零序电流互感器的串联和并联问题探讨

零序电流互感器的串联和并联问题探讨

白伟

（神华陕西国华锦界能源有限责任公司719379）

摘要：本文首先介绍了零序电流互感器的工作原理，并分析了配置多个零序CT的原因及安装注意事项。推导出了在不同阻抗情况下，二次绕组电流、容量关系公式。然后通过现场试验及测试数据表明了计算公式的准确性存在一定的误差，需要再次进行详细研究，最后总结出了多个零序电流互感器串、并联时的相关规律。对同类型零序电路互感器的使用问题提供了一定的借鉴意义。

关键词：零序电流互感器；串联；并联

随着国内工业经济水平的高速发展，人们对工业安全性的重视程度也与日俱增，对各种工业安全保护产品的需求量越来越大，随之而来的是安全保护产品的种类也越来越多，同时对安全保护产品的性能质量的要求也越来越高。为了满足这些越来越多、越来越高的需求，全国众多生产安全保护产品的企业也推出了多种多样的新型可靠的产品，在推广应用成功后，便开始大规模生产和销售。

另一方面，工业经济水平的快速发展，也催生了众多大型煤炭、钢铁、电力等大用电量企业的建立，而这些大型企业的建立使当地区域的电力需求量大幅上升，这也使这些大型企业内总变电站到各分站的电缆数量，以及大型设备的数量大幅增多。如此众多的电缆和设备，一旦发生单相接地事故，将会发生不可估量的损失。因此随着人们安全意识的大幅增加，也使得对这些电缆和大型设备的安全性越来越重视。零序电流互感器便是为顺应电力电缆安全保护而快速推广的新型产品。

1零序电流互感器及其工作原理

1.1零序电流互感器介绍

零序电流互感器是一种单匝穿心式电流互感器，也是专用于电力电缆上的一种电流互感器，又称零序CT。在大型电力系统中，例如大中型煤矿、钢铁、电力企业的电力系统中应用特别广泛，特别是发电厂用电系统中会大量用到。零序CT主要由环形铁芯，二次绕组、外壳等部分组成。零序CT可根据外形结构的不同分为整体式和组合式两种，同时，在市场上针对不同电缆的零序CT规格品种多，能够满足各种电缆保护装置的需求，以及电力系统各种运行方式的需求，这些运行方式包括中性点接地、中性点不接地、大电流接地、小电流接地、消弧线圈接地等。

1.2零序电流互感器的工作原理

零序电流互感器在使用中主要由一次绕组、二次绕组、环形铁芯、接线电缆和外壳等构成。其一次绕组是穿过互感器环形内孔的一次三相或单相导体电缆，在三相电缆的应用中，零序CT的一次电流是一次三相电流的矢量和，该矢量和在三相电流平衡时为0。当三相电力系统中发生单相接地时或三相不平衡时，零序CT的一次电流矢量和不为0，则零序电流互感器的二次绕组就会有电流输出，这一电流可以供给保护装置，通过保护装置的操作实现对电力电缆和大型设备的保护和监控。

零序电流互感器进行保护工作的基本原理是基于基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零。即在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零，因此，零序电流互感器的二次侧绕组无电流信号输出，保护装置的执行元件不动作。当发生单相接地故障时，一次绕组的各相电流的矢量和不为零，故障电流的产生使零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，磁通引起零序电流互感器的二次绕组产生感应电流，感应电流触发保护装置执行元件动作，从而带动脱扣装置，切换供电网络，达到接地故障保护的目的。

简而言之，零序电流互感器的用途：当电路中发生触电或漏电故障时，产生保护动作，切断电源。其使用场合：可在三相线路上各装一个零序电流互感器，或让三相导线一起穿过一零序电流互感器，也可在中性线N上安装一个零序电流互感器，利用它来检测三相的电流矢量和。由于电缆自身绝缘，零序电流互感器外壳也是绝缘的，所以零序电流互感器可以使用在任一电压等级的电缆上。

1.3零序电流互感器存在的问题

零序保护是电气继电保护的一项重要内容，广泛应用在大型煤炭、钢铁、电力等大用电量企业中。为了实现大功率电力电缆的单相接地保护，普遍采用零序电流互感器采样零序电流供给继电保护设备来实现保护。在这些大型企业的用电系统调试过程中，存在同一负荷、同一开关间隔配有两个或多个型号、变比完全一致的零序电流互感器的情况。以及出现由于电缆大幅增多和零序电流互感器实际尺寸的限制，使得同一开关柜出线使用的零序电流互感器数量越来越多。发生这种情况时，就出现了多个零序电流互感器如何连接的问题，即这几个零序电流互感器该如何连接，是进行串联还是进行并联，才能够更加准确的反应出一次绕组（即三相电缆）上的电流变化，这一问题在零序电流互感器的应用上一直存在争议，这就成为一个值得进行深入探讨的一个课题。

2配置多个零序电流互感器的原因分析

2.1原因分析

在常规电力供电系统中，通常是一个负荷、一个开关间隔只配置一个零序电流互感器。那么，为什么有些地方还要配置两个甚至多个零序CT，通过对以往电缆供电系统的调查分析，发现在电力供电系统中，需要配置多个零序CT的原因主要有以下几种：

（1）在电力供电系统中，当同一回路中出现两根及两根以上电缆并联时，为分别准确监视保护每根电缆的工作状态，需要在每根电缆上各安装一个零序CT，这就出现了多个零序CT同时配置的情况；

（2）由于零序CT的环形铁芯直径有限，当并联电缆数量过多，电缆的总截面积超过零序CT的环形铁芯内部直径截面积时，全部电缆无法同时穿过一个零序CT，这就需要配置多个零序CT，将电缆分成若干份，然后分别串入不同的零序CT，以满足使用要求。

（3）在电气设计阶段，部分设计人员想通过串联或并联多个零序CT以提高容量或增大变比，这种方法是否可行，还需要进行分析研究。

2.1一次电缆的穿装方法

在电力供电系统的安装施工中，当某一设备的负荷过大时，需要设计多根电缆为其供电，同时在设计保护装置时也要配置多个零序CT。在具体施工，向零序CT环形铁芯中穿一次电缆时，应遵循以下几个原则：

（1）应尽量保证穿过每个零序CT的一次电缆数量一致。若实在做不到一致时，应尽量缩小电缆数量的差距。例如在分配7根电缆穿给2个零序CT时，应按4＋3的方式分开穿，不应该按5＋2或6＋1的方式穿。否则会影响零序CT的使用准确性，甚至造成误判断，最终酿成事故。

（2）应注意保持零序CT的安装方向一致。安装施工中，在进行一次电缆穿入零序CT的工序时，必须保证所有零序CT的方向应保持一致，即均为P1侧进P2侧出，或者均为P2侧进P1侧出。否则会出现二次绕组电流方向相反，而影响监控效果。

（3）应保证一次电缆铠甲接地（俗称“铜辫子”接地）的接法不能有误。电缆铠甲接地时，要么确保铠甲和接地线全部不穿过零序CT，要么确保铠甲和接地线全部都穿过零序CT。只有这样才能使电缆铠甲接地电流避免或抵消对零序CT的影响，从而达到确保零序CT测量数据的准确性，达到保护装置应有的保护作用。

3零序CT的串联和并联问题

所谓零序CT的串、并联，实际上是指零序CT二次侧的接线方式，即CT二次侧接线的串、并联。目前，对于串、并联问题有两种不同的观点：一种认为串联时，零序CT二次线圈的阻抗过大，会影响电流通过，造成误差增大；另一种认为并联存在分流的可能，从而导致测量精度的下降。两种说法似乎都有道理。针对这两种观点分歧，笔者在现场实地进行了电气试验，通过试验数据可说明一些问题。

3.1串联、并联电流及容量计算

国家标准DL/T5153-2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》中，对零序CT的串联和并联接法进行了相关描述，在此，根据该标准的描述，对其串联和并联状态下电流计算公式进行简单推导。以两个零序CT为例，进行并串联和并联的接线，具体接线图见图3所示。

从表1中的测试数据可以看出，在R=0Ω（即无阻抗）时，并联接线状态的整体变比基本仍然维持在100/1，没有太大影响。同时当阻抗逐渐增加时，测试结果表明其测试变比逐渐增加。

（4）两个零序CT一次双通电流并联加阻抗测试

当R=0Ω（即无电阻）时，在其中一个零序CT通入48A电流，另一个通入14A电流，二次正极性接线显示0.653A电流，负极性接线时二次保护显示0.360A电流；

当R=3Ω时，在其中一个零序CT通入48A电流，另一个通入14A电流，正极性接线二次保护显示0.614A电流，负极性接线时二次保护显示0.337A电流；

当R=6Ω时，在其中一个零序CT通入48A电流，另一个通入14A电流，正极性接线二次保护显示0.597A电流，负极性接线时二次保护显示0.314A电流；

当R=9Ω时，在其中一个零序CT通入48A电流，另一个通入14A电流，正极性接线二次保护显示0.539A电流，负极性接线时二次保护显示0.291A电流。

从这种状态的测试数据可以看出，总电流是CT1和CT2二次感应电流之和。当内阻抗增加时，测试数据与二次感应电流之和的偏离也随之增加，当阻抗超过9Ω时，偏离达到13%。

3.3试验结论

通过现场试验及试验数据分析，可以得到如下结论：

（1）两个相同零序CT串联状态下，其整体变比有了大幅度提高，接近单个零序CT变比的2倍，这是由两个零序CT阻抗之和造成的。但现场测试数据表明，测试出的变比仍然变比的2倍具有13.12%~17.65%的超出额，由此可以证明二次电流并不是完全等于零序CT变比的2倍，若需采取串联接线方式，则调整定值时还需慎重，一定以现场实际试验数据为依据进行适度调整。

（1）两个相同零序CT串联状态下，一次绕组全部通入电流后，二次绕组的正极性端电流接近两个零序CT二次感应电流之和的0.5倍，。

（3）两个相同零序CT并联状态下，在不增加阻抗时，其整体变比基本仍然维持不变。然而当二次绕组阻抗逐渐增加时，测试变比也逐渐增加。但对比串联状态（1）中的测试结果，可知并联时的二次绕组测试电流趋向于串联的2倍。但随着零序CT内阻抗的增加，这一关系存在一定的偏离，这就说明公式（5）、（6）的正确性仍然需要进行分析研究。同时，由于阻抗并没有降低，因此无法验证公式（3）（4）的正确性。

（4）两个相同零序CT串联和并联的测试数据表明，在工程应用中建议现场以并联接线比较稳妥，串联后考虑定值的重新调整，且实际情况中二次电流并不是完全等于并联的一半，定值并不是取原定值的一半那么简单。

4结语

本文首先介绍了零序电流互感器的工作原理，并分析了配置多个零序CT的原因及安装注意事项。通过公式推导，推导出了在不同阻抗情况下，二次绕组电流、容量关系公式。然后进行了现场试验，通过现场试验，测试了多个零序电流互感器的串、并联问题，测试出了在不同阻抗下二次绕组的电流输出值，从而表明了计算公式的准确性存在一定的误差，需要再次进行详细研究，最后总结出了多个零序电流互感器串、并联时的相关规律。

参考文献：

[1]DL/T5153-2002火力发电厂厂用电设计技术规定［S］.北京：中国电力出版，2002.

[2]卞永胜.关于零序电流互感器的串并联问题[J]《科技情报开发与经济》，2011，21（21）：182-184