CT飽和引起變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的分析與對(duì)策

1、CT 飽和引起變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的分析與對(duì)策鄭小敏,劉會(huì)金, 劉霞忠,劉曉芳(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北武漢430072摘要:對(duì)電流互感器(CT 飽和后變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了分析,并在對(duì)各種傳統(tǒng)的防治CT 飽和措施分析的基礎(chǔ)上,提出采用Rogowski 線圈作傳感頭解決CT 飽和的新方法?；赗ogowski 線圈的電子式電流互感器以其線性度好、無磁飽和、頻帶寬、高精度和高可靠性等特點(diǎn),成為傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)用CT 的理想替代品。關(guān)鍵詞:CT 飽和;變壓器差動(dòng)保護(hù);Rogowski 線圈中圖分類號(hào):T M772文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100324897(200508200612030引言在電

2、力系統(tǒng)中,互感器是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)元件,用以分別向測量儀表和繼電器的電流線圈和電壓線圈供電,以監(jiān)測和控制電氣設(shè)備的正常運(yùn)行和故障情況。傳統(tǒng)的電流測量是通過應(yīng)用電磁感應(yīng)原理構(gòu)成的電流互感器(CT 實(shí)現(xiàn)的。隨著現(xiàn)代電力向高電壓大容量方向發(fā)展,對(duì)電力系統(tǒng)起保護(hù)和監(jiān)控作用的CT 提出了小型化、自動(dòng)化和高可靠性的要求,傳統(tǒng)的電磁式CT 已經(jīng)越來越不能適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)。故障時(shí)CT 飽和產(chǎn)生的差流往往造成變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作,如何有效地防治因CT 飽和引起的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng),多年來一直未能得到很好的解決。1CT 飽和后差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)機(jī)理分析差動(dòng)保護(hù)原理于1904年由C .H.Merz 和B.Price

3、在英國提出,盡管其實(shí)現(xiàn)方式特別是制動(dòng)量的構(gòu)成存在一些差別,但基本原理沿用至今,對(duì)雙繞組變壓器實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的單相原理接線如圖1所示1,比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)的典型動(dòng)作判據(jù)是:差動(dòng)電流I d =|I 1+I 2|(1制動(dòng)電流I z =0.5(|I 1|+|I 2|(2動(dòng)作判據(jù)I d >I dz .0,當(dāng)I z I z .0(3I d >I dz .0+K z (I z -I z .0,當(dāng)I z >I z .0(4式中:I 1、I 2為兩側(cè)電流相量(均以流入為正向;I dz .0為最小動(dòng)作電流;I z .0為最小制動(dòng)電流;K z 為差動(dòng)保護(hù)的斜率。從CT 的暫態(tài)傳變特性知,在外部故障、

4、空載合閘或故障切除電壓恢復(fù)的暫態(tài)過程中, 伴隨工頻交圖1雙繞組變壓器差動(dòng)保護(hù)的單相原理接線Fig .1Single 2phase p rinci p le connecti on of the double 2winding transfor mer differential p r otecti on流的非周期分量和諧波分量電流將使變壓器差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)不同型的CT,由于嚴(yán)重的非線性飽和特性不一致,縱然一次電流各側(cè)之和6I i =0,但二次電流諸側(cè)之和6I i 0,造成差動(dòng)電流I d 增大,與此同時(shí)反映6|I i |的制動(dòng)電流I z 卻因CT 嚴(yán)重飽和而減小,這就構(gòu)成了差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的基本條件。2

5、防治CT 飽和的傳統(tǒng)對(duì)策傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)中,CT 飽和引起的暫態(tài)不平衡電流造成保護(hù)誤動(dòng)是一個(gè)需重點(diǎn)考慮的問題。從提高變壓器差動(dòng)保護(hù)的整體性能出發(fā),需要采取綜合對(duì)策來防治CT 飽和,本文歸納如下:1選擇適當(dāng)?shù)腃T 和減少二次負(fù)載阻抗CT 飽和其實(shí)就是CT 鐵芯中磁通飽和,而磁通密度與感應(yīng)電勢(shì)成正比。在同樣負(fù)載阻抗下,CT 二次回路感應(yīng)電勢(shì)與二次電流成正比,或在同樣電流下,感應(yīng)電勢(shì)與二次負(fù)載阻抗成正比。因此,避免CT 飽和主要從兩個(gè)方面入手,一是在選擇CT 時(shí),適當(dāng)增大CT 的變比,即增大一次額定電流;另一方面要盡量減少CT 二次負(fù)載阻抗,盡量避免保護(hù)和計(jì)量共16第33卷第8期2005年4月16日繼電

6、器RE LAYVol .33No .8Ap r .16,2005用CT,縮短CT二次電纜長度及加大二次電纜截面。2差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)特性選擇針對(duì)CT飽和時(shí)制動(dòng)電流減小的特點(diǎn),比率制動(dòng)判據(jù)可按制動(dòng)電流的大小分別采用不同的制動(dòng)系數(shù),即多段折線型比率制動(dòng)特性。在制動(dòng)曲線中,小電流區(qū)域采用較小的制動(dòng)系數(shù),大電流區(qū)域采用大的制動(dòng)系數(shù),這樣當(dāng)CT出現(xiàn)飽和時(shí),制動(dòng)量較大,動(dòng)作區(qū)變小,可以防止區(qū)外故障時(shí)因CT飽和引起保護(hù)誤動(dòng)。3CT飽和的鑒別理論證明2,當(dāng)發(fā)生區(qū)外短路故障時(shí)CT不會(huì)立即飽和,外部短路后的暫態(tài)不平衡電流不會(huì)立即出現(xiàn)。而當(dāng)變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),一開始差動(dòng)電流很大。因此,利用差動(dòng)電流出現(xiàn)時(shí)刻和故障發(fā)生時(shí)

7、刻的不同,來區(qū)分是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障,從而有效地防止外部短路時(shí)由于CT飽和而引起的暫態(tài)不平衡電流造成的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。3Rogow ski線圈在變壓器差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用目前,對(duì)于變壓器差動(dòng)保護(hù)由于CT飽和等因素引起的動(dòng)作正確率偏低的問題,采取了一系列的反措措施,但并沒有完全解決問題。如果CT的暫態(tài)傳變特性與一致性都很好,就不存在CT飽和造成的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的問題。隨著計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)絹碓蕉嗟厥褂肦ogow ski線圈測量電流3,Rogow ski線圈作傳感頭能很好地解決CT飽和的問題。Rogow ski線圈實(shí)際上是一種結(jié)構(gòu)特殊的空心線圈4,是在一根截面細(xì)小而又均勻的非磁性材料上均勻密

8、繞若干層線圈而成,根據(jù)被測電流的變化在其中感應(yīng)信號(hào)以反映被測電流。理論證明5,測量線圈所交鏈的磁鏈與被測電流存在線性關(guān)系。其特點(diǎn)在于被測電流幾乎不受限制,反映速度快,可以測量前沿上升時(shí)間為毫微秒級(jí)的電流,且準(zhǔn)確度可高達(dá)0.1%。從測量大電流的觀點(diǎn)來看,Rogow sk i線圈是一種較理想的敏感元件。用Rogow ski線圈測量電流時(shí),應(yīng)特別注意來自測量對(duì)象的干擾。為此,測量線圈的引出線必須采用絞線,以避免構(gòu)成任何不必要的回路;為了防止來自電源的干擾,測試儀器電源輸入端應(yīng)接高頻濾波器;為了消除雜散電場的影響,在繞有測量線圈的瓷棒上用開口的薄銅管加以屏蔽。實(shí)際應(yīng)用中,進(jìn)行了Rogow ski線圈作

9、傳感頭的電子式電流互感器的研究6。大電流發(fā)生器的額定輸入輸出為220V/1500A,對(duì)電子式電流互感器進(jìn)行了101400A的大電流測試,試驗(yàn)電路如圖2所示,Rogow ski線圈的輸出特性如圖3所示。圖2線性度測試實(shí)驗(yàn)電路Fig.2Experi mental circuit for linearity test圖3Rogowski線圈線性度曲線Fig.3L inearity curve of Rogow ski coil由圖3可見Rogow ski線圈的線性度良好,很適合作繼電保護(hù)用電流傳感器。對(duì)于電力系統(tǒng)的故障過程,Rogow ski線圈能真實(shí)地輸出其原方波形,不會(huì)產(chǎn)生任何波形畸變;利用Ro

10、gow ski線圈作為繼電保護(hù)的電流信號(hào)的采樣是完全可行的。4結(jié)論隨著超高壓電網(wǎng)的日益發(fā)展以及新的保護(hù)原理和方法的不斷應(yīng)用,對(duì)CT的要求越來越高,CT飽和問題和傳統(tǒng)的電流取樣方式已難以滿足系統(tǒng)的要求。微機(jī)在繼電保護(hù)和測量中的廣泛應(yīng)用,使得設(shè)備不再需要高功率輸出的電流傳感器。因此,低功率輸出的Rogow ski線圈可以作為電流傳感器。Rogow sk i 線圈無鐵芯,不存在磁飽和現(xiàn)象,能根本解決CT飽和的問題。基于Rogow ski線圈的電子式電流互感器是集電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)為一體的新型光學(xué)電流互感器,其高精度、高可靠性、寬頻帶等特點(diǎn)將逐漸成為傳統(tǒng)電磁式CT的替代品。參考文獻(xiàn):1陳曾田.電力變壓

11、器保護(hù)(第二版M.北京:水利電力出版社,1989.CHE N Zeng2tian.Pr otecti on of Electric Po wer Transf or mer,Second EditionM.Beijing:Hydraulic and ElectricPower Press,1989.26繼電器2王維儉,侯炳蘊(yùn).大型機(jī)組繼電保護(hù)理論基礎(chǔ)(第二版M .北京:水利電力出版社,1989.WANG W ei 2jian,HOU B ing 2yun .The TheoreticalFoundation of Large 2scale Generator 2transfor mer Set

12、Relays,Second EditionM .Beijing:Hydraulic andElectric Power Press,1989.3Kojovic L A.Rogow ski Coils Suit Relay Protection andM easurementJ .IEEE Computer App lication andElectric Power,1997,10:47252.4揭秉信.大電流測量M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987.J IE B ing 2xin .B ig Current M easurementM .Beijing:China M achine Pres

13、s,1987.5HeumamnK .M agneticPotentiometerofH ighPrecisionJ .IEEE Trans on I M ,1966,15(4:2422250.6王群峰,劉會(huì)金,陳允平,等.混合式光電電流量測系統(tǒng)的研究J .中國農(nóng)村水利水電,2002,(12:73275.WANG Qun 2feng,L I U Hui 2jin,CHEN Yun 2p ing,et al .The Research of Hybrid Op tical Current M easurement System J .China Country W ater Power Press

14、,2002,(12:73275.收稿日期:2004207228;修回日期:2004208209作者簡介:鄭小敏(1979-,男,碩士研究生,從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制等方面的研究;E 2mail:zx m7985sohu .com劉會(huì)金(1952-,男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)自動(dòng)化等方面的研究;劉霞忠(1979-,男,碩士研究生,從事靈活交流輸電系統(tǒng)等方面的研究。Ana lysis and coun ter m ea sure of tran sfor m er d i fferen ti a l protecti on ma lfuncti on due to CT s a

15、 tura ti onZHE NG Xiao 2m in,L I U Hui 2jin,L I U Xia 2zhong,L I U Xiao 2fang (School of Electrical Engineering,W uhan University,W uhan 430072,China Abstract:By analyzing the mechanis m of transfor mer differential p r otecti on malfuncti on after current transfor mer (CT saturated,on the basis of

16、analyzing vari ous traditi onal counter measures of CT saturati on,this paper puts for ward a ne w method of using Rogowski coils as sens or t o s olve the CT saturati on p r oblem.The electr onic current transf or mer based on Rogowski coils will become the perfect substi 2tute for the traditi onal

17、 CT differential p r otecti on beacause of its good linearity,no magnetic saturati on,wide range frequency,high p reci 2si on and reliability,etc .Key words:CT saturati on;transf or mer differential p r otecti on;Rogowski coils(上接第46頁continued fr om page 462伍葉凱,鄒東霞.適用于輸電線路的單片機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)J .繼電器,1996,24(4

18、:21225.WU Ye 2kai,Z OU Dong 2xia .SC M 2based I nverse Overcur 2rent Pr otecti on App lied in Trans m issi on L ine J .Relay,1996,24(4:21225.3劉為,范春菊,等.配電網(wǎng)輸電線路反時(shí)限過流保護(hù)探討J .繼電器,2003,31(3:23225.L I U W ei,F AN Chun 2ju,et al .D iscussi on of I nverseOvercurrent Pr otecti on f or Trans m issi on L ine in

19、 D istribu 2ti on Syste m J .Relay,2003,31(3:23225.收稿日期:2004207226;修回日期:2004208224作者簡介:嚴(yán)支斌(1978-,男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及安全穩(wěn)定控制;E 2mail:hustzbyan尹項(xiàng)根(1954-,男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù),變電站綜合自動(dòng)化及安全穩(wěn)定控制。Research on curve character isti cs and a lgor ith m s of new d i g it a l i n verse 2ti m e overcurren t

20、protecti onY AN Zhi 2bin,YI N Xiang 2gen,SHAO De 2jun,L I U Ge 2m ing(College of Electrical &Electr onics Engineering,Huazhong University of Science &Technol ogy,W uhan 430074,China Abstract:To calculate the ti m e delay in inverse 2ti m e overcurrent p r otecti on,the traditi onal inverse 2ti m e overcurrent curve has disad 2vantages in cooperating