四线制CT接线方式给继电保护带来的问题

钱净生

摘 要：传统继电保护电流二次回路三相共用中性线，本文首次提出这种接线方式存在不同相电流互窜的问题，分析互窜产生的原因、条件和程度，并指出对微机型母差、纵差、距离保护可能造成误动的作用机理，提出中性线独立的纠正措施。本文提出了分析影响继电保护动作正确性的新问题，对分析继保误动疑案提供新的思考因素。

关键词：继电保护;差动保护;电流回路;CT饱和

中图分类号：TM773 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0140-02

0 引言

目前，广泛采用的电流互感器的输出是交流电流。而继电保护及自动装置的计算逻辑回路通常是直流。为确保继电保护及自动装置运行的可靠性及安全性，需将电流互感器的二次回路与继电保护及自动装置的逻辑回路进行隔离。在保护装置中，将电流互感器的二次电流变换成与电流成正比的电压，并进行交、直流回路隔离的变换器，通常采用两种变换器之一，即辅助变流器或辅助变压器（即电抗互感器）。

1 电力系统常规的二次电流接线建模分析

电力系统常规的二次电流接线为三相四线制，ABC三相共用N线构成闭合回路，接线原理如图1。从图中可以看出，在某相CT饱和时，非饱和相的电流将从N线和饱和支路回流，回流电流的分布由饱和支路和N线的电阻决定。

2 实际试验分析

不妨做一个实际试验来验证这种现象，测试电路见图2。测试接线中的电阻模拟导线和CT的直流电阻，由于B相不饱和，B相导线电阻可以忽略，30：30的CT模拟饱和相的特性，在5A下有50%的时间电流饱和。

三相四线制CT接线由于N线共用可以造成电流互窜问题。分析AB相各种角度差下的波形可知，如同时满足下述条件（下文中引用为条件A），互窜的电流将使饱和期间窜入的电流与不饱和时应出现的电流反相：

（1）两相幅值不同而造成一相饱和而另一相不饱和。（2）相角差较小或饱和相超前120°。

满足这一条件的系统情况有：完全接地系统单点多相接地，电网多点故障、主变励磁涌流。

3 电流互窜现象对各种保护的影响

3.1 线路差动的影响

对于线路差动来说，如果线路两侧CT特性和负载的差异，在区外故障或励磁涌流时出现了一侧饱和、另一侧不饱和，如满足条件A，则在这种电流互窜现象的影响下，继电器可能会误判为区内故障而误动，特别是高灵敏的微机型纵差保护装置更有可能误动。

3.2 距离保护和高频保护的影响

对于距离保护和高频保护而言，区外故障时只要线路有一侧CT出现饱和，且电流满足条件A，则距离保护的方向元件（阻抗突变量）很可能在CT饱和期间误判，如果故障距离近，则距离I段很可能立即误动作。

现以实际案件分析这种电流互窜对距离和高频保护的影响。某变电所有1205和1206两条110KV架空线为进线电源，110KV母联合上，均装有LFP941B保護装置。某日线路遭雷击，两条线路同时为高频距离、零序和距离段动作跳闸。看其故障波形，可知1205线和1206线B相电流反向，说明电流从一条进线穿越母联回到另一条线路。看其高频收发信和跳闸信号先后秩序，可知1206线保护装置在故障电流出现的同时正确发出Fx（允跳）信号，而1205线的保护装置是在故障电流出现后延迟20ms左右才发出Fx信号，发信号的同时正是B相电流波形出现第一个畸变，说明畸变是造成1205线保护装置判断故障电流为线路方向的原因。几乎在1205线发Fx信号的同时，跳闸信号发出，对方的允跳信号Sx比跳闸信号晚15ms，说明1205线是距离I段跳闸的。这些现象说明1205线是因波形畸变而误跳闸的。看看波形的畸变形状，就像是没有考虑直流衰减分量的图3。其实它就是AC相电流反窜入B相饱和期的结果。

3.3 中阻式母线差动保护的影响及原理分析

对于中阻式母线差动保护而言，由于继电器电流测量回路的等效阻抗较大，加上有其它线路同相电流的分流影响，情况较为复杂。我们先来分析其保护原理。中阻式母差动保护抗CT饱和引起误动的原理是基于非饱和支路的电流弥补饱和支路的电流缺损。

当某条出线故障时，极大的故障电流造成该出线的CT饱和，其它线分担了故障电流而未出现饱和，则故障电流Ifault分流到饱和支路IX和差流支路ID，饱和支路得到的分流IX显然与CT不饱和应出现的电流同方向，起到了非饱支路的电流弥补饱和支路电流缺损的作用。则其差流和制动电流分别为：

差流ID=Ifault-IX

制动电流IS=Ifault+IX

差流和制动电流比K=ID/IS=（Ifault-IX）/（Ifault+IX）

由于IX/ID=RE/RMAX，故可解得RE>RMAX*/（1+K）/2K时，差动保护不误动。

从上式可知，要使区外故障不误动，就是要控制好饱和支路和差流支路的分流比，确保分流到饱和支路的电流比较大。我们可以将单纯的CT饱和与经分流后的电流波形做直观比较，显见这一抗误动原理是如何起作用的。

我们通过实验来验证这种情况引起母差保护误动的可能性。某母差保护装置型号为BUS1000，辅助CT的变比为5：1，一次电阻0.25Ω，二次电阻20Ω，单根导线电阻为0.6Ω。先分析最易误动的条件，如果有甲乙两线，甲线的A相饱和、B相不饱和，乙线的AB相均不饱和，而故障中B相电流远大于A相电流，则分流来的甲线A相电流几乎全部成了母差中A相的差电流。图3为模拟这种情况的试验。图中A相加直流为模拟CT饱和，实测中甲线A相的分流为2A，后用调压器取代多功能继电保护测试仪，将B相电流加大到25A，母差保护A相动作。

分析一下图3情况在实际中发生的条件，若母差保护的回路超过三个，且有大型变压器存在，则当变压器激磁时，如各相出现不同强度的励磁涌流而分别饱和，涌流最大的如同图3的B相，涌流较小的如同图3的A相，由于AB相角差的存在，很可能出现这样的时间窗：A相进入饱和期而B相退出饱和期，由于A相电流分布在三个回路，则很可能出现只有一个回路进入饱和而使其它回路的不同相分流未发生。这样的时间窗正好满足图3的情况。

这种情况在实际事故中出现过，某220KV变电所，220KV的一条进线带接地线合闸，纵差跳闸后，110KV主变电压恢复时出现强烈的励磁涌流（从故障录波中看到励磁涌流比故障电流还大），当时110KV母线装设的BUS1000母差保护误动作。

由于中阻式母差保护原理相同，三相四线制CT接线带来的同回路不同相电流在CT饱和时的互窜问题，都可能造成保护误动，且极可能发生在励磁涌流发生时。

4 改进误动的措施

要防止这种误动的发生，只能是改变CT二次的接线方式，改为6线传送三相电流，彻底分开相间二次电流的互串。

5 结语

这个问题是电力系统普遍存在的，它对电网的安全运行威胁较大，许多差动保护的误动可能是它引起的，但往往被归因于大电流的CT饱和或者是主变励磁涌流等等原因。其实就保护原理而言，线路纵差或者是距离保护只要有一定的饱和判断能力，原本能够经受得住区外复杂故障、主变激磁的，但在三相四线制CT接线方式造成不同相电流互窜后，保护装置往往不能正确判断而误动。

参考文献

[1] 韩笑，赵景峰，邢素娟.电网微机保护测试技术[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[2] 杨新民，杨隽.电力系统微机保护培训教材（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2008.