零序电流互感器

零序电流互感器
1 用途及性能要求
零序电流互感器是一种专门用来变换零序电流的电流互感器。

它分为：三相输电线穿过二次绕组的单台零序电流互感器；三台单相保护用电流互感器组成的零序电流互感器组，又称零序电流滤过器。

1.1 单台零序电流互感器
（a）接在三相输电线上
这种零序电流互感器仅用于中性点绝缘系统中的单相接地时需断路器跳闸的保护，多用于低电压系统又分为电缆式和母线式。

中压系统中用的单台零序电流互感器，例如20kV发电机母线上的零序电流互感器，三相母线的绝缘较难解决。

如图1所示，三相输电线同时穿过互感器绕组的窗口，三相输电线即是零序电流互感器的一次绕组。

正常运行时，系统三相电流的相量和等于零，零序电流
图1 零序电流互感器用于线路单相接地保护
互感器的二次绕组没有电流输出。

当某一线路发生单相接地故障时，例如图1中第Ⅲ条线路的A相接地，各条线路的A相对地的电容均波短接，B、C两相的电容电流都经接地点流回电源，如图中箭头所示。

线路Ⅲ上的零序电流互感器的一次电流最大，达到零序保护继电器的最小动作电流值，保护装置动作。

线路Ⅰ和Ⅱ
上的零序电流互感器虽然也有一次电流，但是都小于继电器的最小动作电流，保护装置不会动作。

中性点绝缘系统中发生单相接地故障时，非故障相电压升高√3倍。

图1中B、C相电压均升高√3倍，它们间的相位角由无故障时的120°变成60°，B、C相对地电容电流之和将升到无故障时每相对地电容电流I C的3倍。

在图1中，线路Ⅰ和Ⅱ上的零序电流互感器一次电流是本线路的3I C，而线路Ⅲ上的零序电流互感器一次电流则是所有非故障线路3 I C之和。

故继电器的最小动作电流要大于本线路的3I C，以保证其他线路接地短路时本线路的继电保护装置不动作。

这种零序电流互感器用于变压器绕组接地保护（也可用于发电机或电动机绕组接地保护）时的结线见图2所示。

当变压器绕组发生一点接地时，只要故障电流（零序电流）达到继电器的最小动作电流，继电保护装置即可动作。

由图2可看出，变压器绕组的接地点距中性点O越近，短路点对地电压越低，零序电流越小，小到一定的值，互感器输出电流不足以使继电保护装置动作，因此出现保护“死区”。

图2 零序电流互感器用于变压器绕组接地保护
因为系统发生单相接地时短路电流小，而且零序电流互感器一次绕组只有一匝，因此零序电流很小，所以尽可能使互感器在这种工作状态下有足够的二次电流输出，保证继电保护装置正确动作。

通常用保护灵敏度衡量零序电流互感器的性能。

保护灵敏度是指零序电流互感器的二次电流达到继电器整定电流时的一次
电流，此电流值称一次最小动作电流。

保护灵敏度高就意味着一次动作电流小。

零序电流互感器一次最小动作电流与使用情况和继电器有关，例如用于线路保护时，当电缆根数为1-2根时，选用DL11型继电器；当电缆根数在3根以上时，应选用DD11型继电器。

零序电流互感器技术参数见下表。

这种零序电流互感器的结构相当于母线型电流互感器，其一次绕组就是输电线路的三相导线（母线或电缆）。

母线型零序电流互感器主要用于发电机定子绕组接地保护，由于三相母线不能做到对称布置，会产生不平衡电压，很难实现高灵敏度，已被其他更灵敏的零序保护所代替。

采用电缆型零序电流互感器，电缆头需要接地。

如果将电缆头直接接地，当被保护线路发生单相接地故障时，零序电流中有一部分可能要经电缆外壳流回电缆头入地，降低了保护灵敏度。

所以电缆头接地线应穿过零序电流互感器再接地。

单台零序电流互感器能够实现有选择性的接地故障检测，这是其优点。

但是它只能用在出线较多系统中，如图1所示。

1.2 三台单相互感器组成的零序电流互感器组（零序电流滤过器）
图3所示的零序电流互感器，多用于中性点接地的高电压系统中作输电线路的单相接地保护。

也可以用于中性点绝缘的中压系统中作输电线路的单相接地保护。

按图示接线，系统在正常运行时，三相并联联结的二次绕组输出电流为零（有不平衡电流）；系统发生单相接地短路时，二次绕组有零序电流输出。

图3 零序电流互感器组用于线路单相接地保护
1.2.1 在中性点接地系统中常作零序电流速断保护或零序电流方向保护，由于零序电流大，其优点为：
a) 保护灵敏度高
b) 动作时限短
c) 速断保护区长
d) 对系统振荡不敏感
1.2.2 在中性点绝缘系统中作零序保护
由于这种保护（零序电流滤过器）中的三个单相电流互感器性能差别形成的不平衡电流，会影响保护定值的整定，从而影响实际灵敏度。

所以在实际继电保护装置中多采用1.1条的单台零序电流互感器，以获得零序电流。

1.3 接在变压器中性点的接地线上
如图4所示。

零序电流互感器接在三相电力变压器中性点的接地线上，多用在中性点接地系统中作零序电流测量和接地保护。

在系统正常运行时，零序电流互感器二次绕组没有电流输出，当系统发生单相接地短路时，接地线流过零序电流，二次绕组有电流输出，当二次电流达到整定电流时，继电器动作。

S2
S1
图4零序电流互感器用于变压器中性点接地线的电流测量和接地保护
2 以下仅对单台零序电流互感器进行分析。

2.1 工作原理
零序电流互感器和普通电流互感器一样，其原理接线如图5。

零序电流互感器的一次绕组P1-P2实际是三相输电导线。

图5 零序电流互感器原理接线图
磁动平衡方程式：
当一次绕组流过电流1I 时，一次绕组的磁动势11N I 产生磁通0Φ，在二次绕组
中感应电动势2E ,在二次绕组接有负荷的情况下，就有二次电流2
I 流通，建立磁动势22N I 。

铁心中产生磁通0Φ也需要励磁磁动势10N I ，0I 称励磁电流。

因此可得出磁动势平衡方程式： 102211N I N I N I =+
将各量均折算到一次侧，上式可表示为：
021I I I ='+ 1
22
2N N I I =' 由于零序电流1I 很小，而且一次绕组只有一匝，即11=N ，10N I 占的比例很大。

实际上零序电流互感器是一个安匝数非常低的普通电流互感器。

减小0I ，增大2I ，是减小零序电流互感器误差的方法。

采用高导磁材料的铁心、增加铁心截面、减小铁心磁路长可使0I 减小，但是，这些措施有一定的限度，0I 不可能很小。

因此不能象普通电流互感器那样用电流比等于匝数反比的关系求出二次绕组匝数。

2.2 设计和计算
a) 图6为零序电流互感器的相量图。

图中各量均以磁动势表示。

根据图中各磁动
I I m
图6 零序电流互感器相量图
势的相位关系，用余弦定理得出：
()()()()⎪⎭
⎫
⎝⎛++-+=01022210222112
cos 2θβπ
N I N I N I N I N I
因为11=N ，所以一次最小动作电流为： ()()()()()010*********sin 2θβ+++=N I N I N I N I I
由于一次安匝数111I N I =很小，励磁磁势10N I 所占的比例很大，其一、二次电流和匝数不成比例关系，即二次绕组匝数不能按变比确定。

通常，假定当输出功
率n Z I 22为最大时，励磁阻抗Z 0≈Z n ，20I I '≈，那么： 22012I I I I '='+= ，2
2112N I N I = 2
1211222I I
I N I N ==
b) 根据已知零序电流互感器的一次电流I 0（一次最小动作电流）、二次电流I 2(整定电流)和额定负荷Z n ，按普通电流互感器计算方法，初步选取铁心尺寸、二次导线和二次匝数2
1
22I I N =
，计算二次感应电势E 2，计算磁通密度，最后计算额定电流下的误差。

经误差补偿后若仍不能满足要求，应调整铁心尺寸重新计算，直到误差合格。

计算二次感应电势时，需要2
1
22I I N =
计算二次绕组阻抗。

计算铁心磁通密度时，需要二次绕组匝数2
1
22I I N n =计算。

计算出的误差应不大于3%～10%。

出厂试验多采用下述方法：在零序电流互感器中心穿入一根导线，通入一次最小动作电流1I ，将对应的继电器接在互感器输出端子上，调整互感器匝数直到继电器动作为止。