電流互感器飽和問(wèn)題

1、電流互感器飽和引起的保護(hù)誤動(dòng)分析及試驗(yàn)方法近年來(lái)，廣東省內(nèi)多個(gè)發(fā)電廠出現(xiàn)過(guò)高壓廠用變壓器或起動(dòng)-備用變壓器在區(qū)外故障時(shí)或廠用大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的情況。究其原因，除個(gè)別是因?yàn)檎ㄖ档膯?wèn)題外，大多數(shù)是因電流互感器特性不理想甚至飽和而導(dǎo)致的。眾所周知，設(shè)計(jì)規(guī)程中對(duì)電流互感器的選型有嚴(yán)格的規(guī)定，要求保護(hù)用的電流互感器在通過(guò)15倍甚至是20倍額定電流的情況下，誤差不超過(guò)5%或10%，即不出現(xiàn)飽和。而上面提及的出現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的情況，無(wú)一例外地都選用了保護(hù)級(jí)的電流互感器。經(jīng)過(guò)對(duì)幾個(gè)電廠的大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的核算，最大容量的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電流大概是變壓器額定電流的35倍，遠(yuǎn)達(dá)不到電流互感器額定

2、電流的15倍。那為什么差動(dòng)保護(hù)還會(huì)因?yàn)殡娏骰ジ衅黠柡投`動(dòng)呢？下面就電流互感器的工作原理、工作特性對(duì)保護(hù)的影響及其檢驗(yàn)方法進(jìn)行探討。1電流互感器工作原理簡(jiǎn)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(fù)載阻抗，其 次側(cè)的參量。正常運(yùn)行時(shí)，漏抗 Z1和Z2很小，負(fù)載阻抗 ZL也很小，而勵(lì)磁阻抗 Zm因?yàn)殡娏骰ジ?器鐵心磁通不飽和而很大。因此，可忽略勵(lì)磁電流Im。根據(jù)磁勢(shì)平衡原理，原、副方電流成固定的比例關(guān)系為其中N1和N2分別為原、副方繞

3、組匝數(shù)。當(dāng)鐵心磁通密度增大至飽和時(shí)，勵(lì)磁阻抗Zm會(huì)隨著飽和的程度而大幅下降。此時(shí)Im已不可忽略，即I1與I2不再是線性的比例關(guān)系。電流互感器飽和的原因有兩種 2:是一次電流過(guò)大引起鐵心磁通密度過(guò)大；二是二 次負(fù)載(即ZL)過(guò)大，在同樣的一次電流下，要求二次側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值與磁通的關(guān)系為2確定電流互感器飽和點(diǎn)的方法要研究電流互感器的工作特性，確認(rèn)其在保護(hù)外部故障通過(guò)大電流時(shí)是否會(huì)飽和而影響 保護(hù)動(dòng)作的正確性，可通過(guò)一些試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)。顯然，最直接的試驗(yàn)方法就是二次側(cè)帶實(shí)際負(fù)載，從一次側(cè)通入電流， 觀察二次電流找出電

4、流互感器的飽和點(diǎn)。但是，對(duì)于保護(hù)級(jí)的電流互感器，其飽和點(diǎn)可能超過(guò)1520倍額定電流，當(dāng)電流互感器變比較大時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)會(huì)有困難。除此之外，還可通過(guò)伏安特性試驗(yàn)測(cè)出電流互感器的飽和點(diǎn)。如前所述，電流互感器飽和是由于鐵心磁通密度過(guò)大造成的，而鐵心的磁通密度又可通過(guò)電流互感器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反映出來(lái)。因此由伏安特性曲線上的飽和電壓值，通過(guò)式3 (1)可以計(jì)算出電流互感器的飽和電流。伏安特性的試驗(yàn)方法為：原方開(kāi)路，從副方通入電流，測(cè)量副方繞組上的電壓降。由于電流互感器的原方開(kāi)路，沒(méi)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(huì)飽和。因此，伏安特性試驗(yàn)并不需要加很大的電流，在現(xiàn)場(chǎng)較容易實(shí)

5、現(xiàn)。3試驗(yàn)以一次電流互感器的試驗(yàn)為例，說(shuō)明通過(guò)伏安特性試驗(yàn)確定電流互感器飽和點(diǎn)的方法。試驗(yàn)的電流互感器的額定變比為300 A /5 A，二次額定負(fù)載為 0.2 Q。3.1電流互感器變比試驗(yàn)用電阻約為0.2Q的導(dǎo)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(yàn)中除測(cè)量原、副方電流外， 同時(shí)測(cè)量副方繞組的端口電壓。試 驗(yàn)接線如圖 2，其中的電壓表為高內(nèi)阻表。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，圖 3是根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)所描的曲線。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)一次電流達(dá)到 800 A（2.67In ）時(shí)，電流互感器開(kāi)始飽和，此時(shí)副 方的端口電壓為 3.7 V 。3.2 電流互感器伏安特性試驗(yàn)電流

6、互感器原方開(kāi)路， 從副方繞組通入電流， 測(cè)量副方繞組上的電壓降。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(dòng)勢(shì)Esat約為V。亦即該電流互感器在帶約0.3Q負(fù)載時(shí)，未計(jì)電流互感器內(nèi)阻Z2，其飽和電流倍數(shù)約為 4 V/（0.3 QX 5 A）=2.76。此計(jì)算的飽和倍數(shù)與電流互感 器變比試驗(yàn)的數(shù)據(jù)是吻合的， 伏安特性試驗(yàn)飽和時(shí)的端口電壓比變比試驗(yàn)的飽和電壓略高是 因?yàn)楹笳哂须娏骰ジ衅鲀?nèi)阻（Z2）分壓導(dǎo)致的。由上述試驗(yàn)可知，通過(guò)伏安特性試驗(yàn)找到電流互感器的飽和電勢(shì)E2 后，可由式（ 1）算出飽和電流，此時(shí) ZL 為電流互感器二次回路上實(shí)際的負(fù)載阻抗， Z2 可近似看成是電

7、流 互感器的內(nèi)阻。 該內(nèi)阻數(shù)據(jù)可由生產(chǎn)廠家提供， 也可按變壓器短路阻抗的試驗(yàn)方法測(cè)得。 顯 然，對(duì)于同樣的電流互感器參數(shù)，負(fù)載阻抗越大，其飽和電流的倍數(shù)就越小。4 結(jié)論為了避免變壓器差動(dòng)保護(hù)的電流互感器在區(qū)外故障時(shí)或大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)因電流過(guò) 大出現(xiàn)飽和而導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作， 除了在設(shè)備選型上要確保選用容量足夠的保護(hù)級(jí)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(chǎng)實(shí)測(cè)的電流互感器二次回路負(fù)載阻抗計(jì) 算出電流互感器的飽和點(diǎn)， 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(huì)飽和以及差動(dòng)保護(hù)是否會(huì)誤動(dòng)作。如計(jì)算結(jié)果顯示電流互感器確會(huì)因較大穿越電流而飽 和，則應(yīng)更換更大容量的電

8、流互感器， 或?qū)㈦娏骰ジ衅鞫位芈返碾娎|截面加粗， 以減小二 次負(fù)載的阻抗，保證差動(dòng)保護(hù)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(lì)磁電流 Ie 引起的。正常運(yùn)行時(shí)由 于勵(lì)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(dāng)CT飽和時(shí)， 飽和程度越嚴(yán)重， 勵(lì)磁阻抗越小， 勵(lì)磁電流極大的增大， 使互感器的誤差成倍的 增大，影響保護(hù)的正確動(dòng)作。 最嚴(yán)重時(shí)會(huì)使一次電流全部變成勵(lì)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(guò)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(shí)本來(lái)要求保護(hù)正確動(dòng)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(guò)大引起保護(hù)的不正確動(dòng) 作，進(jìn)一步影響系統(tǒng)安全。因此對(duì)于電流互感器飽和的問(wèn)題我們必須認(rèn)真對(duì)待。 互感器的飽和問(wèn)題如果進(jìn)行詳細(xì)分析是非常復(fù)雜的，因此這里僅進(jìn)行定性分析。 所謂互感器的飽和， 實(shí)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?yàn)橐淮坞娏髟阼F芯中產(chǎn)生了磁通， 進(jìn)而在纏繞在同一鐵芯中上 的二次繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 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(shí)二次 回路為通路， 則將產(chǎn)生二次電流， 完成電流在一二次繞組中的傳變。 而當(dāng)鐵芯中

10、 的磁通密度達(dá)到飽和點(diǎn)后， B 隨勵(lì)磁電流或是磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨于不明顯。 也就 是說(shuō)在N,S,f確定的情況下，二次感應(yīng)電勢(shì)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(shí)質(zhì) 是鐵芯中的磁通密度 B 過(guò)大，超過(guò)了飽和點(diǎn)造成的。而鐵芯中磁通的多少?zèng)Q定 于建立該磁通的電流的大小，也就是勵(lì)磁電流 Ie的大小。當(dāng)Ie過(guò)大引起磁通密 度過(guò)大，將使鐵芯趨于飽和。 而此時(shí)互感器的勵(lì)磁阻抗會(huì)顯著下降， 從而造成勵(lì) 磁電流的再增大， 于是又進(jìn)一步加劇了磁通的增加和鐵芯的飽和， 這其實(shí)是一個(gè) 惡性循環(huán)的過(guò)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(lái)了解。 其一是穩(wěn)態(tài)飽和， 其二 為暫態(tài)飽和。對(duì)于穩(wěn)態(tài)飽和，我們可以借助圖一進(jìn)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(guān)系。我們假設(shè)勵(lì)磁阻抗 Ze不變。當(dāng)一次電流由于發(fā) 生事故等原因增大時(shí)，Ie也必然會(huì)按比例增大，于是鐵芯磁通增加。如果一次電 流過(guò)大，也會(huì)引起Ie的過(guò)大，從而又會(huì)走入上面我們所說(shuō)的那種循環(huán)里去，進(jìn) 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(guò)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(shí)， 電氣量都不是突變的。 故障量的出現(xiàn)必然會(huì)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(lì)磁電流出現(xiàn)。 因此當(dāng)事故發(fā)生時(shí) 伴有較大的暫態(tài)分量時(shí)，也會(huì)造成勵(lì)磁電流的增大，從而造成互感器飽和。4.1. 我們以 5P20，30VA 說(shuō)明常見(jiàn)的對(duì)互感器的標(biāo)識(shí)方法， 其中 5 為準(zhǔn)確級(jí)（誤 差極限為5%）, P為互感器形式（保護(hù)級(jí)），20為準(zhǔn)確限值系數(shù)（20倍的額 定電流）， 30VA 表示額定二次負(fù)荷（容量）。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是互感器額定二次負(fù) 荷為30VA,額定電流下允許二次負(fù)載 Zb= Sb/12n2。二次額定電流為5A時(shí)，Sb =25Zb;二次額定電流為1A時(shí)，Sb= Zb。5P20表示，

13、在20倍的額定電流下互 感器誤差不超過(guò) 5%。互感器二次額定電流有 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(fù)載比5A的互感器大。 因此對(duì)于新建設(shè)備有條件時(shí)宜選用二次額定電流為1A的互感器。盡量避免一個(gè)變電站內(nèi)同一電壓等級(jí)的設(shè)備出現(xiàn)不同的二次額定電流， 以免引起公共保護(hù) （比 如母線差動(dòng)保護(hù)）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(jí)的電壓等級(jí)中采取分列運(yùn)行的方式 以限制短路電流。分列運(yùn)行后造成的供電可靠性的降低可通過(guò)備用電源自動(dòng)投入 等方式補(bǔ)救。在新建系統(tǒng)中短路電流過(guò)大可采取串

14、聯(lián)電抗器的做法來(lái)限制短路電 流。（二）增大保護(hù)級(jí) TA 的變比 不能采用按負(fù)荷電流大小來(lái)確定保護(hù)級(jí)電流變比 ,必須用繼電保護(hù)裝置 安裝處可能出現(xiàn)的最大短路電流和互感器的負(fù)載能力與飽和倍數(shù)來(lái)確定 TA 的變 比。增大了保護(hù)級(jí) TA 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 , 主要是不利于TA二次回路和繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行監(jiān)視。例如：在10kV系統(tǒng)中， 一臺(tái) 400 kVA 的站用變壓器 （這個(gè)容量已相當(dāng)大了 ）,帶 60%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的電流為 13.8 A,按最大短路電流核算選取的保護(hù)級(jí)電流互感器變比為600/5則折算到二次側(cè)的負(fù)荷電流僅有0.115A。對(duì)于額定輸入電流為5A的繼電器來(lái)講，這

15、個(gè)電流 實(shí)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(fù)載1. 選用交流功耗小的繼電保護(hù)裝置一般的電磁型的電流差動(dòng)繼電器的交流電流功耗每回路可達(dá) 8VA,而微 機(jī)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(gè)數(shù)量級(jí), 應(yīng)選用交流功耗小的繼電保護(hù)裝置。2. 盡可能將繼電保護(hù)裝置就地安裝TA 的負(fù)載主要是二次電纜的阻抗 ,將繼電保護(hù)裝置就地安裝 ,大大縮短 了二次電纜長(zhǎng)度 ,減小了互感器的負(fù)擔(dān) ,避免了飽和。另外,就地安裝后 ,還簡(jiǎn)化了二 次回路,提高了供電可靠性。就地安裝方式對(duì)繼電保護(hù)裝置本身有更高的要求,特別是在惡劣氣候環(huán)境下運(yùn)行的能力

16、和抗強(qiáng)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(fù)載阻抗不變的情況下，相應(yīng)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(huì)對(duì)繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生負(fù)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(duì)矛盾。對(duì)于就 地安裝的繼電保護(hù)裝置 ,由于二次電流電纜的長(zhǎng)度很短 ,現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)的繼電保護(hù)裝置1. 采用對(duì)電流飽和不敏感的保護(hù)原理或保護(hù)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?yàn)榧词乖趪?yán)重飽和狀態(tài) ,正確地恢復(fù)電流的相位還是比較容易 的;又如 ,采用負(fù)序過(guò)電流判據(jù)比采用正相過(guò)電流判據(jù)的抗飽和性能要好 ,因?yàn)轱?和狀態(tài)下剩余電流的負(fù)序分量相對(duì)于靈敏的負(fù)序電流整定值是足夠大的。當(dāng)然 , 負(fù)序電流保護(hù)存在著 TA 二次回路斷線時(shí)容易誤動(dòng)作、三相對(duì)稱故障時(shí)會(huì)拒動(dòng)、 不易整定配合的缺點(diǎn) ,要增加附加判據(jù)來(lái)克服。2. 用對(duì) TA 飽和不敏感的數(shù)字式保護(hù)裝置如前所述 ,瞬時(shí)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(duì)于帶時(shí)限的保護(hù) ,電流的非周期分量對(duì)繼電器的動(dòng)作正確性和準(zhǔn)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(shí)間內(nèi)不飽和 ,在短路開(kāi)始的 1/4 周期內(nèi)也不飽 和 ,可以有效地加以利用。 采用快速保護(hù)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(dòng)繼電器 ）是一種典型的抗 TA 飽和做法。采用貯能電容或無(wú)源 低通濾波器對(duì)飽和電流波形進(jìn)行削峰填谷以縮小電流波形的間斷角也是一種簡(jiǎn) 單有效的辦法。電流互感器飽和對(duì)保護(hù)的影響1、對(duì)電流保護(hù)的影響電流保護(hù)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