磁閥式電流互感器暫態特性研究

劉召杰 衛思明 陳柏超 張哲璇 吳煜文

摘要：電流互感器（CT）飽和是保護裝置誤動的原因之一，現基于傳統電流互感器的結構，設計了一種新型磁閥式電流互感器（MVCT），MVCT輸出不依賴于電力系統拓撲結構，且不受剩磁的影響。仿真與實驗結果表明，MVCT可以測量短路電流、勵磁涌流與和應涌流等可能導致保護誤動作的瞬態電流。

關鍵詞：繼電保護;磁閥式電流互感器（MVCT）;剩磁;短路電流;勵磁涌流;和應涌流

中圖分類號：TM930.1? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.001

0? ? 引言

電流互感器的傳變性能對繼電保護具有非常重要的影響。保護用電流互感器飽和的主要原因包括：含有衰減緩慢的直流分量的暫態短路電流和變壓器勵磁涌流導致的電流互感器飽和以及斷開故障電流及重合閘過程在鐵芯殘留的剩磁導致的電流互感器飽和[1]。故電流互感器的飽和補償方法與新型電流互感器的研究仍是廣受關注的熱點。

本文在已有的研究基礎[2-3]上詳細分析了MVCT的工作原理與工作狀態，并通過一系列的仿真與實驗研究了MVCT在測量短路電流、勵磁涌流與和應涌流時的暫態特性。

1? ? MVCT基本原理

如圖1與圖2所示，MVCT主要由含磁閥結構的鐵芯、一次繞組N1、二次繞組N2、二次負載R2、磁場傳感器與信號處理單元組成[2]。其中，MVCT鐵芯包括截面積保持不變的主鐵芯與截面積較小的磁閥鐵芯，主鐵芯高度為h，平均長度為lm，磁閥鐵芯高度為kh，平均長度為lv;磁場傳感器放置在鐵芯切口中，用于測量切口中的磁場強度Hi，并將磁場強度轉換為相應的電壓信號;二次負載為純阻性負載，連接至二次繞組。MVCT的信號處理單元將去除直流偏置信號后的磁場傳感器輸出信號進行比例放大，再與二次負載電壓信號進行相加;信號處理單元的輸出即MVCT的總輸出。i1、i2分別代表一次電流、二次電流，Bm、Hm分別代表主鐵芯的磁感應強度與磁場強度，Bv、Hv分別代表磁閥鐵芯的磁感應強度與磁場強度，Bi、Hi分別代表切口的磁感應強度與磁場強度，μr、μ0分別代表相對磁導率與真空磁導率。

當N1=1時，根據安培環路定理得：

Hmlm+Hvlv=i1-N2i2（1）

根據磁通連續性得：

Bm=kBv+（1-k）Bi（2）

根據磁勢連續性得：

Hvlv=Hilv（3）

本文使用如圖3所示基本磁化曲線表示磁感應強度B與磁場強度H的關系：

Bm=μr μ0Hm（4）

Bv=μr μ0Hv（5）

Bi= μ0Hi（6）

聯立式（1）～式（6）得：

i1=N2i2+klm

+lm+lvHi（7）

其中，A=klm+lm+lv為補償系數。

式（7）中，N2、i2、lm、lv與k均為已知;相對磁導率μr可通過實驗測得，也可由生產廠家給出;切口磁場強度Hi可以通過磁場傳感器檢測到。故當磁場傳感器誤差較小且靈敏度較高時，MVCT較傳統電磁式電流互感器可以更精確地測得一次電流i1。即使當磁閥鐵芯進入飽和從而使二次電流發生畸變時，經磁場傳感器輸出的補償信號補償后的MVCT依然可以測得全電流。

2? ? 仿真分析

本文使用COMSOL建立有限元模型仿真研究MVCT的工作原理與特性。其中，MVCT鐵芯磁化曲線使用實測數據，忽略漏感與鐵芯損耗并將二次負載設置為純阻性負載。具體仿真參數如表1所示，仿真模型如圖4所示。切口氣隙與磁閥鐵芯中磁感應強度與磁場強度選擇相應的體中心點數據。

2.1? ? 暫態短路電流仿真分析

當系統發生短路故障時，短路一次電流瞬時值如下：

ip=Ipe

cos θ-cos（ωt+θ）（8）

實際中，影響電流互感器暫態特性的參數主要是短路時初始電壓的相角θ、一次系統時間常數Tp與剩磁Br等[4]。

2.1.1? ? 全偏移電流

當θ=0，短路電流全偏移，對CT的影響最嚴重。取Ip=370 A，Tp=100 ms，f=50 Hz，仿真結果如圖5所示。

圖5中，二次電流在一次電流達到峰值前已發生畸變;而經補償信號補償過的MVCT輸出信號已可以較好地跟蹤一次電流的變化。

2.1.2? ? 時間常數Tp

我國生產并使用的300～600 MW汽輪發電機組時間常數高達300 ms[4]，故保持其他參數不變，Tp=300 ms時的仿真結果如圖6所示。

圖6中，二次電流相對于時間常數Tp=100 ms時的畸變更為嚴重。經補償信號補償過的MVCT的輸出信號依然可以較好地跟蹤一次電流的變化。

2.1.3? ? 剩磁Br

當故障發生使得保護裝置動作后，鐵芯中將會存在大量的剩磁，剩磁一旦產生并不會顯著降低。如果再發生第二次故障，且非周期分量產生的瞬態磁通與剩余磁通的方向一致，CT將更迅速地飽和。在超高壓系統中，保護加斷路器動作時間一般為40 ms[4]。采用重合閘時，一次短路電流從切斷起到其重復出現時的時間間隔約為400 ms，故取t′=0.04 s，tfr=0.4 s，其他參數保持不變，仿真結果如圖7所示。

如圖7所示，當鐵芯中含有剩磁時，電流互感器二次電流畸變程度加重。但在兩次針對短路電流的測量過程中，MVCT輸出波形均與一次電流波形保持一致，未受到剩磁的影響。

面對時間常數較大的發電機系統或考慮重合閘的二次工作循環時，工程上常常通過成倍地增加互感器鐵芯截面積來提高暫態面積系數，以防止其暫態飽和。但MVCT可以補償因鐵芯暫態飽和導致畸變的二次電流，故使用MVCT可以在一定程度上減小保護用電流互感器的體積。

2.2? ? 浪涌電流仿真分析

當空載變壓器接通電源時，浪涌電流可能達到變壓器標稱電流的數倍，與變壓器內部故障電流一樣高?？胀队苛髦械姆侵芷诜至苛鬟^系統電阻，導致公共節點上電壓的非周期波動，會引起相鄰變壓器產生和應涌流。勵磁涌流與和應涌流特性復雜，不容易被預測且難以量化分析[5]。故本文首先按照圖8在MATLAB中搭建了仿真模型，再將仿真得到的相關電流作為一次電流導入COMSOL中進行仿真分析。

2.2.1? ? 勵磁涌流

電流互感器的傳變特性影響變壓器差動保護的勵磁涌流識別判據是否有效。當一次電流為勵磁涌流ie時，仿真結果如圖9所示。

由圖9可知，受勵磁涌流直流含量的影響，傳統電磁式電流互感器的鐵芯進入飽和;二次電流在第一個周期內未發生明顯畸變，但在第二個周期開始發生明顯畸變;但經補償信號補償過的MVCT輸出信號可以較好地跟蹤一次電流的變化。

2.2.2? ? 和應涌流

和應涌流主要分為兩種：并聯和應涌流與串聯和應涌流，本文只討論并聯和應涌流。當一次電流為和應涌流is時，仿真結果如圖10所示。

由圖10可知，二次電流在前七個周期內未發生明顯畸變，但第八個周期開始發生明顯畸變;經補償信號補償過的MVCT輸出信號已可以較好地跟蹤一次電流的變化。

工程實際中，對勵磁涌流與和應涌流的識別依然主要是利用波形對稱判據、二次諧波含量判據與間斷角判據等，但電流互感器暫態飽和導致的二次電流畸變會影響上述判據的可靠性[6]，進而可能導致保護裝置特別是變壓器差動保護的誤動作。而MVCT輸出信號在一定范圍內可以很好地還原一次電流，從而使得保護系統對涌流識別的可靠性有所增加。

3? ? 實驗結果與分析

3.1? ? 暫態短路電流測量實驗

為了進一步驗證MVCT測量暫態短路電流的能力，本文搭建了如圖11所示的實驗平臺以模擬線路接地短路故障。其中電阻R阻值為1 Ω，電感L值為65 mH，負載阻值為45 Ω。閉合開關Ⅱ后的實驗結果如圖12所示。

如圖12所示，二次負載電壓在短路故障發生后的七個周期內發生明顯畸變，而磁場傳感器輸出的補償信號恰在鐵芯飽和二次電流發生畸變時“驟升”。MVCT輸出信號可以較好地跟蹤一次電流信號。

3.2? ? 含有剩磁的暫態短路電流測量實驗

限于實驗條件，在實驗中使用圖13所示電路產生剩磁。其中，交流回路中，電阻阻值為1 Ω，電感值為10 mH;直流回路電源電壓為5 V，電阻R2阻值為1 Ω，匝數為1匝。合閘開關Ⅲ并通電較長時間;在斷開開關Ⅲ的同時，依次合閘開關Ⅰ與開關Ⅱ，觀察電流信號波形。

圖14中，二次電流相對于圖12時的畸變更為嚴重。經磁閥補償信號補償過的MVCT的輸出信號依然可以較好地跟蹤一次電流的變化。

3.3? ? 勵磁涌流測量實驗

本文搭建了如圖15所示的實驗平臺以驗證MVCT測量勵磁涌流的性能。其中采樣電阻阻值均為1 Ω，變壓器Ⅰ容量為1 kVA，變壓器Ⅱ容量為2.3 kVA，一次側額定電壓均為220 V，變比均為1：1，實際市電電壓有效值為240 V。

閉合開關以產生勵磁涌流。如圖16所示，測量勵磁涌流時，電流波形偏向于坐標軸的一側，直流含量較高，二次電流在合閘后發生嚴重畸變，但MVCT輸出依然可以較好地還原一次電流。

4? ? 結語

本文提出的MVCT克服了傳統CT存在電磁飽和的問題，具備良好的暫態傳變特性，可以實現故障電流全波形的測量。MVCT原理簡單，成本較低，有望在繼電保護領域得到較好的推廣應用。

[參考文獻]

[1] 黃楊明，林浩勤，吉宏浩，等.電流互感器飽和的校核方法及應用[J].機電信息，2016（15）：20-23.

[2] 吳煜文，田翠華，吳凡，等.磁閥式電磁型電流互感器[J].高電壓技術，2020，46（9）：3154-3163.

[3] 官瑞楊，魏新勞，王永紅，等.鐵芯電抗器氣隙邊緣效應計算及影響因素[J].電機與控制學報，2018，22（4）：81-88.

[4] 袁季修，盛和樂，吳聚業.保護用電流互感器應用指南[M].北京：中國電力出版社，2004.

[5] FONSECA W S，LIMA D S，LIMA A K F，et al.Analysis of structural behavior of transformers winding under inrush current conditions[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2018，54（3）：2285-2294.

[6] 張運馳，高厚磊，杜士昌.基于綜合形態算法的變壓器勵磁涌流識別方法[J].電力系統自動化，2021，45（24）：165-173.

收稿日期：2021-12-31

作者簡介：劉召杰（1980—），男，上海人，高級工程師，研究方向：新型控制系統。