電流互感器飽和特性分析與仿真_圖文

1、2006年第 3期 1劉小寶 , 蔣 平 (東南大學(xué) , 江蘇 南京 0引言電流互感器飽和一直是影響電力系統(tǒng)保護(hù)裝置正確動作的重要問題 , 常見的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)飽和主要是因為一次電流值太大 , 進(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 因為大量非周期分量的存在 , 進(jìn)入了電流互 感器飽和區(qū)域 , 對于這兩種情況本文給出了 具體的分析 。由于電流互感器二次側(cè)負(fù)載的不同也會影 響飽和特性 , 本文針對二次側(cè)的不同負(fù)載情 況 , 對穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)飽和情況進(jìn)行了分析 , 并 利用 AT P 的暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行仿真

2、 , 給出了 不同情況下的輸出波形 , 從而為研究飽和問 題提供了依據(jù) 。 1電流互感器的穩(wěn)態(tài)飽和特性分析為了便于分析 , 假設(shè)電流互感器的勵磁特 性如圖 1所示 , 同時假設(shè)鐵心的損耗可以忽略 不計 , 在鐵心飽和前 , 勵磁電流的磁化分量為 零 , 一次電流與二次電流完全成比例 , i s =i p /K n , 達(dá)到飽和后磁通不再增加 , 飽和后則不 再產(chǎn)生電動勢 。圖 1電流互感器的理想勵磁特征浙 江 電 力ZHE J IANG E LECT RIC POWERAnal y sis and Simulation on SaturationCharacteristics of Curre

3、nt Transformer電流互感器飽和特性分析與仿真摘要 :, 所以需要對電流互感器飽和情況 進(jìn)行深入的研究 , , , 針 。關(guān)鍵詞 :; ; 暫態(tài)仿真 ; 電磁暫態(tài)程序Abstract :T he saturation of CT has g reat influence on the p erform ance of the p rotection. T o ensure the rela y in g p rotections o p eratin g correctl y under transient saturation circumstance ,w e should m

4、akedee p research on the saturation craracteristics of CT and anal y ze the saturated current sha p e. Atthe sam e tim e different t yp e loads havin g effect on the saturation characteristics of current trans 2 form er ,w e anal y ze and simulate the saturation characteristics of current transform

5、er based on differ 2 ent t yp e load in this p a p er.K e y w ord :current transform er ;saturation ;transisent simulation ;alternative transient p ro g ram中圖分類號 :T M 482文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1007-1881(2006 03-0001-042006年第 3期2浙 江 電 力 圖 2二次側(cè)負(fù)載為電阻穩(wěn)態(tài)飽和波形 (R =51. 1當(dāng)二次負(fù)載為純電阻在未飽和時產(chǎn)生的電動勢為 e s =i p R s /K n , 在穩(wěn)態(tài)

6、條件下 , 電動勢為 :e s =(I p m R s /K n sin t(1 如果在穩(wěn)態(tài)時磁通不飽和 , 則二次電流和 電動勢與一次電流相位相同 , 且磁通領(lǐng)先電 動勢 p i/2弧度 。如果穩(wěn)態(tài)時在磁通達(dá)到峰值 前鐵心已經(jīng)飽和 , 此時的磁通將保持在飽和 的水平而不再發(fā)生變化 , 磁通不再產(chǎn)生電動 勢 , 二次電流將立刻降為零 , 一次電流將用 于維持鐵心的飽和狀態(tài) , 并將一直維持到勵 磁電流降為零 。在一次電流為零時 , 動勢將反相 , 時的相同速率下降 , , 飽和磁通為 sat :=(1/N 2 2d t =sat -(I p m R s /N 2K n (1-cos t (2

7、該變化將一直持續(xù)到鐵心的再次反相達(dá)到 飽和 2, 使二次電流再次下降為零 , 并維持 該值到再次過零時 , 從而進(jìn)行重復(fù) , 這種情 況的一次 、二次電流如圖 2所示 , 表明電流 互感器帶電阻二次負(fù)荷發(fā)生飽和的一般影響 是二次電流的每半個波后沿被砍去一部分 。如果每個半波的鐵心未飽和的時間為 t 1, 按照上述的過程變化 , 則下一個半波的飽和 也在該時 刻 , 在 上 式 代 入 此 值 可 以 得 到 下 式 :sat =(I p m R s /2N 2K n (1-cos t 1 (3 該公式說明 , 在穩(wěn)態(tài)時 , 如果短路電流達(dá) 到額定準(zhǔn)確限值電流 4, 則鐵心磁通為上式所示 , 鐵

8、心此時處于臨界飽和狀態(tài) , 二次電 流的整個半波能夠復(fù)現(xiàn) , 如一次電流再次增 大 , 鐵心將處于過飽和狀態(tài) 。 1. 2當(dāng)二次負(fù)載為純電感在未飽和時 , 鐵心導(dǎo)磁率為無窮大且無損 耗 , 在飽和時二次繞組電流為 :i s =i p /K n =(I p m /K n sin t(4 二次電動勢為 :e s =L s d i s /d t p m s /K n cos t(5 :=(s d t(I p m L s /N 2K n sin t +k(6 :d t =(L s /N 2K n(d i p /d t (7由上式可知 :如半波發(fā)生飽和 , 則必定在 一次電流峰值前發(fā)生 , 在峰值時 ,

9、 若沒有發(fā) 生飽和 , 磁通的幅值開始下降 。在飽和的過 程中 , 二次電動勢為零 , 但感性負(fù)載會維持 二次電流為恒定值 (剛飽和的瞬間值 。飽和 發(fā)生后 , 一次電流繼續(xù)增大 , 提供過剩安匝 保持鐵心處于飽和狀態(tài) , 該狀態(tài)將一直持續(xù) 到電流降到達(dá)到飽和時的電流值 , 安匝數(shù)重 新為零 。此時鐵心退出飽和 , 為提供二次電 動勢 , 磁通向離開飽和點(diǎn)的方向運(yùn)動 。這個 過程在每個半波復(fù)現(xiàn) , 如圖 3所示 。1. 3當(dāng)二次負(fù)載為電阻和電感 當(dāng)未飽和時 :e s =(1/K n i p R s +L s (d i p /d t (8 =(1/N 2 e s d t =(1/N 2K n R

10、 s i p d t +L s i p (9圖 3二次側(cè)負(fù)載為電感穩(wěn)態(tài)飽和波形 (L =0. 08H 2006年第 3期 3 圖 5在 AT P 中搭建的電流互感器模型 圖 6非線性元件的勵磁曲線劉小寶 , 等 :電流互感器飽和特性分析與仿真 Ls t-T s-Ls t -t 當(dāng)飽和時 :e s =(1/K n i p R s +L s (d i p /d t =0(10 即 :i s =ke(11對于正弦 、穩(wěn)態(tài)一次電流情況 , 二次電流 應(yīng)是由上式的指數(shù)衰減分量和交流正弦分量 構(gòu)成 , 其中正弦部分的 :i s =i p /K n =(I p m /K n sin t(12 如一次電流為零

11、后的時間 t 1發(fā)生飽和 , 飽和的二次電流為 :i s =i p /K n =(I p m /K n sin t 1(13 這個電流不能突變 , 值為 :i s =(I p m / t 1(14 數(shù) , 鐵心維持飽和 e sin t 1=sin (t 1+t 2 , 飽和中止 , 其中 t 2為飽和的持續(xù)時間 。 在進(jìn)入下個半周 , 重復(fù)以上的過程 , 一次 、 二次的波形如圖 4所示 。1. 4電流互感器穩(wěn)態(tài)仿真分析AT P (選擇性暫態(tài)程序 是世界上應(yīng)用最廣 的數(shù)字式仿真電磁暫態(tài)及電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài) 的軟件 7。根據(jù)互感器的原理在 AT P 里進(jìn)行 建模 , 其中勵磁部分采用 98號基本勵

12、磁曲線 的靜態(tài)模型 , 在該模型里面需要輸入合適的 勵磁曲線 (需要輸入實際的勵磁曲線 , 該勵 磁模型沒有考慮磁滯回線的影響 , 建立的模 型如圖 5所示 , 在模型里面可以監(jiān)測一次電 流 、二次電流以及勵磁電流 。針對二次側(cè)不同的負(fù)載 :電阻負(fù)載 、電感負(fù)載以及電阻和電感的串連負(fù)荷 , 分別搭建 了模型 , 進(jìn)行了仿真 , 給出了各自的輸出飽 和波形 (為了更好的反映飽和特性 , 將二次電 流在 m atlab 里面轉(zhuǎn)換到了一次側(cè) 。勵磁曲線 如圖 6所示 , 仿真的結(jié)果如圖 2、 3、 4所示 , 從仿真的結(jié)果可知 :仿真結(jié)果與理論分析是 相符的 。該模型具有簡單 、直觀 , 計算速度

13、快的特點(diǎn) 。2暫態(tài)飽和特性的研究由于輸電線路的阻抗角接近 90°, 在電壓 瞬時值接近零時發(fā)生短路 , 短路電流中將會 出現(xiàn)最大非周期分量 , 將會引起互感器的飽 和 。在電壓瞬時值接近峰值時發(fā)生短路 , 一 次電流不會出現(xiàn)非周期分量 , 但在二次電流 中仍然會出現(xiàn)非周期分量 。分析暫態(tài)飽和過程中二次電流 , 可以分成 兩種情況 :(1 飽和磁通小于穩(wěn)態(tài)周期分量 , 一般在 第一個半波開始飽和 。(2 飽和磁通大于周期分量的磁通 , 但由圖 4二次側(cè)負(fù)載為電感和電阻的穩(wěn)態(tài)飽和波形(R =5, L =0. 08H 2006年第 3期 4圖 7二次側(cè)負(fù)載為電阻的暫態(tài)飽和波形 (R =5

14、圖 8二次側(cè)負(fù)載為電感的暫態(tài)飽和波形 (L =0. 08H 浙 江 電 力 于非周期分量導(dǎo)致飽和 , 此時 , 一般在短路 后幾個周波再開始飽和 。下面對這兩情況進(jìn) 行分析 。2. 1飽和磁通小于穩(wěn)態(tài)周期分量 2. 1. 1二次負(fù)荷為電阻情況當(dāng)鐵心飽和磁通小于正確傳變電流所需磁 通時 , 通常飽和將在一次電流第一個半波前 飽和 , 在暫態(tài)初始鐵心未飽和時 , 磁通將產(chǎn) 生二次電流所需的電動勢 。飽和時 , 磁通保 持恒定將 不 會 產(chǎn) 生 電 動 勢 , 二 次 電 流 將 為 零 , 飽和由一次繞組的安匝維持 , 直到一次 電流的第一個零點(diǎn)勵磁安匝才降為零 電流越大 , , , 磁通 , 和

15、到飽和時一致 。磁通變化將供給一次電流 相反極性全過程所需的電動勢 。如一次電流的 T 1=L 1/R 1較高時 , 磁通 波形的變化率足夠大 , 則飽和不會發(fā)生 。磁 通擺至反方向飽和值時尚未滿足所需的變化 值 , 此時可能發(fā)生某些飽和 , 二次電流的尾 部將會被削去部分 。磁通從一次電流第 2次 的初始極性向上擺動將重新發(fā)生飽和 , 從而 削去部分二次電流波形 。這個過程一直持續(xù) 至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài) , 每個半波被削去相等的數(shù) 量 。2. 1. 2二次負(fù)荷為電抗的情況如鐵心飽和磁通小于正確傳變電流所需要 的磁通 , 飽和將在第 1個電流峰值前發(fā)生 。 飽和后磁 通 不 再 發(fā) 生 變 化 ,

16、不 再 感 應(yīng) 電 動 勢 , 由于二次負(fù)荷為電抗 , 二次電流保持在 初始飽和時刻的數(shù)值 。以后磁通將下降 , 并 產(chǎn)生二次電流正確變化所要的電動勢 。與穩(wěn) 態(tài)的情況相似 , 飽和的效果是將二次電流的 頂部削去一部分 。飽和程度越大 , 頂部削去 的部分也越大 。2. 2飽和磁通大于穩(wěn)態(tài)周期分量這種情況一般是由非周期分量引起的 , 電 流互感器一開始不飽和 , 由于非周期分量磁 通不斷增長 , 使總的磁通密度達(dá)到飽和 , 飽 和后二次電流迅速降低接近為零 。其后的過程與上述過程相似 , 但磁通不會達(dá)到反方向 飽和值 , 即負(fù)值電流仍能正常輸出 。鐵心飽 和將引起 T a 降低 , 非周期分量

17、衰減較快 , 退 出飽和范圍后即能正常傳變電流 , 磁通及勵 磁電流偏向一側(cè) 。2. 3電流互感器暫態(tài)仿真分析根據(jù)互感器的原理在 AT P 里進(jìn)行建模 , 其 中勵磁部分采用 93號暫態(tài)勵磁曲線的模型 , , 暫fi , 最常用的 , , 根據(jù)以 上的分析 , 對電阻負(fù)載和電感負(fù)載進(jìn)行了仿 真 。暫態(tài)仿真是根據(jù) 500kV 線路動模試驗進(jìn) 行的 , 保證在一次電流里面含有大量的非周 期分量和諧波 , 從而能夠較好的模擬暫態(tài)的 飽和情況 。仿真的結(jié)果如圖 7、 8所示 。從仿 真的結(jié)果可知 :仿真結(jié)果與理論分析是相符 的 。 2006年第 3期 51234 書訊 地址 :杭州市體育場路 538號

18、 郵 編 :310007電話 :0571-8511909585118853系統(tǒng)電話 :955122552955122642傳 真 85117939195. 0098. 0038. 0035. 0022. 00118. 0040. 0045. 0045. 0088. 0022. 0088. 0025. 0015. 0050. 00120. 00100. 00100. 00100. 00140. 00100. 00劉小寶 , 等 :電流互感器飽和特性分析與仿真 電力建設(shè)施工 、驗收及質(zhì)量驗評標(biāo)準(zhǔn)匯編 (上冊 電力建設(shè)施工 、驗收及質(zhì)量驗評標(biāo)準(zhǔn)匯編 (下冊 2006年

19、全國注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試考前沖刺習(xí)題集 (公共基礎(chǔ) 、專業(yè)基礎(chǔ) 2006年注冊電氣工程師考試習(xí)題集 (供配電專業(yè) 2006年注冊電氣工程師考試輔導(dǎo)教材及復(fù)習(xí)題解(專業(yè)基礎(chǔ)理論部分 供配電專業(yè)技能部分 注冊電氣工程師輔導(dǎo)教材及復(fù)習(xí)題解注冊電氣工程師 (供配電 /注冊公用設(shè)備工程師(暖通空調(diào) 執(zhí)業(yè)資格考試輔導(dǎo)教材注冊電氣工程師 (供配電 執(zhí)業(yè)資格考試輔導(dǎo)教材(專業(yè)基礎(chǔ)部分 注冊電氣工程師 (供配電 執(zhí)業(yè)資格考試強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)摘編 注冊電氣工程師 (供配電專業(yè) 模擬考試題集 注冊電氣工程師考試輔導(dǎo)教材及復(fù)習(xí)題解(專業(yè)基礎(chǔ)理論部分 注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試必備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試習(xí)題與解答 公共基礎(chǔ)部分注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試專業(yè)習(xí)題與解答 專業(yè)基礎(chǔ)部分注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試專業(yè)考試復(fù)習(xí)指導(dǎo)書第 1冊 綜合部分注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試專業(yè)考試復(fù)習(xí)指導(dǎo)書第 2冊 發(fā)輸變電專業(yè)注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試專業(yè)考試復(fù)習(xí)指導(dǎo)書第 3冊 供配電專業(yè)注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格專業(yè)考試習(xí)題集(發(fā)輸變電專業(yè) 注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格專業(yè)考試習(xí)題集(供配電專業(yè) 注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格專業(yè)考試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編(發(fā)輸變電專業(yè) 注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格專業(yè)考試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編(供配電專業(yè) 3結(jié)束