1 概述

在中壓電力系統(tǒng)的項(xiàng)目中，我們開關(guān)柜的設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)遇到開關(guān)柜內(nèi)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(yīng)用環(huán)境也有所不同。如何在開關(guān)柜的設(shè)計(jì)中合理選用零序電流互感器就成為開關(guān)柜設(shè)計(jì)人員經(jīng)常遇見的問題。本文就這一問題進(jìn)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(cè)零序電流的，因此可以稱之為零序電流過濾器，它的構(gòu)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(hù)系統(tǒng)的三個(gè)相的導(dǎo)線（三個(gè)相的導(dǎo)線一起穿過互感器環(huán)形鐵心），二次繞組反應(yīng)一次系統(tǒng)的零序電流。

在中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中，零序電流互感器與接地繼電器等構(gòu)成單相接地保護(hù)裝置。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過零序電流互感器一次側(cè)三相電流的矢量和為零，即Ia＋I(xiàn)b＋I(xiàn)c =0。此時(shí)零序電流互感器處于非工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障（如A相）時(shí)，Ia＋I(xiàn)b＋I(xiàn)c＝3Ioc，3Ioc等于B相和C相的對(duì)地電容電流的向量和，鐵芯中出現(xiàn)零序磁通，該磁通在二次繞組感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，二次電流流過接地繼電器使之動(dòng)作。

簡(jiǎn)單的說，零序電流互感器在電力系統(tǒng)產(chǎn)生零序接地電流時(shí)與繼電保護(hù)裝置或信號(hào)裝置配合使用，使裝置元件動(dòng)作實(shí)現(xiàn)保護(hù)或監(jiān)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(hù)的不同，分小電流接地選線裝置用，繼電器用，微機(jī)保護(hù)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，盡量選用LJK、LXK型開合式的零序電流互感器，拆開時(shí)的外形見圖2；LJ、LJZ型為老式結(jié)構(gòu)，檢修更換時(shí)必須重新制作電纜頭，不建議選用。

圖2 開合式零序電流互感器打開狀態(tài)

3.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面

根據(jù)實(shí)際用途相應(yīng)選用，一般大部分使用的都是電纜式（如LJ、LJZ，LXK），極少的場(chǎng)合下需要使用分母線式（如LJM），例如發(fā)電機(jī)出口的零序保護(hù)。

3.3 配合保護(hù)方面

根據(jù)配合使用的保護(hù)裝置相應(yīng)選用。根據(jù)保護(hù)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(jù)之一，要求零序電流互感器在一次接地電流較小時(shí)，和非金屬性接地時(shí)，零序電流互感器也要有一定的輸出，來滿足裝置啟動(dòng)的門坎值，進(jìn)行接地選線或進(jìn)行相應(yīng)線路跳閘。

裝置本身的負(fù)載阻抗并不大，但需要通過電纜將各個(gè)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(fù)載阻抗，這種零序電流互感器的負(fù)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型接地繼電器線圈并聯(lián)阻抗為10Ω，其動(dòng)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型繼電器線圈并聯(lián)阻抗為10Ω，其動(dòng)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(jī)保護(hù)裝置配套使用的零序電流互感器

微機(jī)保護(hù)裝置阻抗一般不超過0.2 ~0.4Ω，其零序過流保護(hù)二次動(dòng)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(zhǔn)確級(jí)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(yīng)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?yàn)橹挥邪l(fā)生一次接地故障時(shí),零序電流互感器才有輸出.人們不會(huì)讓接地電流很大時(shí)才使保護(hù)動(dòng)作。

不用考慮躲過負(fù)荷電流)可是由于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(shù)，僅10匝，所以50/5、10/1的零序電流互感器負(fù)荷特性較差，實(shí)際負(fù)載阻抗和零序電流互感器的容量不一致時(shí)將會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，而且在低于額定電流時(shí)誤差也會(huì)加大，所以在允許的情況下盡量選用大一些的變比。

1) 已有保護(hù)整定值時(shí)變比選擇

已有保護(hù)定值，變比就很容易選擇了。如定值是一次電流80A時(shí)保護(hù)動(dòng)作，可選100/5或100/1，其對(duì)應(yīng)的零序二次電流值為4A或0.8A，在零序過流保護(hù)二次動(dòng)作的整定值為0.1～20A之內(nèi)。

2）電阻接地系統(tǒng)（小電流接地系統(tǒng)，一般用于66kV及以下）變比的選擇

電阻接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，流過故障點(diǎn)的電流由兩個(gè)分量組成，一個(gè)是電容電流，另一個(gè)是中性點(diǎn)電阻電流，兩者相差90°。故障回路的零序電流等于接地點(diǎn)電流與本線路接地電容電流向量差，即等于所有非故障線路接地電容電流與電阻電流向量和的負(fù)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(tǒng)（IR=1-1.5IC）的接地電流

a) 架空線的電容電流計(jì)算

IC=(2.7～3.3)*U*L*10－3 (A)

式中:U — 電網(wǎng)的額定電壓(kV)

L — 線路長(zhǎng)度(KM)

系數(shù)2.7適用于無避雷線的線路(木桿線路);3.3適用于有避雷線的線路(木桿線路)金屬桿塔時(shí)

變電所的電力設(shè)備所引起的電容電流增值，可按表2估計(jì)。

表2 電力設(shè)備所引起的電容電流增值

b) 電纜要比同樣長(zhǎng)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(jì)算中可采用IC=0.1U*L (A)。也可采用表3的平均值計(jì)算。

表3 電纜線路電容電流平均值（A/KM）

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

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，流過故障點(diǎn)的電流僅為電網(wǎng)對(duì)地的電容電流。這種系統(tǒng)接地電流較大時(shí)，或保護(hù)最小啟動(dòng)電流較小時(shí)，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(diǎn)不接地系統(tǒng)一般不允許接地電流超過10A，所以一般10A以下保護(hù)就要?jiǎng)幼鳌?/p>

消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，由于消弧線圈產(chǎn)生的電感電流和單相接地的電容電流的中和后，一般也不會(huì)有超過10A的接地電流（一般都是過補(bǔ)償，實(shí)際接地電流已是電感電流）。

由于使用了綜合保護(hù)，就要求有整定值（不用綜合保護(hù)的有時(shí)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(shí)，二次電流0.25A，一般已超過綜合保護(hù)的啟動(dòng)電流。

如綜合保護(hù)最小啟動(dòng)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(diǎn)直接接地系統(tǒng)（大電流接地系統(tǒng)，一般用于110kV及以上）變比的選擇

中性點(diǎn)接地系統(tǒng)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(guī)定有1A、5A。考慮到零序電流互感器一般都是小變比，所以盡量選用1A的（零序電流互感器的二次額定匝數(shù)多），來提高帶負(fù)載能力。但是有些綜合保護(hù)設(shè)定1A或5A時(shí)是用菜單選擇，這時(shí)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(hù)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(guān)系

Z=S/I2或 S=I2×Z

式中：

S：容量（額定負(fù)荷）用“VA”表示

I：二次額定電流，（5A或1A）用“A”表示

Z：二次連接儀器或繼電器的阻抗和二次聯(lián)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(fù)荷）的關(guān)系

GB1208-2006中規(guī)定：“在額定頻率及額定負(fù)荷下，電流誤差，相位差和復(fù)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回路（裝置及回路）阻抗匹配，才能達(dá)到上表精度，如所選容量比實(shí)際大時(shí)零序電流互感器在使用時(shí)將出現(xiàn)正誤差，反之則出現(xiàn)負(fù)誤差。

表4 保護(hù)用電流互感器誤差限值

3）與綜合保護(hù)等電子型保護(hù)配套的零序電流互感器容量

這種保護(hù)如就地安裝（開關(guān)柜上），回路阻抗可以不計(jì)，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。如電纜連接回路較長(zhǎng)，要考慮回路阻抗，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(jù)阻抗（見表5）和零序電流互感器的額定二次電流可計(jì)算出零序電流互感器的容量。

5）二次回路電纜電阻，見表6。

表6 銅導(dǎo)線電阻表

3.7 準(zhǔn)確級(jí)與準(zhǔn)確限值系數(shù)

準(zhǔn)確級(jí)是對(duì)電流互感器給定的等級(jí)。互感器在規(guī)定使用條件下的誤差應(yīng)在規(guī)定的限值內(nèi)。保護(hù)用電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)是以其額定準(zhǔn)確限值一次電流下的最大復(fù)合誤差的百分比來標(biāo)稱，其后標(biāo)以字母“P”（表示保護(hù)用）。保護(hù)用電流互感器的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確級(jí)為5P和10P。

準(zhǔn)確限值系數(shù)是額定準(zhǔn)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為復(fù)合誤差，p為保護(hù)級(jí)，5為準(zhǔn)確限值系數(shù) 。

也就是說當(dāng)一次電流為500A時(shí)，二次電流為25A左右，復(fù)合誤差≤10%，準(zhǔn)確限值系數(shù)在零序電流互感器應(yīng)用較少，應(yīng)盡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(shí)，獲得較高的精度，一般零序電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)選10P。

3.8 動(dòng)穩(wěn)定電流和短時(shí)熱電流

動(dòng)穩(wěn)定電流是一次電流很大時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)力不會(huì)使電流互感器機(jī)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(dòng)穩(wěn)定電流的要求。

短時(shí)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(nèi)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，由于其中一部分用于激磁，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(gè)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(qū)，有變比和精度要求的零序電流互感器一般都工作在這個(gè)階段。

c.2~3，過了2這點(diǎn)互感器進(jìn)入飽和區(qū)。準(zhǔn)確很值系數(shù)越大2這一點(diǎn)越高，進(jìn)入飽和區(qū)越晚。

3.10 零序電流互感器內(nèi)徑選擇

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

表7 三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜選用互感器內(nèi)徑一覽表

4 結(jié)語

根據(jù)以上的分析方法，通過產(chǎn)品的安裝方式、結(jié)構(gòu)形式、配合保護(hù)等方面結(jié)合電力系統(tǒng)各種運(yùn)行方式（中性點(diǎn)接地、中性點(diǎn)不接地、電阻接地、消弧線圈接地）來選擇相應(yīng)的零序電流互感器，以達(dá)到零序電流互感器和相應(yīng)保護(hù)裝置的最佳配合，起到保護(hù)電力設(shè)備的作用。

在實(shí)際的選型中，應(yīng)盡量選用樹脂澆注成型，外形美觀、小巧、安裝方便、節(jié)省安裝空間的型式，仔細(xì)權(quán)衡不同零序電流互感器的性價(jià)比，進(jìn)一步降低開關(guān)柜的設(shè)計(jì)成本，增加開關(guān)柜的市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“開關(guān)柜中零序電流互感器設(shè)計(jì)選型”，作者為許鐵軍、李岳。