对220kV电流互感器性能指标的讨论

摘要：电流互感器铁心饱和特性对于继电式保护装置的差动部分有严重影响，通常是要求电流互感器具有多个二次绕组，其最终结果是大量使用二次电缆。现行的二次设备布置方式又使得二次电缆互相交叉，给后续的维护、改造工作造成极大困难。实际分析电流互感器所带二次负载后，并联使用二次电缆是缓解铁心饱和的简便易行方法，提高电流互感器变比则是彻底解决问题的捷径。随着保护装置微机化的推行，其差动保护的启动判据普遍采用和电流制动差电流方式，原本是提高保护灵敏性、可靠性的措施，也产生了附带效果，即对电流互感器饱和特性极大地放宽了要求。充分认识这种附带效果并加以合理利用，将彻底改变变电站二次设备的布置方式和面貌，具有重大的经济意义。

关键词：电流互感器；电流互感器铁心饱和；电流互感器精度；微机式保护装置；保护装置抗饱和能力；保护装置动作可靠性

电流互感器铁心饱和特性是继电式保护装置可靠动作的前提条件[1]。这种正确的观念曾经广为传播，促进了电网的安全稳定运行，是有历史功绩的，以致于许多人将其移植到了微机式保护装置上[2]。保护的职能管理部门虽然对微机式保护装置的抗饱和能力有所认识，受传统观念的影响也有深深的担忧，竟然开始讨论那些不可能引起电流互感器铁心饱和的电网运行方式了[3]。不顾现有的技術条件，生搬硬套以往的规章制度一定会带来不必要的浪费。

为了应对日益增长的短路电流，有关部门已经有计划地成批更换电流互感器以解决其铁心饱和对保护装置的不利影响，具体的方法是将保护变比增大，并且将抗饱和能力从30倍额定电流提高到40倍，即从5P30到5P40。这是很大的工作量，需慎重抉择。

对于短路电流的特点需认真分析。母线短路电流与流经电流互感器的短路电流在不同的电网位置上是有很大区别的，见下文的详细介绍。因此，短路电流引起的电流互感器铁心饱和问题不是想象中那么严重，在不同的电网位置有不同的特点，不应该简单地一概而论。

微机式保护装置经过20年的发展历程，本身已经有了很强的抗电流互感器铁心饱和能力[46]。微机式保护的启动判据与继电式保护有根本性的不同，完全可以将电流互感器仅仅当作一个信号传感器使用。只要不是二分之三接线方式，并且电流互感器变比不是错得特别离谱，就没有什么可担忧的。

1 220kV短路电流的特点

在负荷中心，220kV系统短路电流持续增长，尤其是在巨型500kV变电站的220kV母线处。决定220kV母线短路电流的主要因素是500kV主变压器容量和220kV主力发电厂[7]。

220kV线路上的短路电流小于母线短路电流。流过线路电流互感器的短路电流在最不利的情况下，即线路出口处短路时，也明显小于母线短路电流。

流过母联和分段回路电流互感器的短路电流类似于线路。

流过220kV主变压器高压侧电流互感器的短路电流约等于母线短路电流，是最容易引起电流互感器铁心饱和的情况。

流过500kV主变压器220kV侧电流互感器的短路电流远小于其母线短路电流，是最不应该担心电流互感器铁心饱和的情况。

考虑到断路器开断短路电流的能力和可靠性，尤其是主变压器各侧绕组承受短路电流的能力[8]，220kV母线短路电流预设在50kA应该是一个技术原则。通过分区供电很容易实现这一原则[9]。

2 影响电流互感器性能指标的因素

铁心采用高导磁率材料。

铁心的型式。

尽量缩短磁路的长度。

降低磁通密度，增加铁心的截面积。

增加二次绕组的匝数。如果变比不相应提高，需增加一次绕组的匝数。增加一次绕组的匝数是有限制的，油浸式电流互感器最多为两匝。

人为使二次绕组的匝数低于其额定匝数。只对计量二次绕组有效，对于提高抗饱和能力无效。

电流互感器二次负载。

3 变比对电流互感器铁心饱和特性的决定性影响

LB9-220型电流互感器的5%误差曲线见图1。横坐标对应着电流互感器二次负载，对于同样的二次负载，变比增大时电流饱和倍数显著提高。

横坐标的起始区域是实际二次负载远小于额定值的情况，电流饱和倍数急剧提高。电磁型电流互感器在现场转变成光信号即属于这种情况。当主变压器回路需要较小的计量变比时，可以合理利用误差曲线的这个特点来解决计量变比与保护变比的矛盾。

电流互感器变比增大时，二次绕组容量和电流饱和倍数都是增大的，具有叠加的效果。

1A的电流互感器如果变比选择过小，仍然存在铁心饱和的可能，其二次绕组带负载能力强的特点需要扣除本身二次绕组匝数多电阻大和保护装置输入阻抗大的双重影响。2500/1电流互感器二次绕组实测电阻见表1，25摄氏度电阻12.019欧姆，远大于表3中2500/5电流互感器的数据。

4 现有220kV电流互感器的性能指标

常山站2832电流互感器铭牌[10]见图2。二次绕组1为计量圈，变比由750/5提高到1250/5后，精度由0.5级提高到0.2级，额定二次输出由40VA提高到60VA。二次绕组2～6为保护圈，变比由1250/5提高到2500/5后，电流饱和倍数由5P20提高到5P30，额定二次输出容量仍为60VA，所允许的一次侧短路电流提高到3倍。由于二次绕组本身增加了电阻，当其他二次回路不变时，3倍的倍数会稍微打些折扣。

安托站213电流互感器铭牌[11]见图3。为了计量圈在较低变比时获得较高的精度，电流互感器的一次侧选用了两匝。这就与保护圈所需要的变比相矛盾。

[HTH]5 保护装置的分辨率及电流互感器铁心饱和后对保护原理的影响[HT]

5.1 保护装置的分辨率

当第一代微机式保护投入运行时，A/D转换器的精度（取决于位数）和速度都达不到要求，在积分运算时采用了电压频率转换计数器方式，但是其精度仍然优于继电式保护装置。由于微机式保护的各段定值只需要一次交流采样，电流互感器二次负载有所降低，电流互感器的饱和特性稍好一些。

A/D转换器的精度和速度大幅提高后，成套微机式保护装置中的各种保护只需要交流采样一次，电流互感器二次负载再次小幅下降。现有保护装置A/D转换器的位数普遍达到16位，比最初提高了至少4位，精度至少提高了16倍，允许将保护变比提高一倍，甚至更多。

现有保护装置在负荷电流很小的情况下就能够进行保护向量检查，这也表明现有保护装置的分辨率是相当高的。

5.2 电流互感器铁心饱和后对保护原理的影响

5.2.1 对母线差动保护原理的影响

220kV母线差动范围内发生短路时，电流互感器只在变比选择过小时可能发生铁心饱和。220kV母线差动范围外发生短路时，电流互感器中最容易饱和的是220kV主变压器的主进回路。

根据《BP2B型微机母线保护装置技术说明书》[4]的介绍，差动原件采用和电流制动差电流的复式比率差动判据，在通常的整定参数下，允许的电流互感器误差极限达到了80%，即100个单位的高压侧电流在二次侧反映出20个即可。并且，装置的自适应全波暂态监视器可以判断差电流波形是否畸变，具有极强的抗饱和能力。

500kV变电站的220kV线路发生近距离短路故障，重合于永久性故障时，需要考虑剩磁和暂态饱和的共同作用。此时流经500kV主变压器220kV侧电流互感器的短路电流仅是主变压器提供的短路电流，远小于流经故障线路电流互感器的短路电流（两台主变压器提供的短路电流+220kV系统提供的短路电流）。即使500kV主变压器提供的短路电流中非周期分量有一定比例和概率，其220kV侧电流互感器所面临的暂态饱和问题也比线路电流互感器在近距离出口短路故障时要轻微许多。500kV变电站的 220kV线路电流互感器是不要求TPY级铁心的，220kV母线差动保护使用P级电流互感器就可以了。

5.2.2 对主变差动保护原理的影响

如果220kV主变压器与电流互感器之间发生短路，电流互感器铁心即使发生严重饱和，依靠和电流制动差电流的复式判据保证保护动作的正确性，借助差电流中的谐波分量闭锁稳态比率差动保护[5]。为了避免稳态比率差动被闭锁后造成延迟动作，可以专门增设差动速断保护[5]。

我国东北电网早期500kV变电站的中、低压侧采用的都是P级电流互感器，当时没有220kV及以下电压等级的TPY级电流互感器。为了主变压器差动各侧电流互感器具有相似的饱和特性，出于500kV主变压器差动保护可靠性的考虑，后期的500kV主变压器差动保护使用的中、低压侧电流互感器采用了TPY级铁心。但是，带有气隙的铁心会影响传变特性，TPY级铁心互相矛盾的两个方面哪一个效果更强一些，不易判断。建议有关方面用大量的录波数据检验500kV主变压器差动保护的复式判据，给出可信的对比结果。

5.2.3 对距离保护原理的影响

只有当220kV线路发生出口短路，且变比选择过小时，电流互感器铁心才有可能饱和。无论采用绝对值比较原理还是相位比较原理[12]P7782，这种情况下距离保护一段定值都将启动，测距结果比实际地点要稍远，仍然属于正确动作。

5.2.4 对零序保护原理的影响

零序功率方向元件只在零序电流较小的条件下需要注意灵敏度系数[12]P4950。零序保护一段定值由于電网结构的原因早已经停用。零序保护二段定值启动情况与距离保护类似，仍然属于正确动作。

5.2.5 对线路差动保护原理的影响

线路区外发生短路故障，两侧的电流互感器铁心都不会饱和。只有当220kV线路出口发生近距离短路，且变比选择过小时，线路一侧的电流互感器铁心才有可能饱和。具体分析如下。

电流相位比较式纵联保护。电流互感器铁心饱和不至于造成电流相位翻转。

方向比较式纵联保护。功率方向元件在线路出口三相短路时采用电压记忆回路解决电压死区问题，在其他短路情况下没有动作死区并且动作灵敏性很高[12]P3536。

距离纵联保护。距离二段定值完全不受铁心饱和的影响照常启动，与通信设备配合完成保护功能。

纵联电流差动保护需要具体分析。普遍采用和电流制动差电流的复式判据应对电流互感器铁心饱和问题[6]。二分之三接线方式下，同一串的两个线路，其中的兆常一线发生近距离短路故障，许常二线的保护确实误动作过。当时保护变比采用1250/5，容量60VA，饱和特性5P20。接近50kA的短路电流流过兆常一线的两组电流互感器，电流互感器二次负载较大，录波数据中可以明显看到铁心饱和对电流波形的影响。许常二线的保护误动作是因为中间电流互感器和边电流互感器流过的电流很大导致铁心饱和后产生虚假差流，两组电流互感器的差值即许常二线的穿越短路电流却很小（这条线路较长且对侧母线短路容量不算大），线路差动保护中的和电流制动差电流判据制动效果不佳。改变电流互感器二次抽头增大变比后，该站未再发生线路保护误动事件。

5.2.6 电流互感器剩磁的影响

《电力工程电气设计手册（电气一次部分）》[13]P868上说，国外的统计表明，大的开断电流反而截流值较低。此时电流互感器二次侧电流也很小。

产生剩磁的机理在于磁滞曲线[14]。电流互感器铁心饱和程度越高，电流过零点时刻磁滞曲线距离原点越远，剩磁越大。通过提高电流互感器保护变比就极大地降低了铁心饱和的程度。

文献[15]对电流互感器铁心剩磁做了模拟试验。试验条件为高压侧绕组和其他二次绕组开路，用1A的直流电流向试验二次绕组通流30秒，静置一小时后进行试验。试验结果为，铁心剩磁使测量二次绕组产生0.1%至0.2%的误差；对于保护二次绕组，如剩磁与短路电流中的非周期分量方向相反则有利于饱和特性，如剩磁与短路电流中的非周期分量方向一致则加重饱和问题。

按照规定在电流互感器投运前都要进行铁心去磁。忘记去磁的情况是不可能完全避免的，多年来没有因为忘记电流互感器去磁造成保护误动的通报。每次短路电流被开断的时候，剩磁有可能相互叠加也有可能相互抵消，多年来也没有剩磁造成保护拒动的通报。这些电网实践表明，铁心剩磁在量级上远远小于短路电流所感应的磁通，不会影响保护装置的动作情况。因此，电流互感器技术规范[16]没有对P级保护用电流互感器提出剩磁方面的要求，也就没有必要采取那些无谓的剩磁消除措施了。

6 电流互感器二次负载实测数据

许营站220kV旁路202旧电流互感器二次负载实测值见表2。

451编号的AN相，盘上0.381欧姆，盘下2.149欧姆，总阻抗2.53欧姆（在后面串入了录波器等装置）。441编号的AN相，盘上0.091欧姆，盘下2.245欧姆，总阻抗2.336欧姆。即使保护二次圈的容量为60VA（对应的二次额定阻抗为2.4欧姆），电流互感器实际的二次负载也超过了额定负载。202间隔是距离主控室最近的一个220kV间隔。其他间隔的电流互感器二次负载会更大，甚至大很多。

许营站202新更换电流互感器变比增大到2500/5，容量为50VA（对应的二次额定阻抗为2欧姆），保护二次圈本身的电阻也相应增大，实测为1.728欧姆，见表3。

电流回路二次输入为5A的保护装置输入功耗通常是1VA，装置内部的等效阻抗为0.04欧姆。1A的保护装置输入功耗通常是0.5VA，装置内部的等效阻抗为0.5欧姆。

许营站在安装继电式保护装置的时候，电流互感器二次实际负载比表2的数据还要大一些，超过了其额定二次负载。在换装微机式保护装置后，表2的数据依然超过了其额定二次负载。新电流互感器提高保护变比后，实际二次负载超过额定值更多。这种状况在传统的半高型布置的变电站是常态。新的电流互感器几乎都采用了额定容量50VA，不是60VA，在大量的电网实践中没有带来丝毫的恶劣后果。这说明电流互感器铁芯饱和的主要因素是变比，二次负载只是次要因素。这与对图1的分析结果是一致的。

7 应对电流互感器铁心临界饱和状态的技术措施

某些文献中提到的电流互感器铁心极端饱和状态在实际工程中是不会发生的。

7.1 电流互感器能够采取的技术措施

电流互感器变比应足够大。提高变比不应有任何疑虑。

7.2 二次回路能够采取的技术措施

当电流互感器二次负载过大时，实质是容量不足问题。《电力工程电气设计手册（电气一次部分）》[13]P248上说，可将两个二次绕组串联使用。

电流互感器的二次负载包括其二次绕组的电阻、设备区到保护室的二次电缆的双向总电阻、保护装置的内电阻、多个保护共用一个二次圈增加的二次电缆电阻。其中从设备区到保护室的二次电缆电阻占了相当份额，这一部分的二次电缆可以并联使用。这是在运电流互感器变比调至最大后解决铁心饱和问题的便捷措施。

7.3 保护装置能够采取的技术措施

母线差动保护受电流互感器铁心饱和的影响很严重，采用复式比率差动判据即可[4]。

主变压器保护受电流互感器铁心饱和的影响较小，增设差动速断保护即可[5]。

线路保护装置受电流互感器铁心饱和的影响较小。为了提高线路差动保护灵敏性其定值較小，依靠复式比率差动判据即可避免误动[6]。对于二分之三接线要特别注意，电流互感器变比不能错得太离谱。

7.4 有关规程的规定

《电流互感器和电压互感器选择及计算导则》[17]6.1.2.2规定，解决电流互感器饱和对保护动作性能的影响，可采用下述两类措施：

a）选择适当类型和参数的互感器，保证互感器饱和特性不致影响保护动作性能，对电流互感器的基本要求是保证在稳态短路电流下的误差不超过规定值。对短路电流非周期分量和互感器剩磁等引起的暂态饱和影响，则应根据具体情况和运行经验，妥当处理。

b）保护装置采取减轻饱和影响的措施，保证互感器在特定饱和条件下不致影响保护性能。保护装置采取措施减轻电流互感器饱和影响，特别是暂态饱和影响，对降低电流互感器造价及提高保护动作的安全性和可信赖性具有重要意义，应成为保护装置的发展方向。特别是微机保护具有较大的潜力可资利用。当前母线差动保护装置一般都采取了抗饱和措施，取得了良好效果，对其他保护装置也宜提出适当的抗饱和要求。

《电流互感器和电压互感器选择及计算导则》[17]6.2.2.3规定，220kV系统保护、高压侧为220kV的变压器差动保护，暂态饱和问题及其影响后果相对较轻，可按稳态短路条件进行计算选择，并为减轻可能发生的暂态饱和影响而给定适当的暂态系数，宜选用P类、PR类或PX类电流互感器。PR类能限制剩磁影响，有条件时可推广使用。

规程中的这些规定是电网实践的成果。这些电网实践表明，现有的电流互感器性能指标和微机式保护工作原理的配合关系已经能够可靠地切除各类短路故障。

8 220kV电流互感器参数选择建议

尽可能地将电流互感器的保护变比使用到最大。

已经安装到位的电流互感器在采用最大保护变比后，如果仍然处于严重的饱和状态，可以减少二次负载以缓解铁心饱和问题。具体方法是从设备现场到保护室并联使用二次电缆，就如同解决电压互感器二次压降问题一样。多并联几根二次电缆可以彻底解决铁心饱和问题。

220kV线路和母联（分段）间隔的电流互感器变比达到1600/5（或者1600/1），5P30即可，已经能够满足50kA的母线短路电流需要，不会造成保护差动功能误动作。

220kV主变压器高压侧的电流互感器。如果220kV母线短路电流接近50kA，也不必急于更换变比较小的电流互感器。二次回路从现场到保护室并联二次电缆后，保护变比可以小一些，以照顾计量变比的需求。

对于极少数需要更换的220kV电流互感器，采取增大变比的方法，不必采用5P40。

9 220kV电流互感器选购建议

因为220kV短路电流较大的原因，电流互感器已经很少使用高压侧串联接线方式。并联接线方式对设备安装有额外的要求，有时被施工人员遗忘后带来局部放电的隐患。并联接线方式下等电位机构锈断后也会造成异常放电现象。因此，应尽量选购高压侧只有一匝的电流互感器，30年前用于继电式保护的进口电流互感器已是如此。

以SF6绝缘代替油绝缘的独立式电流互感器价格高出30～40%，且需要监视SF6压力，增加了二次设备的负担。因此，不建议选购SF6绝缘独立式电流互感器。

从设计部门获悉，国家电网公司已经不再对5A的电流互感器有所限制。220kV电流互感器购置指导价已经不分5A的还是1A的。对于扩建工程和旧设备更换，不同制式的电流互感器接入母差保护不会有任何障碍，保护说明书[4][1820]中对此有明确的说明。文献[21]应该是遗漏了这方面的内容。

新建工程220kV电流互感器保护变比统一选用2500/5或者2500/1，5P30，有利于二次装置的统一化和定值计算。计量变比根据实际情况确定。

10结语

磁光型电子式电流互感器已经被电网实践证明缺乏稳定性，目前基本上已经被淘汰，近些年以来，已经很难找到这方面的文献。罗氏线圈型电子式电流互感器很少进入电网运行，存在的主要问题是测量精度不够，尤其是受环境温度影响的难题不易克服[22] ，一些新的应对措施还在探索中[23]。

智能变电站目前广泛采用电磁型电流互感器在现场转换成光信号再传输到保护室的方式。在室外环境中工作的合并单元需要温度控制设备，提高了设备复杂程度。光电转换器件是半导体器件中相对脆弱的一类。合并单元成了故障率最高的部分，严重影响了智能变电站保护测控系统运行可靠性[24]。智能变电站已经令一线工作部门叫苦不迭，所节省的二次电缆远远抵不上其维护工作中所付出的不必要代价。

在微机式保护如此普及的今天，还有文章撇开和电流制动差电流判据讨论电流互感器铁心饱和的危害[25]。我们应该正本清源，纠正这类简单的错误，也应该下更大的力气纠正那些在原有技术条件下曾经正确的观念。

由于微机式保护的精度和启动判据所带来的附加效果，使得我們可以采取提高变比的简便方法解决电流互感器铁心饱和问题。对于在运设备则可以采用并联二次电缆的方法来消除那些本来不存在的担忧。这就彻底避免了从二次侧补偿铁心饱和的那些复杂方法[26]。在新的技术背景下，传统的电磁型电流互感器焕发了新的青春，它本身应该有全新的使用方式和全新的外观形态。

站在现有技术条件的角度，220kV及以上电压等级毫无疑问地会广泛使用组合电器[27]。在组合电器中，电流互感器只是一个浇筑线圈而已，便于批量生产、工厂化组装，成本与电子式电流互感器没有多少差别。

参照日本同行的经验，其275kV在使用组合电器后就摒弃了双母线接线方式，大大简化了二次设备。在我国大多数地区现有变电站布点密度的情况下，220kV采用单母线分段接线方式，原有的双母线接线方式不论是否采用组合电器都可以拆成单母线分段接线方式，就彻底避免了全站停电的情况，供电可靠性和灵活性只会提高不会降低。

在这样的背景下，所有电压等级的电流互感器最多只需要两个保护二次绕组和一个计量二次绕组，都串带多个二次装置。保护装置稍作改进就可以防止同一串上其他地点的工作造成二次回路被异常短接和开路，可以发出报警信号。

保护室下放。每个间隔单元的各类二次装置由现行的并排布置改为纵列布置，严格与一次设备的布置顺序保持一致。故障录波器功能下放到保护装置上。只有母线差动保护需要各支路的二次电缆归拢。这些简单措施将使二次电缆的数量大大减少，二次电缆条理清晰且减少了交叉，从而彻底改变了变电站二次设备的面貌。每当我们改变工作面貌的时候，才证明我们对设备的认知和对技术条件的利用达到了新高度。

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作者简介：底贺军（1968），男，大学，工程师，长期从事变电设备管理工作。