電流互感器飽和

1、抗電流互感器飽和電流繼電器的研究與應(yīng)用摘要：提出了新的電流互感器飽和判據(jù)一一間斷角飽和判別法，介紹了根據(jù)此原 理研制的JLK抗飽兒電流繼電器原理及實際應(yīng)用，并說明該產(chǎn)品的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：電流互感器；間斷角；JLK抗飽和電流繼電器電流互感器(TA)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，供測量及保護裝置采樣用。測量、 保護系統(tǒng)根據(jù)TA二次值換算成一次側(cè)電流值。TA工作于非飽和區(qū)時，比值誤差 小于10%。當TA 一次電流大于額定值數(shù)十倍時，鐵芯飽和，輸出波形畸變，有 效值減小，誤差增大，電流繼電器觸點抖動。TA深度飽和時無輸出，電流繼電 器不動作，會造成拒動或越級跳事故。1、抗TA飽和方案目前國內(nèi)外研究或應(yīng)用的抗

2、TA飽和方案：波形判據(jù)法：以電流量為判別量，采用瞬時值算法，對飽和電流進行波 形相位比較，判別區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。局部測算法：利用過零點后23ms真實傳變區(qū)采點計算，推算電流有 效值。基于采樣值的TA飽和同步識別法與電流比相法，在TA飽和時閉鎖差動 保護出口躲過故障非周期分量，避免母差保護誤動。國外有采用中阻抗原理或“飽和發(fā)生器”抗TA飽和，避免裝置在TA飽 和時誤動，如abb公司及瑞典ASEA公司部分保護裝置。其他方案：利用速飽和變換器延時將電流送人差動回路以躲開故障電流 的暫態(tài)過程來實現(xiàn)抗TA飽和目的；利用飽和時有較大諧波量作為TA飽和檢測 判別等。上述方案各有側(cè)重，主要針對非周期暫態(tài)分量進行

3、判別，適用于微機型母線 差動保護，大多應(yīng)用于高壓、超高壓輸電線路中，一般中低壓輸電系統(tǒng)中采用電 流繼電器作為繼電保護裝置的啟動元件，電流繼電器在TA飽和時觸點抖動或拒 動，由電流繼電器啟動的時間繼電器便處于啟動-返回-啟動-返回，保護無 法出口跳閘，導(dǎo)致越級跳閘事故。目前電力系統(tǒng)主要從兩方面著手解決中低壓輸電系統(tǒng)TA飽和問題：一是更換 TA,增大變比或采用有氣隙TA：二是提高TA帶載能力，同時降低TA二次負載， 避免TA飽和。上述方案有明顯的不利之處；換TA以增大變比或采用有氣隙TA,不但投資 大，工作量大，停電時間長，社會效益和經(jīng)濟效益不佳，而且測量表計需配套更 換，保護定值精度受影響(大變

4、比TA和有氣隙TA正常輸出值較小)。降低TA負 擔.只能提高飽和電流值，抗飽和能力有限，因此，研制抗TA飽和電流繼電器， 應(yīng)是理想解決方案。2 JLK抗飽和電流繼電器設(shè)計和組成若能開發(fā)出抗飽和電流繼電器，那么，只需簡單地更換電流繼電器，無需更 換TA即可解決TA飽和問題。這樣既可節(jié)約資金，減少工作量，又不會降低保 護測量精度，無需更換測量表計系統(tǒng)，更重要的是可大大減小停電時間，具有很 好的經(jīng)濟效益與社會效益，這是最受用戶歡迎的技術(shù)方案。2. 1電流互砬器特性分析等效電路見圖1。勵郵抗扣勵磁阻抗職=必M正常時，勵磁阻抗很大，IU近似為零；鐵心飽和時，U2減小，ZU減小， IU增大，誤差增加；鐵心

5、深度飽和時，全部流人勵磁回路，TA無輸出。TA飽 和時，一、二次電流的波形如圖2。-一極障電瀟桂形鼬正苗淀-一極障電瀟桂形鼬正苗淀囹3錮御后的一，二次電葩披帝TA飽和后，二次電流波形有如下特征：飽和電流含大量高次諧波，波形畸變，輸出有效值減小；二次阻抗越大，TA負荷越大，TA越容易飽和；飽和時，TA輸出幾乎為零(圖2中BC、EF段)，可視作問斷點。深度 飽和時，過零點前移，間斷角增大(從36。左右增至126。)；(4)每次過零點時，TA退出飽和，過零點后23ms內(nèi)仍有一段真實傳變區(qū) (圖2中SA、CD段)。TA飽和波形圖中的SA、CD段表明TA未飽和，輸出為正弦波，隨著一次電 流的增大，磁密增

6、加，導(dǎo)磁系數(shù)減小，勵磁阻抗減小，勵磁電流增加，鐵心趨于 飽和；當電流進一步增加時，磁通密度達到飽和值，導(dǎo)磁系數(shù)極小，勵磁阻抗接 近零，一次電流全部流人勵磁回路，TA無輸出(圖2中的AB、DE段)。BC、 EF段表明；當一次電流由最大值逐漸變小，但還沒有改變方向，仍維持鐵心飽 和所需勵磁電流，TA仍處于飽和狀態(tài)。直到勵磁電流改變方向，鐵心才退出飽 和，TA二次電流又可真實傳變一次電流，如圖2中CD、FG段，直到下一次飽 和。2. 2間斷角飽和識別法是通過TA飽和波形的測試與特征分析，提出的一種新的TA飽和鑒別方法。當檢測出渡形存在間斷角時(輸出幾乎為零的BC、EF段)即認為TA飽和判 據(jù)成立?；?/p>

7、于此原理，我研制成功的JLK抗飽和電流繼電器具有如F功能：正 常時，TA輸出正弦波電流，此時，抗飽和電流繼電器與常規(guī)電流繼電器特性一 致，當激勵量大于整定值時動作出口，動作依據(jù)：TA二次電流有效值。定值精 度：整定誤差小于3，飽和時，TA輸出畸變飽和波形，此時抗飽和電流繼電器 能正確識別出TA飽和并出口動作。動作判據(jù)：TA飽和間斷角特征判據(jù)。定值精度：不要求，因為飽和時TA 一 次電流超過額定值幾十至幾百倍，遠遠大于動作定值。2. 3 JL-K抗飽和電流繼電器電路組成以現(xiàn)有JI電流繼電器為基礎(chǔ)，另增設(shè)TA飽和判別回路，兩者分別完成TA不 飽和與飽和時故障判別并通過邏輯或驅(qū)動出口。TA飽和判別回

8、路包括：鏊幅閉鎖電路：當電流幅值較小，不會導(dǎo)致TA飽和時，將TA飽和判 別回路退出，電流大于閾值時才投入。飽和特征甄別電路：用于甄別過零點與問斷角，輸出真實飽和判據(jù)。脈沖展延電路：確認飽和判據(jù)，防止脈沖干擾誤判，EMI抗干擾電路：截止并吸收窄尖峰干擾脈沖，對傳導(dǎo)干擾有很強的抑 制作用。上電、斷電暫態(tài)過程押制電路：在電源升降的暫態(tài)過程中，給臺邏輯電 路邏輯關(guān)系不確定。該電路可使組臺邏輯電路避開暫態(tài)過程，確保邏輯關(guān)系正確可靠。TA飽和判別回路對飽和波形問斷角進行檢測，當檢測出飽兒波形存在36。 126。問斷角時(相應(yīng)于TA飽和值約幾十200倍額定電流)，即認為飽和判據(jù) 成立，立即驅(qū)動出口。從JLK

9、抗飽和電流繼電器原理可看出：飽和程度越深， 飽和特征越明顯，動作越可靠，其抗飽和能力沒有上限。為便于用戶使用，JLK 抗飽和電流繼電器的外部安裝足寸及引腳定義與原有DL系列、JL系列電流繼電 器相同，可直接代換。3 JLK抗飽和電流繼電器的動模試驗與應(yīng)用根據(jù)本設(shè)計方案研制的樣機，經(jīng)浙江省電力試驗研究所測試，各指標達到設(shè) 計要求：正常時，抗飽和電流繼電器與常規(guī)電流繼電器特性一致，整定誤差小于 3 ;中度飽和且有效值小于整定值時。抗飽相流繼電器能正確識別出TA飽和， 出口準確動作。深度飽和時。有效值小于整定值。抗飽和電流維電器出口正確動作。抗飽和性能穩(wěn)定可靠。并通過了 4 kV快速瞬 變干擾試驗。

10、共模差摸干擾試驗及輻射電磁場干擾試驗。在金華電業(yè)局應(yīng)用現(xiàn)場進行的抗飽和動模對比試驗中，利用錄渡僅記錄觀察。 JI K型坑飽和電流繼電器在TA中度、深度飽和時始終動作正確。而對照組 DI,電流繼電器在十幾倍額定值時即已不能正確動作。經(jīng)過省中試所型式試驗和 用戶現(xiàn)場試驗。證明JL-K抗飽和電流繼電器抗飽和性能穩(wěn)定可靠，現(xiàn)已威功地 批量應(yīng)用于金華電業(yè)局、蕭山電業(yè)局等單位。相比于更換TA,換JLK型抗飽和電流繼電器無疑更省時省工省力，并節(jié)約 投資。以一個地區(qū)級供電局為例。若以更換TA500只計，連同測量表計配套改 造.投資約200萬。這尚且不飽施工投入及停電造成的損失，若僅更換抗飽和 電流繼電器.所需

11、資金不足50萬。節(jié)約資金3/4。且輕松便捷.同時也實現(xiàn)了 電流繼電器的升級換代，極受用戶歡迎，隨著電岡規(guī)模及容量的不斷擴大，過去 不易發(fā)生的TA飽和問題日漸增多TA飽和的危害性及解決該問題的迫切性日益 凸顯。抗飽和電流繼電器的研制成功。提供了一個解決TA飽和問題最為簡便、 經(jīng)濟、有效的手段。在全省、全國的推廣應(yīng)用將產(chǎn)生更為可觀的經(jīng)濟效益與積極 的社會效益。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(nèi)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

12、和而導(dǎo)致的。眾所周知，設(shè)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

13、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 ！，疽，/ - 次側(cè)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(guān)系為其中N1和N2分別為原、 副方繞組匝數(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(guān)系。電流互感器飽和的原因有兩種2:一是一次電流過大引起鐵心磁通密度過 大；二是

14、二次負載（即ZL）過大，在同樣的一次電流下，要求二次側(cè)的感應(yīng)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(yīng)電動勢有效值與磁通的關(guān)系為E =4, 44/Niu-Ei - 4, 44/Ni.AT j為屯源額率函為主秘通幅值副方但藏 與饒如感應(yīng)電動苗的關(guān)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(cè)帶實際負載，從一次側(cè)通入電流，觀察 二次電流找出電流互感器的飽和點。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

15、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(yīng)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 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

16、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0.2Q。3.1 電流互感器變比試驗1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(nèi)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。表1變比試驗敬據(jù)次電策A一次電流A_次電 V計克負裁5. L1.4320. 2K1，11.71(1 283(J7. E2. LIM2S4W. 2. 271. 2K25-itl牛112.52心M性HIJi2.捋l商Mil3P1 (0.2M

17、J3冊i 卜 2M4Hit12.73掃i).13. 13. K70. 289L?lKS134. I lhU. 29214. 44. IU. M14.94-JjH.現(xiàn)15. 34. WII. 3i-l16(1-1 Mo.iinQ.Q E 111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。囹3主憤孌比/線3.2電流互感器伏安特性試驗電流互感器原方開路，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。4in. M圖日4in. M圖日伏安特旌曲線從圖可知，飽和電動勢Esat約為V。亦即該電流互感器在帶約0