升級保護方案時的常見錯誤

簡介

中壓變電站的保護方案升級是電力系統工程中技術要求最高的調試活動之一，也是最常被錯誤執行的調試活動之一。更換繼電器、重新計算設定值、通過調試測試、變電站恢復運行。三個月後，故障發生，保護無法正常運作。調查發現，繼電器的規格和設定完全正確，但饋電的電流互感器卻從未重新評估是否與新的保護方案相容，而導致保護故障的測量誤差從升級方案運行的第一天起就存在。.

直接的答案是：保護方案升級中最常見、影響最大的錯誤並非繼電器設定錯誤 - 而是 CT 量測錯誤，原因是工程師將現有的 CT 安裝視為新保護方案的固定、經驗證的輸入，而非必須根據新繼電器的量測要求、負荷特性和瞬態性能需求來重新評估、重新測試和重新確認的元件，因為新繼電器的量測要求、負荷特性和瞬態性能需求幾乎總是與被替換的繼電器不同。.

本指南針對變電站保護工程師、中壓升級項目經理，以及負責保護方案升級的安全關鍵調試團隊，指出在保護方案升級過程中發生的每一個重大 CT 測量錯誤，並提供工程方法以防止每個錯誤發生。.

目錄

• 當保護方案升級時，現有 CT 為何變得不相容？
• 在保護方案升級過程中，最危險的 CT 測量錯誤是什麼？
• 如何正確重新評估中電壓保護方案升級的 CT 規格？
• 如何在帶電保護方案升級專案中執行安全的 CT 量測驗證？
• 有關保護方案升級中 CT 量測錯誤的常見問題解答

當保護方案升級時，現有 CT 為何變得不相容？

假設現有 CT 仍與新的繼電器完全相容，是大多數保護方案升級專案的基本錯誤。這似乎是合理的 - CT 的變比沒有改變，一次電流也沒有改變，而且 CT 已通過上次的維護測試。發生變化的是繼電器 - 而繼電器定義了 CT 必須工作的測量環境。.

每個保護繼電器都會對 CT 二次電路造成特定的負擔。每個保護繼電器都有特定的暫態性能要求，這些要求決定了故障條件下正確操作所需的 CT 精度限制係數 (ALF)。每個保護繼電器都有特定的測量演算法 - 有效值、基頻相位或峰值檢測 - 與 CT 二次波形失真產生不同的互動。當繼電器變更時，這三個參數會同時改變 - 而現有的 CT 可能無法滿足其中任何一個參數。.

更換保護繼電器時會改變的主要技術參數：

• 次要負擔 (VA)¹: 現代數位保 護繼電器在 1 A 二次電壓下的負載為 0.025-0.1 VA - 比其取代的機電繼電器的 1-5 VA 負載低 10 到 40 倍；這種負載的急劇減少改變了 CT 在其激磁曲線上的工作點，並可能導致 CT 在故障條件下的意外行為。
• 精確度限制係數 (ALF)² 要求： 新繼電器的暫態性能規格定義了在最大故障電流期間正確工作所需的最小 CT ALF；如果現有 CT 在新繼電器負載下的 ALF 低於要求，則 CT 將在繼電器做出正確保護判斷之前達到飽和。
• 新負擔的有效 ALF： ALF_effective = ALF_rated × (Rct + Rburden_rated)/(Rct + Rburden_actual)；將繼電器負載從 5 VA 減至 0.1 VA 會顯著增加有效 ALF - 聽起來很有好處，但會導致 CT 在其激勵特性的意外區域工作
• 測量演算法相容性： 機電式繼電器回應二次電流波形的有效值，包括所有諧波和直流偏移；數字式繼電器使用傅立葉濾波提取基頻相位 - CT 在故障條件下的二次波形必須與繼電器的特定濾波演算法相容
• 適用標準： IEC 61869-2³ (CT 精度和 ALF）、IEC 60255-151（過電流保護繼電器要求）、, 變壓器差動保護⁴ 要求 (IEC 60255-187-1)

有效的 ALF 計算揭示了以低負載數值繼電器取代高負載機電繼電器的一個關鍵且反直覺的結果：

$ALF_{effective} = ALF_{rated}。\times \frac{R_{CT}+ R_{burden,rated}}{R_{CT}+ R_{burden,actual}}$

對於額定值 5P20 的 CT，Rct = 2 Ω 且額定負載 = 15 VA（1 A 時為 15 Ω）：

• 使用原始機電繼電器，電壓為 5 VA (5 Ω)：ALF_effective = 20 × (2+15)/(2+5) = 48.6
• 使用 0.1 VA (0.1 Ω) 的新數值繼電器：ALF_effective = 20 × (2+15)/(2+0.1) = 161.9

使用舊繼電器時工作在 ALF 48.6 的 CT，現在使用新繼電器時工作在 ALF 161.9 - 遠高於故障條件下其激勵曲線的膝點，在此區域中 CT 的暫態行為不可預測，而且二次波形可能包含數位繼電器的傅立葉篩檢器無法正確處理的顯著失真。.

在保護方案升級過程中，最危險的 CT 測量錯誤是什麼？

保護方案升級 CT 量測錯誤可分為兩類：在設計階段所犯的規格錯誤，會在安裝開始前造成不相容；以及在升級執行過程中所犯的調試錯誤，會將錯誤帶入原本正確規格的系統。.

規格錯誤 1：未重新評估新負擔的 ALF 即接受現有 CT

最常見也是最危險的規格錯誤。保護工程師指定新的繼電器，計算新的繼電器設定，並注意到現有的 CT 變比沒有改變 - 然後接納現有的 CT，而不重新計算其在新繼電器負載下的有效 ALF。.

其結果是：CT 在使用新繼電器時的激磁特性點與使用舊繼電器時的激磁特性點完全不同。在上述低負載數值繼電器的情況下，CT 在故障條件下可能會在其膝點之上運行，以致於二次電流波形嚴重失真 - 包含大量直流偏移分量和諧波內容，使得數值繼電器的傅立葉濾波器無法正確提取基波相位。繼電器不是無法動作、動作時間不正確，就是動作於扭曲的波形分量，而非基頻故障電流。.

規格錯誤 2：保護功能之間的 CT 線芯不匹配

中壓 CT 通常包含多個磁芯 - 用於保護和測量功能的獨立磁芯，有時也用於不同保護功能的獨立磁芯。在保護方案升級期間，通常會重新分配 CT 核心 - 例如，使用先前專用於過電流保護的核心來執行新的差動保護功能。.

磁芯重新分配錯誤：差動保護需要在受保護設備的兩側使用具有相同比率誤差和相位差的匹配 CT 磁芯。在差動方案的一側使用先前針對過電流保護而最佳化的磁芯 (具有較高的 ALF 和不同的激磁特性)，而在另一側使用標準測量磁芯，會在正常負載條件下產生永久性的差動電流，繼電器必須加以抑制或誤解為內部故障。.

規格錯誤 3：在升級過程中忽略 CT Remanence 歷史

在變電站中使用多年且曾發生故障事件的 CT，其磁芯中已累積了剩磁通量。剩餘磁通會移動 CT 在其 B-H 曲線上的工作點 - 增加磁化電流、增加比率誤差，並將有效 ALF 降至銘牌值以下。.

在保護方案升級期間，從未對現有 CT 的剩餘磁通狀況進行評估 - 因為繼電器更換的標準調試程序不包括 CT 消磁和比率精度驗證。新繼電器投入使用時，CT 可能會因為累積剩餘磁通量而在其銘牌 ALF 的 60-70% 下運行 - 這種情況會導致 CT 飽和時間早於新繼電器保護演算法的預期時間。.

規格錯誤 4：新電纜路由的二次負載計算不正確

保護方案升級經常涉及繼電器保護的重新定位 - 從開關設備旁的本地面板到遠端控制室的集中保護面板，或從面板安裝的繼電器到具有不同端子位置的機架安裝數字繼電器。每次重置都會改變二次電纜長度，進而改變二次電路電阻 - 這會改變總二次負載，進而改變有效 ALF。.

比較：按後果嚴重性分類的 CT 測量錯誤

錯誤類型	偵測方法	未偵測到的後果	嚴重性
ALF 未按新負擔重新計算	激發曲線分析	故障期間 CT 飽和 - 保護故障	關鍵
差異化的核心重新分配	一次注射5 平衡測試	永久差動電流 - 錯誤操作	關鍵
未評估餘效	比率測試 + 去磁	有效 ALF 減少 - 延遲運作	高
未重新計算新電纜的負擔	二次負擔測量	ALF 減少 - 在故障電流較低時達到飽和	高
升級後未重新驗證極性	一次注入極性測試	方向繼電器故障 - 錯誤跳脫決定	關鍵
分接頭更換後未確認 CT 比率	比率測量	過大/過小電流設定錯誤 - 取樣不正確	高

客戶案例 - 33 kV 中壓變電所升級，水泥廠，北非：
一家水泥廠的保護工程師在母線故障對 33 kV 配電盤造成災難性損害後與 Bepto Electric 聯繫，該損害本應受到母線保護繼電器的限制，而該繼電器是在六個月前的保護方案升級中安裝的。故障後的調查顯示，母線保護繼電器在故障期間未能動作。升級項目使用現代數字匯流排保護繼電器取代了原有的機電式過電流繼電器，但卻沒有重新計算現有 CT 在新繼電器負載 0.08 VA 時的有效 ALF。現有 CT 的額定值為 5P20，Rct 為 3 Ω，在新繼電器負載下的有效 ALF 為 187 - 遠高於膝點。在母線故障期間，CT 二次波形嚴重失真，並帶有大量直流偏移分量，數位繼電器的傅立葉濾波器無法在其工作時間窗內處理這些分量。繼電器在其內部看門狗計時器重置測量週期之前，未能提取有效的基頻相位。將 CT 更換為指定用於低負載數值繼電器應用的裝置 - 實際二次負載的受控 ALF 為 30 - 解決了保護故障。保護工程師表示： “我們將繼電器升級為最現代的技術，結果保護性能比我們更換的機電式繼電器還差。CT 才是問題所在，我們從來沒有正視過它，因為比率並沒有改變”。”

如何正確重新評估中電壓保護方案升級的 CT 規格？

保護方案升級的正確 CT 重新評估需要結構化的四步方法，在證明與新保護方案相容之前，將現有 CT 視為未驗證元件。.

步驟 1：定義新的繼電器量測需求

在評估現有的 CT 之前，請充分描述新繼電器的 CT 介面需求：

• 額定電流下的二次負載： 從繼電器製造商的技術規格中獲得 - 不是繼電器的額定負載，而是 CT 二次額定電流下的實際輸入阻抗；現代數字繼電器在 1 A 時為 0.025-0.1 VA，而非 1-5 VA 的額定負載。
• 所需的 CT 精度等級： 確認新繼電器是否需要 P 級 (5P 或 10P) 或 PX 級 (由膝點電壓和磁化電流定義) CT - 許多現代差動和距離保護繼電器指定了 PX 級要求，而現有的 P 級 CT 可能無法滿足這些要求。
• 暫態尺寸因子 (Ktd)： 對於具有指定暫態性能要求的繼電器，請從繼電器規格中獲得所需的 Ktd - 這定義了在故障電流的最初幾個週期中繼電器正確工作所需的最小 CT 暫態能力。
• 測量演算法： 確認繼電器是否使用有效值測量、基頻相位擷取或峰值偵測 - 每種演算法對故障情況下 CT 二次波形失真的敏感度不同

步驟 2：重新計算新二次負擔的有效 ALF

對升級保護方案中的每個現有 CT 應用有效 ALF 公 式：

$ALF_{effective} = ALF_{rated}。\times \frac{R_{CT}+ R_{burden,rated}}{R_{CT}+ R_{burden,actual}}$

在哪裡？

• $R_{burden,actual}$ = 繼電器輸入阻抗 + 二次電纜阻抗（兩條導體） + 二次電路中的任何其他串聯阻抗
• 將 ALF_effective 與新繼電器所需的 ALF 進行比較 - 如果 ALF_effective 超出所需值 3 倍以上，則 CT 在故障條件下可能會在不可預測的區域中運行；如果 ALF_effective 低於所需值，則 CT 會在繼電器做出正確的保護決策之前達到飽和。

步驟 3：驗證各保護功能的 CT 核心分配

• 將現有的 CT 核心映射到新的保護功能： 記錄升級方案中每個保護繼電器輸入所連接的 CT 實體磁芯
• 確認磁芯精確度等級符合保護功能： 用於保護繼電器的保護核心（5P、10P、Class PX）；用於收入計量的測量核心（Class 0.5、Class 1） - 在升級方案中，切勿將測量核心用於保護功能
• 驗證差動 CT 磁心匹配： 對於變壓器或母線差動保護，請確認受保護設備兩側的 CT 磁芯具有匹配的比率誤差和相位偏移 - 取得兩個 CT 的出廠測試證書並進行比較

步驟 4：評估 CT 狀態和 Remanence 狀態

• 檢視故障事件歷史： 取得過去 3-5 年的保護繼電器事件記錄；找出 CT 一次電流超過額定短時間電流 50% 的所有故障事件 - 每個此類事件都是潛在的剩餘電流累積事件
• 執行激勵曲線測試： 將量測到的激磁曲線與工廠測試證書進行比較；膝點移動或膝點處的磁化電流增加可確認剩餘磁通累積
• 如果確認有剩磁，則進行退磁： 在進行比率精確度驗證前先消磁 - 受剩餘電流影響的 CT 的比率測試結果並不能代表 CT 真正的精確度等級效能
• 進行去磁後的比率精度驗證： 在接受 CT 升級保護方案之前，確認比率誤差和相位位移在精確度等級限制之內

應用場景

• 機電式過電流繼電器升級為數位式過電流繼電器： 在新的繼電器負載下重新計算有效 ALF；驗證 ALF_effective 在 2-5 倍所需 ALF 之內；評估再現歷史；必須重新驗證主要注射極性
• 在現有 CT 安裝中增加變壓器差動保護： 驗證 CT 磁芯等級 PX 的相容性；執行差動電路平衡一次注入測試；確認 HV 和 LV CT 對的匹配比率誤差
• 傳輸饋線的距離保護升級： 根據繼電器規格驗證 PX 類膝點電壓；重新計算二次負載，包括到遠端繼電器面板的新電纜路由；確認 Ktd 符合性
• 母線保護增加： 驗證所有母線 CT 磁芯具有匹配的特性；計算通過故障條件下的穩定因數；通電前必須進行一次注入穩定性驗證

如何在帶電保護方案升級專案中執行安全的 CT 量測驗證？

安全 CT 量測驗證步驟

1. 在任何繼電器斷開之前短接 CT 二次電路： 在從現有繼電器斷開任何 CT 二次迴路之前，請在 CT 二次端子或測試端子台上使用短路鏈結 - 在一次電流下 CT 二次開路會產生致命的高電壓；在斷開任何繼電器端子之前必須先進行短路。
2. 驗證負載下短路連結的完整性： 使用短接連結後，請使用鉗型電流表確認二次電流是否流經短接連結 - 看似已連接但接點鬆動的短接連結是潛在的開路危險。
3. 在繼電器連接之前，執行比率和極性驗證： 在安裝了新繼電器但尚未連接 CT 二次電路的情況下，執行一次注入比率和極性驗證 - 確認 CT 在連接新繼電器之前以正確方向提供正確的二次電流
4. 連接新繼電器後，驗證二次負載： 測量連接新繼電器時的總二次電路負載；與 CT 額定負載進行比較；確認有效 ALF 計算與測量負載一致
5. 在移除短路連線之前，請執行功能保護測試： 連接新繼電器且 CT 二次電路完成後，執行繼電器的二次噴射功能測試 - 確認操作正確、時間正確和輸出觸點操作正確，然後取下一次電路短路鏈結並回復使用。

保護方案升級期間常見的安全錯誤

• 在繼電器重新連接完成之前移除 CT 二次短路連線： 最危險的調試錯誤 - 當一次電流流動時，即使 CT 二次開路的時間很短，也會在開路端子上產生高壓危險；保持短路連接，直到驗證完整的二次電路是連續的為止。
• 在未驗證 CT 二次電路連續性的情況下執行二次注入測試： 二次注入隔離測試繼電器 - 它不提供 CT 二次電路完整性的資訊；二次注入合格的結果不授權在未進行一次注入驗證的情況下移除 CT 二次短路連線。
• 保護方案升級後，省略極性重新驗證： CT 二次迴路的任何修改 - 新電纜、新端子台、新繼電器端子分配 - 都有可能造成極性反轉；每次保護方案修改後，都必須透過一次注入重新驗證極性，而非根據先前的調試記錄假定極性。
• 在未進行階段性故障測試的情況下啟動升級後的保護方案： 在網路操作條件允許的情況下，分階段故障測試 - 在受控條件下故意在受保護電路中產生故障狀態 - 是驗證完整保護方案（包括 CT 在實際故障電流條件下的性能）的唯一方法。

總結

保護方案升級會產生 CT 量測不相容的問題，這些問題在繼電器測試中看不到，在標準調試程序中看不到，在銘牌檢查中也看不到 - 但在升級後變電站發生第一次真正故障時，保護系統無法正確運行卻完全可見。導致這些故障的錯誤是一致、可預測且完全可以預防的：未重新計算新繼電器負載的有效 ALF、未重新評估新保護功能的 CT 核心分配、未評估和糾正多年服務期間累積的 CT 殘值，以及未在二次電路修改後重新驗證極性和變比的準確性。. 在中壓保 護方案升級中，CT 並非可從先前方案繼承而無需重新評估的被動元件 - 它是一種主動測量裝置，其與新繼電器的相容性必須透過計算、測試和一次注入驗證來證明，升級後的保護方案才可信賴，以保護變電站和在其中工作的人員。.

有關保護方案升級中 CT 量測錯誤的常見問題解答

1. 保護二次回路總電阻的詳細分析。. ↩

2. 定義故障條件下 CT 性能的技術參數。. ↩

3. 電流互感器精度和性能的官方國際標準。. ↩

4. 差分方案 CT 磁芯匹配的全面指南。. ↩

5. 用於驗證保護方案完整性的工業安全標準。. ↩