10kV配电变压器零序CT变比设计及安装位置分析

1 0 k V 配电变压器零序 C T 变比设计及安装位置分析

徐良友

江苏省环境工程技术有限公司 江苏南京 210000

摘  要: 本文探讨了10KV变压器低压侧零序CT变比设计及不同的安装位置的分析。

关键词: CT饱和系数；中性点；保护接地；

前言

10KV（6KV）/0.4kV变压器在工矿企业（6KV多用在火力发电厂）应用非常广泛，变压器电源侧的高压侧开关柜配置变压器综合保护器，变压器低压侧必须配备零序电流保护^[1]，相应在变压器低压侧配置零序CT。关于这个零序CT的一、二次电流值的选择，及其安装位置确定，设计单位往往委托成套设备厂家或安装建设单位来完成这项工作。不少成套设备厂家或建安单位在这个CT选用及安装位置是错误的，继而影响继电保护的功能。本文就在工程实际中遇到这两个问题进行阐述：

一、零序CT的额定一次与二次电流值选择

（1）根据文献[1]：1kV及以下系统电流互感器额定一次电流宜采用1A，所以大多数低压变压器的零序CT额定二次电流值采用1A，特别是变压器与高压开关距离远，CT回路压降大的，更是首选1A。如果变压器高压柜综合保护器配置要求需要，也可以采用5A。

（2）根据文献[1]：变压器中性点侧零序电流互感器额定一次电流应按大于变压器中性线上流过的不平衡电流和未单独装设零序电流互感器保护的最大电动机相间保护动作电流选择，可按照大于变压器低压侧额定一次电流30%~100%选择。参考文献[2]有关公式，

（3）动作电流定值计算。动作电流I_op.0可按如下计算，取二者最大值：

1）按躲过低压厂用变压器最大负荷的不平衡电流计算，即：

I_op.0=(K_rel*I_unb)/n_a0 （1-1）

式中：

K_rel—可靠系数，取1.3~1.5；

I_unb—变压器最大负荷的不平衡电流，可取（0.2~0.5）I_E，I_E为变压器低压侧一次额定电流；

na0：变压器低压侧中性点零序电流互感器变比。

2）与变压器低压侧下一级保护配合，即：

下一级有零序过电流保护时，应与零序过电流保护最大动作电流配合，即：

I_op.0=(K_CO* I_op.0.L.max)/n_a0 （1-2）

式中：

K_CO—配合系数系数，取1.15~1.20；

I_op.0.L.max—下一级零序过电流保护最大动作电流一次值；

n_a0—变压器低压侧中性点零序电流互感器变比。

下一级无零序过电流保护时，应与相电流保护最大动作电流配合，即：I_op.0=(K_co* I_op.L.max)/n_a0 （1-3）

式中：

K_CO—配合系数系数，取1.15~1.20；

I_op.L.max—下一级相电流保护最大动作电流一次值；

n_a0：变压器低压侧中性点零序电流互感器变比。

（4）灵敏度校验计算如下：

K_sen=I_k⁽¹⁾/(I_op.0*n_a0) （1-4）

K_sen：灵敏系数

I_k⁽¹⁾：变压器低压侧母线单相接地短路电流一次值；

n_a0：变压器低压侧中性点零序电流互感器变比；

文献[2]要求K_sen2。在计算结果满足灵敏度的要求的条件下，如何确定变比na0，即确定一次额定电流值，从公式（1-1）～（1-3）中可以看出，一次动作电流值以及灵敏度与变比没有关系。CT额定一次值如何从变压器低压侧额定一次电流30%~100%这样大的范围内，选择合适值？参考文献[4] CT的10%的误差特性曲线图如下：

主 要要考虑CT的最大一次电流倍数：m₁₀=I₁/I_1e；

I₁：回路短路电流；

I_1e/：互感器额定一次电流；

Z_fh：CT二次负荷阻抗。

根据图形，选择的CT额定一次电流越大，m₁₀越小，为了保证误差在曲线以下，CT带负载（Z_fh）能力越强。但是CT额定一次电流越大，CT制造陈本越大，所以在满足10%误差及能满足二次负载条件下，CT的额定一次电流越小越好，CT制造越经济。

二、零序CT的安装位置

在工程项目上，不同的设计单位进行设计，不同的制造厂家以及不同的建安单位，因此诸多因素导致变压器低压侧的零序CT的实际安装位置各不同，甚至有的安装位置是错误的。即使在调试过程中采用：外部电源线穿过零序CT，来测试CT及保护动作特性，所以其安装的实际位置在调试过程中往往容易被忽略。错误的接线方式在设备投运后也未被及时发现，给设备的安全运行带来了隐患，本文就实际工程中出现的几种典型接线进行分析，并给出相应方案或措施。

如 图（一）

变压器低压侧是TN-S系统，当低压侧发生单相（相线接触设备外壳）接地故障后：故障电流的一部分通过设备外壳的接地PE线返回系统，另一部分通过外壳接地线，然后经过接地电网从变压器的中性点返回系统。因此图中零序CT检测到是全部故障电流。通过零序CT继电器跳开变压器高压侧开关，切除故障。

如图（二），CT安装在TN-S系统保护中地线PE与零线分开前PEN线上，当低压侧正常运行时候，N线上不平电流流过零序CT。所以当低压侧发生故障时，流过零序CT的电流：一部分电流从PE线以及接地线返回系统，另一部分是流过N线返回的不平衡电流。因为N线的不平衡电流的作用，对于保护的灵敏度、动作整定值都有影响。因为不平衡电流的叠加，促使保护的实际动作值对应的故障电流减小显然且灵敏度得到了提高。

另外，实际运行中，当低压侧进线断路器上口与变压器低压侧之间的母排发生相排对N排的短路，因为此故障电流不经过低压侧总进线断路器，对于图（一）的接线方式，则只能通过变压器高压侧的保护动作跳开故障。而对于图（二）的接线方式，此类型的故障电流将通过零序CT。因为高压侧为D接，零序电流从电源不能流入变压器^[3]，所以变压器低压总进线断路器上口相对N线短路的故障电流，在高压侧侧只能反映为正序和负序电流，通过过电流保护动作。如果故障发展较为缓慢，那么变压器低压侧零序保护早于高压侧的过流二段动作，动作出口跳开高、低压侧的断路器。在国内大多数火力发电厂的辅机系统，该接线方式的应用较为广泛。

实际工程中，除了常见的把零序CT安装在变压器小室里，还有在低压进线开关柜内安装的零序CT，当变压器的低压母排与低压柜的母排连接后，PE线与CT之间安装位置也有讲究，比如图3的接线方式：

对 于图（三）的接线方式，当低压侧发生单相接地后，一部分故障电流通过变压器小室的PE线返回系统，然而位于低压侧进线柜的零序CT只能检测到经过PE排返回系统的部分故障电流以及正常负载时的不平衡电流，不能检测从变压器小室接地点直接返回系统的故障电流。这种情况下使得零序保护实际动作值大于故障处的电流，甚至存在拒动的可能。例如某火力发电厂化水车间，发生了变压器低压侧进线断路器之前的单相接地，但零序CT不能反映故障电流，故障处的电弧放电也将变压器低压侧进线断路器损坏。

改进措施：将变压器小室的PE线拆除，再将PE线接至低压柜进线柜（图4），等同图2接线方式。

另 外，图（五）的接线方式使得接地故障保护无法反映从PE母排返回的故障电流，所以需要将零序CT安装在PE母排与N排之间（如图(一)）。

图 （六）不能反映从接地网通过变压器小室PE线返回至系统的故障电流。所以可将接地点从PEN排拆除，参照图1进行安装。

三、低压总进线开关零序CT安装位置

在实际工程中，变压器器低压侧总进线开关的框架断路器也带有零序保护功能，这个零序CT安装位置也分好几个位置，目的都是对接地故障进行检测，这几个检测方法分三种，如图（七）~图（九），框架断路器配备的智能脱扣器型号和CT安装位置对应，工作原理类似前面介绍的变压器零序CT；不同的是，选用不同的安装位置，对应的CT型号是不一样的。框架断路器各种零序CT具体详细介绍参考有关开关产品手册，这里不详细赘述。

图（七）：RS（Residual Sensing ）system 剩余电流检测方式；

图（八）：SGR（source ground return）system 地电流返回检测方式；

图（九）：ZS （zero sequence）system 零序电流检测方式

四、结语

变压器低压侧零序CT的变比与实际安装位置往往容易被忽略，但是它对于接地故障保护的实际功能有较大影响，在实际的工程应用中也发生过因为零序CT变比与位置安装错误导致的变压器、断路器损坏事故。尤其对于安装在PEN线上的零序CT，其灵敏度要比安装在PE线上要高，并且能能够反映低压侧进线断路器之前的相线对N线的故障。然而其他几种典型错误，应避免。所以对于已经投产运行的设备可以自查，更重要的是在设计、建安和调试阶段可以借鉴。另外，对低压进线总开关断路器的接地故障配备CT选择也要注意几种情况的不同，参考相应的断路器产品说明书，正确地选择设计需要的CT类型，并安装在正确的位置，真正起到设计需要的保护功能。

参考文献

[1] DL 866-2015《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》

[2] DL 1502-2016《厂用电继电保护整定计算导则》

[3]《电力工程电气设计手册 电气二次部分》卓乐友 主编 中国电力出版社

[4]《电力系统继电保护原理与运行分析》上册 张志竞 黄玉铮合编中国电力出版社