電流互感器飽和問題

1、電流互感器飽和引起的保護誤動分析及試驗方法近年來，廣東省內多個發(fā)電廠出現(xiàn)過高壓廠用變壓器或起動-備用變壓器在區(qū)外故障時或廠用大容量電動機起動時差動保護誤動作的情況。究其原因，除個別是因為整定值的問題外，大多數(shù)是因電流互感器特性不理想甚至飽和而導致的。眾所周知，設計規(guī)程中對電流互感器的選型有嚴格的規(guī)定，要求保護用的電流互感器在通過15倍甚至是20倍額定電流的情況下，誤差不超過5%或10%，即不出現(xiàn)飽和。而上面提及的出現(xiàn)差動保護誤動的情況，無一例外地都選用了保護級的電流互感器。經(jīng)過對幾個電廠的大容量電動機起動電流的核算，最大容量的電動機起動時電流大概是變壓器額定電流的35倍，遠達不到電流互感器額定

2、電流的15倍。那為什么差動保護還會因為電流互感器飽和而誤動呢？下面就電流互感器的工作原理、工作特性對保護的影響及其檢驗方法進行探討。1電流互感器工作原理簡述電流互感器的工作原理與變壓器基本相同，因此可以使用變壓器的等值電路分析電流互感器。電流互感器的等值電路如圖1所示1。圖1中，Z1為電流互感器原方漏抗， Z2為電流互感器副方漏抗，ZL為電流互感器二次回路的負載阻抗，其 次側的參量。正常運行時，漏抗 Z1和Z2很小，負載阻抗 ZL也很小，而勵磁阻抗 Zm因為電流互感 器鐵心磁通不飽和而很大。因此，可忽略勵磁電流Im。根據(jù)磁勢平衡原理，原、副方電流成固定的比例關系為其中N1和N2分別為原、副方繞

3、組匝數(shù)。當鐵心磁通密度增大至飽和時，勵磁阻抗Zm會隨著飽和的程度而大幅下降。此時Im已不可忽略，即I1與I2不再是線性的比例關系。電流互感器飽和的原因有兩種 2:是一次電流過大引起鐵心磁通密度過大；二是二 次負載(即ZL)過大，在同樣的一次電流下，要求二次側的感應電動勢增大，也即要求鐵 心中的磁通密度增大，鐵心因此而飽和。原、副方繞組感應電動勢有效值與磁通的關系為2確定電流互感器飽和點的方法要研究電流互感器的工作特性，確認其在保護外部故障通過大電流時是否會飽和而影響 保護動作的正確性，可通過一些試驗方法進行檢測。顯然，最直接的試驗方法就是二次側帶實際負載，從一次側通入電流， 觀察二次電流找出電

4、流互感器的飽和點。但是，對于保護級的電流互感器，其飽和點可能超過1520倍額定電流，當電流互感器變比較大時，在現(xiàn)場進行該項試驗會有困難。除此之外，還可通過伏安特性試驗測出電流互感器的飽和點。如前所述，電流互感器飽和是由于鐵心磁通密度過大造成的，而鐵心的磁通密度又可通過電流互感器的感應電動勢反映出來。因此由伏安特性曲線上的飽和電壓值，通過式3 (1)可以計算出電流互感器的飽和電流。伏安特性的試驗方法為：原方開路，從副方通入電流，測量副方繞組上的電壓降。由于電流互感器的原方開路，沒有原方電流的去磁作用，在不大的電流作用下， 鐵心很容易就會飽和。因此，伏安特性試驗并不需要加很大的電流，在現(xiàn)場較容易實

5、現(xiàn)。3試驗以一次電流互感器的試驗為例，說明通過伏安特性試驗確定電流互感器飽和點的方法。試驗的電流互感器的額定變比為300 A /5 A，二次額定負載為 0.2 Q。3.1電流互感器變比試驗用電阻約為0.2Q的導線短接電流互感器副方繞組，從原方通入電流并逐漸加大直至副方電流明顯呈飽和狀態(tài)。 試驗中除測量原、副方電流外， 同時測量副方繞組的端口電壓。試 驗接線如圖 2，其中的電壓表為高內阻表。試驗數(shù)據(jù)見表1，圖 3是根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)所描的曲線。從試驗數(shù)據(jù)可知，當一次電流達到 800 A（2.67In ）時，電流互感器開始飽和，此時副 方的端口電壓為 3.7 V 。3.2 電流互感器伏安特性試驗電流

6、互感器原方開路， 從副方繞組通入電流， 測量副方繞組上的電壓降。 試驗數(shù)據(jù)見表 2，圖是根據(jù)表 2 數(shù)據(jù)所描的曲線。從圖可知，飽和電動勢Esat約為V。亦即該電流互感器在帶約0.3Q負載時，未計電流互感器內阻Z2，其飽和電流倍數(shù)約為 4 V/（0.3 QX 5 A）=2.76。此計算的飽和倍數(shù)與電流互感 器變比試驗的數(shù)據(jù)是吻合的， 伏安特性試驗飽和時的端口電壓比變比試驗的飽和電壓略高是 因為后者有電流互感器內阻（Z2）分壓導致的。由上述試驗可知，通過伏安特性試驗找到電流互感器的飽和電勢E2 后，可由式（ 1）算出飽和電流，此時 ZL 為電流互感器二次回路上實際的負載阻抗， Z2 可近似看成是電

7、流 互感器的內阻。 該內阻數(shù)據(jù)可由生產廠家提供， 也可按變壓器短路阻抗的試驗方法測得。 顯 然，對于同樣的電流互感器參數(shù)，負載阻抗越大，其飽和電流的倍數(shù)就越小。4 結論為了避免變壓器差動保護的電流互感器在區(qū)外故障時或大容量電動機起動時因電流過 大出現(xiàn)飽和而導致差動保護誤動作， 除了在設備選型上要確保選用容量足夠的保護級電流互 感器外，還可根據(jù)電流互感器的伏安特性曲線和現(xiàn)場實測的電流互感器二次回路負載阻抗計 算出電流互感器的飽和點， 以此推算出在最大可能出現(xiàn)的穿越電流作用下， 電流互感器是否 會飽和以及差動保護是否會誤動作。如計算結果顯示電流互感器確會因較大穿越電流而飽 和，則應更換更大容量的電

8、流互感器， 或將電流互感器二次回路的電纜截面加粗， 以減小二 次負載的阻抗，保證差動保護的可靠性。1. 電流互感器的飽和前面我們講到電流互感器的誤差主要是由勵磁電流 Ie 引起的。正常運行時由 于勵磁阻抗較大，因此Ie很小，以至于這種誤差是可以忽略的。但當CT飽和時， 飽和程度越嚴重， 勵磁阻抗越小， 勵磁電流極大的增大， 使互感器的誤差成倍的 增大，影響保護的正確動作。 最嚴重時會使一次電流全部變成勵磁電流， 造成二 次電流為零的情況。 引起互感器飽和的原因一般為電流過大或電流中含有大量的 非周期分量， 這兩種情況都是發(fā)生在事故情況下的， 這時本來要求保護正確動作 快速切除故障，但如果互感器

9、飽和就很容易造成誤差過大引起保護的不正確動 作，進一步影響系統(tǒng)安全。因此對于電流互感器飽和的問題我們必須認真對待。 互感器的飽和問題如果進行詳細分析是非常復雜的，因此這里僅進行定性分析。 所謂互感器的飽和， 實際上講的是互感器鐵心的飽和。 我們知道互感器之所以能 傳變電流， 就是因為一次電流在鐵芯中產生了磁通， 進而在纏繞在同一鐵芯中上 的二次繞組中產生電動勢 U = 4.44f*N*B*S X 10-8。式中f為系統(tǒng)頻率，HZ; N 為二次繞組匝數(shù)； S 為鐵芯截面積， m2； B 為鐵芯中的磁通密度。如果此時二次 回路為通路， 則將產生二次電流， 完成電流在一二次繞組中的傳變。 而當鐵芯中

10、 的磁通密度達到飽和點后， B 隨勵磁電流或是磁場強度的變化趨于不明顯。 也就 是說在N,S,f確定的情況下，二次感應電勢將基本維持不變，因此二次電流也將 基本不變， 一二次電流按比例傳變的特性改變了。 我們知道互感器的飽和的實質 是鐵芯中的磁通密度 B 過大，超過了飽和點造成的。而鐵芯中磁通的多少決定 于建立該磁通的電流的大小，也就是勵磁電流 Ie的大小。當Ie過大引起磁通密 度過大，將使鐵芯趨于飽和。 而此時互感器的勵磁阻抗會顯著下降， 從而造成勵 磁電流的再增大， 于是又進一步加劇了磁通的增加和鐵芯的飽和， 這其實是一個 惡性循環(huán)的過程。從圖1中我們可以看到，Xe的減小和Ie的增加，將表

11、現(xiàn)為互 感器誤差的增大，以至于影響正常的工作。鐵芯的飽和我們可以一般可以分成兩種情況來了解。 其一是穩(wěn)態(tài)飽和， 其二 為暫態(tài)飽和。對于穩(wěn)態(tài)飽和，我們可以借助圖一進行分析。在圖中我們可以知道，Ie和二次電流Is是按比例分流的關系。我們假設勵磁阻抗 Ze不變。當一次電流由于發(fā) 生事故等原因增大時，Ie也必然會按比例增大，于是鐵芯磁通增加。如果一次電 流過大，也會引起Ie的過大，從而又會走入上面我們所說的那種循環(huán)里去，進 而造成互感器飽和。暫態(tài)飽和，是指發(fā)生在故障暫態(tài)過程中，由暫態(tài)分量引起的互感器飽和。我 們知道，任何故障發(fā)生時， 電氣量都不是突變的。 故障量的出現(xiàn)必然會伴隨著或 多或少的非周期分量

12、。 而非周期分量， 特別是故障電流中的直流分量是不能在互 感器一二次間傳變的。 這些電流量將全部作為勵磁電流出現(xiàn)。 因此當事故發(fā)生時 伴有較大的暫態(tài)分量時，也會造成勵磁電流的增大，從而造成互感器飽和。4.1. 我們以 5P20，30VA 說明常見的對互感器的標識方法， 其中 5 為準確級（誤 差極限為5%）, P為互感器形式（保護級），20為準確限值系數(shù)（20倍的額 定電流）， 30VA 表示額定二次負荷（容量）。簡單的說就是互感器額定二次負 荷為30VA,額定電流下允許二次負載 Zb= Sb/12n2。二次額定電流為5A時，Sb =25Zb;二次額定電流為1A時，Sb= Zb。5P20表示，

13、在20倍的額定電流下互 感器誤差不超過 5%?；ジ衅鞫晤~定電流有 1A、5A 兩種。根據(jù) 4.6 的分析我們可以定性的分析 得知相同條件下二次額定電流為1A的互感器允許的二次負載比5A的互感器大。 因此對于新建設備有條件時宜選用二次額定電流為1A的互感器。盡量避免一個變電站內同一電壓等級的設備出現(xiàn)不同的二次額定電流， 以免引起公共保護 （比 如母線差動保護）整定的困難。防止電流互感器飽和的方法與措施一）限制短路電流 在已建成中壓系統(tǒng)中可在較高一級的電壓等級中采取分列運行的方式 以限制短路電流。分列運行后造成的供電可靠性的降低可通過備用電源自動投入 等方式補救。在新建系統(tǒng)中短路電流過大可采取串

14、聯(lián)電抗器的做法來限制短路電 流。（二）增大保護級 TA 的變比 不能采用按負荷電流大小來確定保護級電流變比 ,必須用繼電保護裝置 安裝處可能出現(xiàn)的最大短路電流和互感器的負載能力與飽和倍數(shù)來確定 TA 的變 比。增大了保護級 TA 的變比后會給繼電保護裝置的運行帶來一些負面影響 , 主要是不利于TA二次回路和繼電保護裝置的運行監(jiān)視。例如：在10kV系統(tǒng)中， 一臺 400 kVA 的站用變壓器 （這個容量已相當大了 ）,帶 60%負荷運行時的電流為 13.8 A,按最大短路電流核算選取的保護級電流互感器變比為600/5則折算到二次側的負荷電流僅有0.115A。對于額定輸入電流為5A的繼電器來講，這

15、個電流 實在太小了 ,若發(fā)生二次回路斷線是難以監(jiān)視和判斷的。（三）減小電流互感器的二次負載1. 選用交流功耗小的繼電保護裝置一般的電磁型的電流差動繼電器的交流電流功耗每回路可達 8VA,而微 機型繼電器（如MDM-B1系列）的交流電流功耗每回路僅0.5VA,相差一個數(shù)量級, 應選用交流功耗小的繼電保護裝置。2. 盡可能將繼電保護裝置就地安裝TA 的負載主要是二次電纜的阻抗 ,將繼電保護裝置就地安裝 ,大大縮短 了二次電纜長度 ,減小了互感器的負擔 ,避免了飽和。另外,就地安裝后 ,還簡化了二 次回路,提高了供電可靠性。就地安裝方式對繼電保護裝置本身有更高的要求,特別是在惡劣氣候環(huán)境下運行的能力

16、和抗強電磁干擾的性能要好。3. 減小 TA 的二次額定電流由于TA的功耗與電流的平方成正比，因此將TA二次額定電流從5A降 至1A,在負載阻抗不變的情況下，相應的二次回路功耗降低了 25倍,互感器不容易 飽和。減小了 TA 的二次額定電流也會對繼電保護裝置產生負面影響。二次電 流減小后 ,必須提高繼電器的靈敏度 ,而靈敏度和抗干擾能力是一對矛盾。對于就 地安裝的繼電保護裝置 ,由于二次電流電纜的長度很短 ,現(xiàn)場的電磁干擾水平又比 較高，仍以選用二次額定電流為5A的互感器為好。（四）采用杭飽和能力強的繼電保護裝置1. 采用對電流飽和不敏感的保護原理或保護判據(jù)例如 ,采用相位判別原理的繼電器比采用

17、幅值判別原理的繼電器的抗TA飽和的性能要好 ,因為即使在嚴重飽和狀態(tài) ,正確地恢復電流的相位還是比較容易 的;又如 ,采用負序過電流判據(jù)比采用正相過電流判據(jù)的抗飽和性能要好 ,因為飽 和狀態(tài)下剩余電流的負序分量相對于靈敏的負序電流整定值是足夠大的。當然 , 負序電流保護存在著 TA 二次回路斷線時容易誤動作、三相對稱故障時會拒動、 不易整定配合的缺點 ,要增加附加判據(jù)來克服。2. 用對 TA 飽和不敏感的數(shù)字式保護裝置如前所述 ,瞬時值判別比平均值判別或有效值判別的抗 TA 飽和的性能要 好。對于帶時限的保護 ,電流的非周期分量對繼電器的動作正確性和準確性的影 響不大,采用全電流判別比采用工頻分量判別的抗 TA 飽和性能要好。3. 有效地利用電流不飽和段的信息TA 在電流換向后的一段時間內不飽和 ,在短路開始的 1/4 周期內也不飽 和 ,可以有效地加以利用。 采用快速保護判據(jù) ,在電流飽和前就正確地作出判斷 （例 如高阻抗電流差動繼電器 ）是一種典型的抗 TA 飽和做法。采用貯能電容或無源 低通濾波器對飽和電流波形進行削峰填谷以縮小電流波形的間斷角也是一種簡 單有效的辦法。電流互感器飽和對保護的影響1、對電流保護的影響電流保護的判據(jù)： Ij 大于 Iz式中 Ij 為流入繼電器的短路電流二次值， Iz 為電流