關(guān)柜負(fù)載側(cè)ABC三相接線柱上，即每相共有2芯電纜，如圖2所示。

由于選用的是穿心式零序電流互感器，互感器內(nèi)徑較小，無法滿足2根3 mm×125 mm的電纜同時(shí)穿過，因此實(shí)際設(shè)計(jì)施工采用了2根電纜各穿1只零序電流互感器的方式，其中2只電流互感器參數(shù)完全一致，均為減極性，安裝也完全一致， P1端均靠電源側(cè)，P2端均靠電機(jī)側(cè)；零序電流互感器的二次側(cè)采用了串接方式接入電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)WDZ-430裝置的零序電流接線端子。

圖2 水泵電機(jī)電纜及零序CT二次串接接線圖

1.2 電機(jī)保護(hù)裝置故障電流分析

如圖1所示，廠用變壓器中性點(diǎn)接地電阻為9.1 Ω，計(jì)算6 kV系統(tǒng)近端發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí)，流經(jīng)廠用變壓器中性線處最大接地零序電流3I0為(忽略電纜、母線的電阻等因素帶來的影響)

由于水泵電機(jī)采用了2根3芯電纜，可忽略電纜電阻及敷設(shè)帶來的不均衡影響。當(dāng)水泵電機(jī)接線盒處發(fā)生A相金屬性接地故障時(shí)，每根3芯電纜中的A相芯電纜都將流過大小相同的故障電流，即每根電纜的A相各提供約200 A故障電流。

接地故障時(shí)，零序電流方向?yàn)楣收宵c(diǎn)流向母線，即零序電流均為P2流向P1方向。每根電纜各穿1只零序電流互感器，且故障均發(fā)生在零序互感器的同側(cè)，則零序電流互感器二次側(cè)流過的故障電流極性相同，方向一致，即零序電流互感器二次側(cè)電流方向?yàn)閟1流向s2。

1.3 零序互感器二次接線分析

由以上分析可知，2只零序電流互感器二次側(cè)有2種接線方式，即串聯(lián)或并聯(lián)。串聯(lián)接線時(shí)，應(yīng)確保2只零序電流互感器二次側(cè)電流流向?yàn)橥较?，即?只的s1與第2只的s2相連，然后第1只的s2與第2只的s1分別接至綜合保護(hù)裝置，如圖2所示；并聯(lián)接線時(shí)，互感器二次側(cè)電流應(yīng)為同極性端并接，即s1與s1并接，s2與s2并接，然后再接至綜合保護(hù)裝置，如圖3所示。

在本案例中，原設(shè)計(jì)施工采用了零序電流互感器二次側(cè)串聯(lián)接線的方式，那么到底是串聯(lián)接線正確，還是并聯(lián)接線正確呢？

圖3 水泵電機(jī)電纜及零序CT二次并接接線

2 接線方式不同時(shí)電路原理分析

電流互感器相當(dāng)于1只電流源，理想電流源內(nèi)阻無窮大。而理想電流源實(shí)際上不存在，由電路原理可知，實(shí)際電流源是用1個(gè)理想電流源I和1只大內(nèi)阻R相并聯(lián)的模型來表征，見圖4中的零序CT等效電路。

圖4 2只零序CT二次側(cè)串聯(lián)接線等效電路

2.1 電流互感器二次側(cè)串聯(lián)時(shí)

圖4所示為零序電流互感器二次側(cè)串接等效電路，其中電流源I1、I2為理想恒流源，R1、R2為對(duì)應(yīng)等效電流源內(nèi)阻。

根據(jù)電路原理[1]，列KCL方程如下：

(1)

由式(1)解得：

I總=(I1R1+I2R2)/(R1+R2)

(2)

在本例中，忽略零序電流互感器的特性差異，設(shè)內(nèi)阻相同即R1=R2，由式(2)解得

I總=(I1+I2)/2

(3)

由式(3)可見，當(dāng)2根電纜參數(shù)一致時(shí)，故障電流由2根一次電纜的A相平均分配，即各提供200 A一次故障電流，即I1=I2，由式(3)解得：

I總=I1=I2

由于實(shí)際運(yùn)行中，2根電纜因?yàn)殚L(zhǎng)度和敷設(shè)存在較小差異，且零序電流互感器特性不完全一樣，因此實(shí)際串接時(shí)流進(jìn)保護(hù)裝置的故障電流經(jīng)折算后，不完全為一次總故障電流的1/2，但相差不太大。

在本案例中，由于受到水泵電機(jī)電纜阻抗等因素影響，當(dāng)電機(jī)處發(fā)生單相接地時(shí)，廠用變壓器中性點(diǎn)處檢測(cè)的零序電流為355 A，與計(jì)算值400 A一致(計(jì)算值未考慮長(zhǎng)電纜阻抗因素)。由于2只零序電流互感器二次側(cè)采用了串聯(lián)接線方式，因此流進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)WDZ-430裝置零序電流181 A，與分析一致。

由以上分析可知，2根電纜并接回路，各自電纜的零序互感器的二次側(cè)采取串聯(lián)接線方式，不能真實(shí)反映故障時(shí)的電流，會(huì)比真實(shí)電流小近一半。

2.2 電流互感器二次側(cè)并聯(lián)時(shí)

當(dāng)零序電流互感器二次側(cè)采用并聯(lián)接線時(shí)，如圖5所示。

圖5 2只零序CT二次側(cè)并聯(lián)接線等效電路

由電路疊加原理分析，可求得：

I總=I1+I2

流進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)WDZ-430裝置的電流是2只電流互感器二次側(cè)的電流的疊加，即本文中反映的一次側(cè)故障電流計(jì)算值400 A。

由以上分析可知，2根一次電纜并接的回路，各自電纜的零序互感器的二次側(cè)同性極采取并聯(lián)接線方式，能準(zhǔn)確反映故障時(shí)的真實(shí)一次電流值，見圖3。同理推斷，多根一次電纜并接的回路，采用多只零序互感器實(shí)現(xiàn)零序接地保護(hù)時(shí)，各獨(dú)立的零序互感器的二次同極性端應(yīng)并聯(lián)后接入保護(hù)裝置。

3 結(jié)語

由此看出，本文中的保護(hù)動(dòng)作案例，因水泵電機(jī)的2只零序電流互感器二次側(cè)接線采用了串聯(lián)接線的錯(cuò)誤接線方式，未能正確反映故障時(shí)刻接地電流，因而兩個(gè)保護(hù)安裝點(diǎn)測(cè)得的故障電流偏差過大。

綜上所述，當(dāng)同一負(fù)荷采用多根動(dòng)力電纜并聯(lián)接線，且采用多個(gè)零序電流互感器穿過不同的一次動(dòng)力電纜來實(shí)現(xiàn)零序接地保護(hù)時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)要點(diǎn)。

1)同一負(fù)荷設(shè)備，要采取并聯(lián)接線的所有零序電流互感器參數(shù)特性應(yīng)相同，如變比、容量、精度、伏安特性、極性等。

2)安裝時(shí)，零序電流互感器應(yīng)嚴(yán)格確認(rèn)P1、P2的方向，確保所有互感器P1的指向一致；同時(shí)，應(yīng)確保動(dòng)力電纜屏蔽層接地線應(yīng)回穿零序電流互感器，回穿前的接地線應(yīng)有絕緣，不能有接地，否則會(huì)造成零序測(cè)量不準(zhǔn)備，而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

3)零序電流互感器二次線圈抽頭極性相同的要并聯(lián)，即所有互感器s1與s1并接、s2與s2并接，然后再接入保護(hù)裝置中零序電流接線端子。