CT飽和特性對(duì)繼電保護(hù)的影響分析

覃燕鳳

(廣西電網(wǎng)公司河池供電局，廣西 河池 547000)

CT飽和特性對(duì)繼電保護(hù)的影響分析

覃燕鳳

(廣西電網(wǎng)公司河池供電局，廣西 河池 547000)

詳細(xì)分析了電流互感器(CT)的工作原理和對(duì)繼電保護(hù)影響。建立了CT的電路模型，根據(jù)理論分析和仿真結(jié)果比較了不同條件下電流互感器的特性，分析了一次幅值大小、非周期分量大小、一次側(cè)時(shí)間常數(shù)和二次側(cè)負(fù)載的大小等因素對(duì)電流互感器飽和造成的影響，從而有針對(duì)性地提出了防止CT飽和的方法。

電流互感器;特性;飽和;仿真分析

1 引言

電流互感器(CT)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)監(jiān)控、保護(hù)、故障錄波和故障測(cè)距等技術(shù)領(lǐng)域，是電力系統(tǒng)中電流測(cè)量、系統(tǒng)控制、特別是繼電保護(hù)裝置的重要設(shè)備。目前大量使用電流互感器為電磁型，通過(guò)電磁感應(yīng)的原理，將系統(tǒng)一次側(cè)的電流按照一定比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成二次電流。當(dāng)磁通飽和時(shí)，勵(lì)磁電流增大，二次輸出電流發(fā)生畸變，一次側(cè)電流與二次側(cè)電流的不再?lài)?yán)格按照原有的比例關(guān)系，此時(shí)，CT出現(xiàn)飽和狀態(tài)，對(duì)保護(hù)裝置的正確動(dòng)作造成影響，可能造成繼電保護(hù)誤動(dòng)作、拒動(dòng)或延遲動(dòng)作，也會(huì)降低故障測(cè)距的準(zhǔn)確度［1，2］。隨著我國(guó)電力系統(tǒng)容量的不斷增大，在220～500kV變電站低壓側(cè)出線近處發(fā)生故障時(shí)，線路上的CT可能出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)，并越級(jí)使主變的低后備保護(hù)動(dòng)作跳閘，這不僅使保護(hù)失去了動(dòng)作選擇性，而且還進(jìn)一步擴(kuò)大了事故的停電范圍。由CT飽和而引起的繼電保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的情況時(shí)有發(fā)生，多年來(lái)一直未能得到很好地解決。

2 CT工作原理

2.1 CT的等效電路

如圖1所示，圖中Z1為CT的一次阻抗，Z2為CT的二次阻抗，Z為CT的二次負(fù)載，Zm為CT的勵(lì)磁阻抗。

圖1 CT等效電路

CT鐵心中磁通與磁感應(yīng)強(qiáng)度并不是線性的關(guān)系。當(dāng)鐵心處于不飽和狀態(tài)時(shí)，磁導(dǎo)率很大且近似為常數(shù)，Zm數(shù)值很大且基本不變，因此勵(lì)磁電流很小。當(dāng)CT一次電流增大后，尤其是一次電流中含有較大直流分量，鐵心開(kāi)始飽和，磁導(dǎo)率不再為常數(shù)，勵(lì)磁阻抗Zm迅速下降，勵(lì)磁電流增加。當(dāng)流入CT的一次電流大到一定程度，CT進(jìn)入飽和狀態(tài)，感應(yīng)到CT二次側(cè)的電流變小，而CT勵(lì)磁電流增大。由上式可知，I2隨著Zm減少而減少，這實(shí)際是由Zm減少時(shí)勵(lì)磁回路分流作用加大引起。當(dāng)CT嚴(yán)重飽和時(shí)，Zm急劇減少至接近零，一次電流全部變成勵(lì)磁電流，二次電流幾乎接近于零。此時(shí)，保護(hù)裝置因采集不到故障電流而出現(xiàn)拒動(dòng)。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器是利用電磁感應(yīng)原理通過(guò)耦合實(shí)現(xiàn)一、二次電流變換的。在正常運(yùn)行情況下，電流互感器能夠保證所在電氣回路電流量的準(zhǔn)確傳變，但是由于鐵心具有磁飽和特性，是非線性組件，當(dāng)一次電流很大時(shí)，特別是一次電流中大量非周期分量的存在將使CT的鐵心嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流成十倍、幾百倍增加，而且含有大量非周期分量和高次諧波分量，造成二次電流數(shù)值和波形嚴(yán)重失真，致使電流互感器的二次側(cè)無(wú)法如實(shí)反映一次側(cè)電流的變化情況，嚴(yán)重影響了繼電保護(hù)動(dòng)作和監(jiān)控系統(tǒng)決策的正確性［3］。電流互感器飽和主要有兩種:穩(wěn)態(tài)飽和與暫態(tài)飽和。其中穩(wěn)態(tài)飽和主要是因?yàn)橐淮坞娏髦堤螅M(jìn)入了電流互感器飽和區(qū)域，導(dǎo)致二次電流不能正確的傳變一次電流。暫態(tài)飽和，則是因?yàn)榇罅糠侵芷诜至康拇嬖冢M(jìn)入了電流互感器飽和區(qū)域。由于暫態(tài)飽和過(guò)程較為復(fù)雜，因此將重點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.2 電流互感器暫態(tài)特性

當(dāng)一次系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，設(shè)一次系統(tǒng)空載，短路環(huán)路中阻抗角θ=90°流過(guò)CT的一次短路電流(歸算到二次側(cè))為［4］:

式中:Ipm為歸算到二次側(cè)的一次穩(wěn)態(tài)短路電流;Ip流過(guò)CT一次側(cè)繞組的穩(wěn)態(tài)短路電流有效值;T為一次系統(tǒng)時(shí)間常數(shù);θ為短路初相角。

將電流互感器的鐵心損耗以及一次繞組的漏抗和電阻略去不計(jì)，則有

求解方程得暫態(tài)勵(lì)磁電流:

式中:Tb二次負(fù)載時(shí)間常數(shù);Ts二次閉合回路時(shí)間常數(shù);φb二次負(fù)載阻抗角;δ二次閉合回路阻抗角

2.3 影響CT飽和的因素

(1)故障發(fā)生的初始階段，勵(lì)磁電流中的非周期分量從無(wú)到有，然后逐漸增大使鐵心飽和。CT進(jìn)入飽和的時(shí)間和一次系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)、CT二次時(shí)間常數(shù)和CT二次負(fù)載有關(guān)。

(2)一次系統(tǒng)中電流的非周期分量越大，在勵(lì)磁電流中的非周期分量就越大，CT飽和的情況就越嚴(yán)重。

(3)一次系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)越大，勵(lì)磁電流中的非周期分量衰減相對(duì)也就越慢，CT飽和時(shí)間相對(duì)就越長(zhǎng)

(4)CT的二次負(fù)載越大，勵(lì)磁電流中的周期分量也越大，此時(shí)，CT將處于飽和狀態(tài)。

3 仿真分析

本文采用的互感器某變電站曾由于飽和發(fā)生保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的CT為例:保護(hù)級(jí)變比為400∶5，二次輸出容量為15VA，內(nèi)阻0.811Ω，勵(lì)磁曲線如圖2所示。

圖2 CT勵(lì)磁曲線

采用功能強(qiáng)大的MATLAB7.0建立模型并進(jìn)行仿真，仿真波形如下:

(1)一次電流幅值的大小對(duì)CT飽和的影響

圖3 一次側(cè)電流幅值Im =50和 1 00A時(shí)電流波形

從仿真波形來(lái)看，一次電流幅值越大，飽和程度就越嚴(yán)重。一次短路電流增大，將會(huì)導(dǎo)致非周期分量增大，使磁通密度過(guò)大，從而使鐵心易于飽和。

(2)非周期分量的大小對(duì)CT飽和的影響

圖4 α=30°和α=60°時(shí)電流波形

從仿真波形來(lái)看，非周期分量的大小對(duì)CT飽和影響較大。短路發(fā)生后，短路產(chǎn)生的暫態(tài)電流并不足以使CT迅速產(chǎn)生飽和，非周期分量引起的CT飽和，使得CT勵(lì)磁電流中包含大量的非周期分量。時(shí)間持續(xù)過(guò)程的長(zhǎng)短與非周期分量的大小有關(guān)。

圖5 L=2mH，負(fù)載電阻分別取1Ω和2Ω時(shí)電流波形

(3)二次側(cè)負(fù)載大小對(duì)CT飽和的影響

從仿真波形來(lái)看，二次負(fù)載越大，飽和程度趨向于加深。

(4)一次系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)T，對(duì)CT飽和的影響

圖6 T=0.1s和T=0.2s電流波形

從仿真波形來(lái)看，如果一次側(cè)時(shí)間常數(shù)T較大，即使短路電流相對(duì)較小，CT仍然會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的飽和。總的來(lái)說(shuō)，CT飽和現(xiàn)象總是在短路發(fā)生后并延時(shí)一段時(shí)間才出現(xiàn)。CT飽和時(shí)勵(lì)磁電流將迅速增大，CT飽和后，二次側(cè)的電流波形將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，一個(gè)周波內(nèi)的波形將不再對(duì)稱(chēng)。由于非周期分量很難傳變到二次側(cè)，使鐵心的磁通發(fā)生飽和，導(dǎo)致CT傳變特性發(fā)生變化，一次電流中的很大一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯?lì)磁電流，導(dǎo)致CT的嚴(yán)重飽和。除了一次電流的非周期分量對(duì)CT飽和的影響外，一次時(shí)間常數(shù)、一次電流大小，二次負(fù)載大小都會(huì)對(duì)CT的飽和產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論及相應(yīng)措施

(1)對(duì)于電流互感器的選擇，其類(lèi)型和參數(shù)要與實(shí)際運(yùn)行狀況相符，保證CT在穩(wěn)態(tài)對(duì)稱(chēng)短路電流下的誤差在正常范圍之內(nèi)，保護(hù)動(dòng)作性能不會(huì)受其影響。而由短路電流引起的CT暫態(tài)飽和影響，則應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇。

(2)在二次負(fù)載一定的情況下，增大變比，可以降低互感器的飽和程度。然而，增大CT保護(hù)級(jí)的變比后會(huì)給繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行帶來(lái)一些負(fù)面影響，主要對(duì)CT二次回路和繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行監(jiān)視有不利的狀況。

(3)在二次負(fù)載一定的情況下，選用額定容量大的互感器。而選擇容量過(guò)大的CT也會(huì)有不利因素。只有選擇的CT二次容量大小接近二次實(shí)際負(fù)荷時(shí)，CT的精度才較高。容量偏大偏小都會(huì)影響CT的測(cè)量精度。

(4)變比相同的情況下，適當(dāng)減小二次阻抗值，將有利于改善互感器的傳變特性.減小二次阻抗值的方法。相應(yīng)的措施包括選用交流功耗小的繼電保護(hù)裝置和測(cè)量?jī)x表，選用導(dǎo)線截面積較大的二次電纜，縮短二次電纜的長(zhǎng)度等。

(5)減小CT的二次額定電流，選用一次電流倍數(shù)高的互感器。

(6)保護(hù)裝置采取減輕飽和影響措施，保證互感器在特定飽和條件下不致影響保護(hù)性能。保護(hù)裝置采取措施減緩電流互感器飽和影響，特別是暫態(tài)飽和影響，對(duì)降低電流互感器造價(jià)及提高保護(hù)動(dòng)作的安全性和可信賴(lài)性具有重要意義，應(yīng)成為保護(hù)裝置的發(fā)展方向。特別是微機(jī)保護(hù)具有較大的潛力可資利用。當(dāng)前母線差動(dòng)和某些型式的發(fā)電機(jī)和變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置一般都采用了抗飽和措施，取得了良好的效果［5］。

5 展望

隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，傳統(tǒng)電磁型CT由于其固有的缺點(diǎn)將會(huì)完成自己的歷史使命，逐步的離開(kāi)電力系統(tǒng)的歷史舞臺(tái)。基于新技術(shù)，新原理制造的互感器將取而代之。光電互感器，是利用光電技術(shù)和光纖傳感技術(shù)與電子學(xué)原理相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓、電流測(cè)量的新型互感器。由于其本身具有傳統(tǒng)CT不具備的特殊優(yōu)點(diǎn)，如體積小，重量輕，無(wú)鐵心，不存在磁飽和鐵磁諧振問(wèn)題，暫態(tài)響應(yīng)范圍大，頻率響應(yīng)寬，抗電磁干擾性能佳，便于向數(shù)字化微機(jī)化發(fā)展，成為新一代互感器的代表。隨著光電式互感器的理論水平、生產(chǎn)技術(shù)和工藝的不斷提升，光電式CT將會(huì)逐步取代現(xiàn)有的電磁型CT，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

［1］ 陳三運(yùn)．一起CT飽和引起的繼電保護(hù)拒動(dòng)分析［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(4):85 －87．

［2］ 陳錚，董新洲，羅承沐．電流互感器飽和影響測(cè)距精度的一種解釋方法［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26(l):39 －44．

［3］ 袁季修，盛和樂(lè)，吳聚業(yè)．保護(hù)用電流互感器應(yīng)用指南［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2004．

［4］ 葉民．電流互感器飽和特性及對(duì)繼電保護(hù)的影響研究［D］．重慶大學(xué)，2007．

［5］ 胡寶，朱軍紅，劉秋菊，等．易飽和電流互感器在母線保護(hù)測(cè)試中的應(yīng)用［J］．繼電器，2005，33(9):70 －73．

Analysis of the Effect of CT Saturation Characteristic on Relay Protection

TAN Yan-feng
(Hechi Power Supply Bureau，Hechi547000，China)

The paper analyzes the working principle of a current transformer and the effect on relay protection and a current transformermodel has been set up．According to the theoretical analysis and simulation results，compare the current transformer characteristics under different conditions．Analyze primary amplitude size，aperiodic component size，primary side time constand and secondary side load to the effecton current transformer saturation，thus putting forward stopping amethod from current transformer saturation．

current transformer;characteristic;saturation;simulation analysis

TM452

B

1004－289X(2013)03－0096－04

2012－05－29

覃燕鳳(1985－)女，廣西來(lái)賓人，主要從事變電站二次保護(hù)工作。