杨懋渠

（中国石油辽阳石化分公司，辽宁 辽阳 111003）

在电力系统中，电流互感器（CT）是一、二次回路之间的联络元件，能够将一次回路的大电流成正比地变换为二次回路的小电流以供给测量仪器仪表、继电保护装置或其他类似电器，以便实现对系统和设备的测量、监控和保护，进而保证系统的安全、稳定和经济运行。因此，正确地选择和使用CT是非常重要的。但是，CT 参数的选择涉及测量、保护和动、热稳定性等诸多方面因素，66kV 以下中压系统CT 的过饱和问题也常常为准确限值系数的选择带来困扰。本文列举了几个样例，对在工业企业中由高压开关柜供电的配电变压器一次侧CT 的选择进行了详细的分析和探讨，列出了选择步骤，供各位同行参考。

1 基本情况

本文中的配电变压器均通过电缆由高压开关柜供电。高压开关柜主母线处三相短路电流和变压器参数及相关信息见表1。高压开关柜为KYN28A-12型，采用真空断路器、微机保护装置和多功能电力仪表。

按照规程要求，本文中变压器均设置瞬时电流速断保护为主保护、过电流保护（定时限，0.5s）为后备保护。在通常情况下，受高压开关柜中空间的限制，一般每相仅布置一台CT，该CT 带两个二次绕组，分别向测量回路和继电保护回路提供二次电流。样例中高压开关柜的负荷均为配电变压器，故需设置三台CT，采用完全星型接线。根据上述的安装与使用条件，选用环氧树脂浇注绝缘结构的CT，其额定频率为50Hz、设备最高电压为12kV、额定绝缘水平为30/42kV。

表1 高压开关柜主母线处三相短路电流和变压器参数及相关信息

2 CT 参数的选择

依照CT 选择及计算导则的要求[1]，CT 应根据其所属一次设备的额定电流或最大工作电流（均表示为Ib）选择适当的额定一次电流（Ipn），并应使得在额定电流比（Kn）条件下的二次电流满足该回路测量仪表和保护装置的准确性要求。因此，采用如下步骤选择电流互感器的相关参数。

2.1 根据测量要求（即Ipn≥1.25Ib）选择Ipn

选择结果见表2。

表2 初选Ipn 的结果

2.2 选择额定二次电流（Isn）

对于新建厂站，宜选1A；改扩建工程原有CT采用5A 时，可选5A。故初选为1A。

2.3 计算CT 的二次负荷（Zb 或Sb，Zb=Sb/Is2n）

可按下式计算：

测量绕组：Zb=∑KmcZm+KlcRl+Rc

保护绕组：Zb=∑KrcZr+KlcRl+Rc

其中，Zm为仪表电流线圈的阻抗，Ω；Zr为继电器电流线圈阻抗，对于数字继电器可忽略电抗，仅计及电阻Rr，Ω；Rc为接触电阻，一般为0.05 Ω～0.1 Ω；Kmc为仪表接线的阻抗换算系数；Krc为继电器阻抗换算系数；Klc为连接导线的阻抗换算系数；Rl为连接导线单程的电阻，Ω，计算公式为Rl=L/(γA),L为电缆长度（m）、A为导线截面（mm2）、γ为电导系数，铜取57m/（ Ω×mm2）。

因高压开关柜中的CT 采用完全星型接线，故Kmc=Krc=Klc=1。另取L=3、A=2.5，则连接导线和接触电阻之和为 0.07~0.12 Ω，消耗功率为 0.07～0.12VA（Isn=1A）。参照CT 选择及计算导则附表提供的数据，电子式仪表和微机型保护装置的电流回路功耗参考值分别为0.2～1VA 和每相≤1VA；查看多功能电力仪表产品样本和说明书，其中部分资料提供的电流回路功耗和阻抗均为上限值（例如分别是<0.4VA/相和<20m Ω/相）。综合上述数据推算出测量绕组的二次负荷为0.1～0.52VA、保护绕组的二次负荷最大为1.12VA，故可选择规范规定的标准值中的最低值2.5VA 作为测量绕组的额定输出值。

对于准确级为0.5 或0.5s 级的CT 测量绕组，其准确级对应的误差限值的保证条件之一就是二次负荷处于25%～100%额定负荷范围之内[2]。上述额定负荷2.5VA 的25%为0.625VA，可见CT 测量绕组的实际二次负荷不符合要求，需采取增加阻抗的措施。增加阻抗的措施有两种，措施一是增加CT与多功能电力仪表之间连接导线的长度，措施二是在测量回路中增加阻抗元件。一般情况下，多功能电力仪表的电流输入端为小 CT，阻抗很低，而Isn=1A 的CT 带负荷能力相对很强，故措施一中连接导线会很长；而措施二会在测量回路中增加一个故障点，很难做到“越简单则越可靠”的状态；所以，增加阻抗的措施都不太适用。考虑到Isn=5A 的CT 带负荷能力相对很弱，即使采用常用的10VA 作为额定输出值，其对应的阻抗仅为0.4 Ω，25%对应的阻抗为0.1 Ω，扣除0.05～0.1 Ω接触电阻，得出连接导线（2.5mm2）的最小单程长度为7m。因此，宜采用Isn=5A 的CT。

对于Isn=5A 的CT，通常情况下其测量绕组的额定输出为10VA、保护绕组的额定输出为15VA。取微机型保护装置的电流回路功耗为1VA/相、接触电阻为0.1 Ω、连接导线长度为3m，则可计算得出CT 保护绕组的实际负荷为4VA 左右。很明显，保护绕组的额定输出远大于其实际负荷。这非常有利于提高CT 的抗饱和能力。因此，可选择15VA 作为额定输出值。

将Isn改选为5A。测量绕组的额定输出为10VA，连接导线（2.5mm2）的最低长度为7m；保护绕组的额定输出暂定为15VA。

2.4 计算CT 热稳定和动稳定的保证值

按照规定，CT 的额定连续热电流（Icth）、额定短时热电流（Ith）和额定动稳定电流（Idyn）应能满足所在一次回路的最大负荷电流和短路电流的要求。Ith的定义为在二次绕组短路的情况下，电流互感器能承受1s 且无损伤的一次电流方均根值；Idyn的定义为在二次绕组短路的情况下，电流互感器能承受住其电磁力的作用而无电气或机械损伤的最大一次电流峰值。

CT 的热稳定和动稳定校验计算公式[3]分别为

其中，tth=1s；Qt为短路电流热效应（kA2s），t为短路电流持续时间（瞬时电流速断保护时取0.1s、过电流保护时取0.6s），由于发生三相短路时在t/2时间内电动机反馈电流已经衰减完毕，故可按照Qt=（I″2+10Ik2+Ik2）t/12+TeqI″2计算，Ik为最大运行方式下三相短路电流稳态值（kA），Teq为直流分量等效时间，取0.05s。分别计算瞬时电流速断保护和过电流保护的短路电流热效应，均需满足公式要求。

其中，ich为最大运行方式下冲击电流（kA）。

计算保证CT 热稳定和动稳定所需的保证值见表3。

表3 CT 热稳定和动稳定的保证值

2.5 确定保护绕组的准确级

1）初选准确限值系数（Kalf）

依照CT 选择及计算导则，样例中的配电变压器一次侧CT 应选用10P 级电流互感器。

因CT 安装在高压开关柜内，故应以最大运行方式下柜内主母线处的三相短路电流作为参考值来确定CT 的额定准确限值一次电流（Ipal），这样才能保证在断路器（高压开关柜内）的负荷侧发生短路故障时CT 能够将一次电流正确地传变到二次回路（即误差不超过10%这一规定值）。

对于样例1～5，按上述方法确定Ipal依次为7.5kA、23.89 kA、17.5 kA、14.39kA 和20.68kA，进而计算出准确限值系数（Kalf=Ipal/Ipn）依次为75、159.3、87.5、143.9、137.8。可见，CT 的Kalf值过大。过大的Kalf值将会增加CT 设计制造和实际应用的难度，也不利于工程成本的控制。若按照上述方法确定Ipal并暂定Kalf为20 来选择Ipn，则样例1～5的Ib/Ipn依次为19%、8%、17%、11%、9%，不利于继电保护整定和保证测量计量误差。在数年时间里，这些情况令人对CT 准确限值系数的选择感到困惑。但是，这仅仅是一个很小的侧面。随着大机组的逐年增多、电力系统容量的不断扩大和电网架构的日趋合理，66kV 以下中压系统的短路电流越来越大，而有些馈线的工作电流却仅有几十安培，因此，保护用电流互感器参数的合理选择方法问题急需得到解决。为此，有关人员和单位进行了系列试验并给出了结论[4]，即：可按保护最大整定值确定电流保护用的电流互感器准确限值系数，以代替按短路电流选择电流互感器参数，则一般电流互感器（Kalf=15～20）即可满足要求，按此原则选定的电流互感器完全满足一般反应有效值和平均值的继电保护在过饱和时可靠动作的需要，若微机保护的采样频率高于每周期18 点则过饱和系数（Ks，即短路电流与Ipal的比值）基本不受限值。故对于本文样例中CT 的准确限值系数可按照变压器电流速断保护整定值进行选择，初选Kalf为15。

2）瞬时电流速断保护和过电流保护整定值的计算

（1）瞬时电流速断保护

保护装置动作电流值（一次值）Iop的计算公式为：Iop=KrelI″2k3.max

其中，Krel为可靠系数，取1.3；I″2k3.max为最大运行方式下变压器低压侧三相短路时流过高压侧（保护安装处）的超瞬态电流。

同时，Iop还应避越变压器空载投入时的励磁涌流。

保护装置灵敏系数Ksen的计算公式：Ksen=I″1k2.min/Iop

其中，I″1k2.min为最小运行方式下变压器电源侧引出端发生两相金属性短路时流经保护安装处的短路电流（一次值）。

按照规程要求，灵敏系数应不小于2。

（2）过电流保护

保护装置动作电流值（一次值）Iop的计算公式为：Iop=3.5Ib

其中，Ib为变压器一次侧额定电流。

保护装置灵敏系数Ksen的计算公式：Ksen=I″2k2.min/Iop

其中，I″2k2.min为最小运行方式下变压器二次侧母线上发生两相短路时流经保护装置的短路电流（一次值）。

按照规程要求，灵敏系数应不小于1.5。

（3）计算结果见表4。

表4 整定值的计算结果

3）选择Ipn

由于本文样例中CT 的二次负荷较小，需根据实际负荷修正准确限值系数。一般工程中按实际负荷修正的准确限值系数K′alf可取为Kalf的2 倍。但是由短路电流值和根据实际负荷修正的准确限值一次电流（I′pal）在数值上的显著差异可以看出，无论怎样，发生短路时CT 中流过的短路电流均超过其I′pal，使得CT 处于过饱和状态。根据文献[5]的分析结论，由于保护装置电流回路量程的限制，CT 过饱和会影响其对CT 二次电流的测量结果，有可能造成电流速断保护拒动；在特定的短路电流下保护装置是否存在拒动的危险，可根据CT 参数、保护装置电流回路量程和保护整定值等给定的条件进行估算；为避免保护拒动，应采取措施提高CT 的实际准确限值一次电流，或提高保护装置的量程，并校验电流速断保护整定值的可靠性。显而易见，在实际工作中，在Kalf范围已经确定的条件下适当提高CT 的变比是比较简单易行的方法，这样既可以降低CT 过饱和系数，同时又也降低了电流速断保护的整定值（二次值）。按照这个思路，可以反过来做推算Ipn的工作。

一般情况下，微机保护装置电流回路的量程为0.1In～20In（In为其额定电流，等于CT 的Isn）。考虑到电流速断保护整定值（二次值）不要太高，取不超过20In的80%。因此，应保证变压器电流速断保护整定值（一次值）落在在0.1Ipn～16Ipn之间，也就是说Ipn的选择还受到不得低于变压器电流速断保护整定值（一次值）的1/16 这一条件的约束。按此约束条件重新选择Ipn，并做相关计算，结果见表5。

表5 选择Ipn 的计算结果

4）确定Kalf

重选的Ipn和Kalf的乘积为Ipal，其值大于速断保护整定值（一次值）。故确定Kalf为15。

2.6 确定测量绕组的准确度

按照国家标准要求[6]，样例中的高压开关柜上需设置电测量装置反映电气运行参数，其准确度为0.5，配套CT 的准确度也应为0.5；对于Ⅲ类电能计量装置，要求CT 准确度为0.5S。故确定测量绕组的准确度见表6。

表6 CT 参数的选择结果

上述标准还提出，CT 额定一次电流的选择宜满足正常运行的实际负荷电流达到额定值的60%、且不应小于30%的要求，其二次绕组中所接入的负荷应保证在额定二次负荷的25%～100%。对于分别接至两段高压母线的互为暗备用的两台配电变压器，一般按计算负荷为变压器额定容量的70%来确定变压器的额定容量。若变压器一次侧CT 变比较大，还会出现变压器实际负荷电流低于CT 额定一次电流30%的情况，此时可通过采用选用复变比CT 的方法来有效解决测量绕组与保护绕组之间对CT 额定一次电流提出的互为矛盾的要求。

2.7 参数选择结果

综上所述并参照工厂常用电器设备手册增补本[7]中列举的、在工程实际中大量使用的定型产品LZZBJ9系列CT 的相关数据，最终确定样例中CT 参数的数值见表6。

3 结论

在确定工业企业供电系统内配电变压器一次侧CT 参数时，也会遇到短路电流相对较大而实际负荷电流较小、造成CT 准确限值系数难以选择的情况。相关文献的研究成果为解决此类问题提供了很好的理论依据。故应根据工程的实际情况，全面分析涉及CT 参数选择的各项因素和制约条件，按保护最大整定值确定Kalf，兼顾微机保护装置量程确定Ipal，适当提高CT 的变比，经复核和校验后最终确定CT参数。这样，一般的电流互感器均可满足工程要求，同时也有效地规避了保护装置拒动的风险，取得技术合理、经济适用的应用效果。

[1] 国家发展和改革委员会.DL/T 866—2004 电流互感器和电压互感器选择及计算导则[S].北京: 中国电力出版社,2004.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.GB 1208—2006 电流互感器[S].北京: 中国标准出版社,2007.

[3] 中国航空工业规划设计研究院等编.工业与民用配电设计手册[M].3 版.北京: 中国电力出版社,2005.

[4] 袁季修,盛和乐,秦应力,等.中压系统保护用电流互感器参数选择方法[J].电力自动化设备,2007,27(2): 1-5.

[5] 胡家为,葛荣尚,尹明铉,等.CT 过饱和特性及对过流速断保护的影响[J].电力系统保护与控制,2013,16(41): 133-138.

[6] 住房和城乡建设部 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 50063—2008 电力装置的电测量仪表装置设计规范[S].北京: 中国计划出版社,2008.

[7] 《工厂常用电器设备手册上册》编写组编.工厂常用电器设备手册上册补充本[M].北京: 中国电力出版社,2003.