覃燕鳳

(廣西電網(wǎng)公司河池供電局，廣西 河池 547000)

CT飽和特性對繼電保護的影響分析

覃燕鳳

(廣西電網(wǎng)公司河池供電局，廣西 河池 547000)

詳細分析了電流互感器(CT)的工作原理和對繼電保護影響。建立了CT的電路模型，根據(jù)理論分析和仿真結果比較了不同條件下電流互感器的特性，分析了一次幅值大小、非周期分量大小、一次側時間常數(shù)和二次側負載的大小等因素對電流互感器飽和造成的影響，從而有針對性地提出了防止CT飽和的方法。

電流互感器;特性;飽和;仿真分析

1 引言

電流互感器(CT)廣泛應用于電力系統(tǒng)監(jiān)控、保護、故障錄波和故障測距等技術領域，是電力系統(tǒng)中電流測量、系統(tǒng)控制、特別是繼電保護裝置的重要設備。目前大量使用電流互感器為電磁型，通過電磁感應的原理，將系統(tǒng)一次側的電流按照一定比例關系轉換成二次電流。當磁通飽和時，勵磁電流增大，二次輸出電流發(fā)生畸變，一次側電流與二次側電流的不再嚴格按照原有的比例關系，此時，CT出現(xiàn)飽和狀態(tài)，對保護裝置的正確動作造成影響，可能造成繼電保護誤動作、拒動或延遲動作，也會降低故障測距的準確度［1，2］。隨著我國電力系統(tǒng)容量的不斷增大，在220～500kV變電站低壓側出線近處發(fā)生故障時，線路上的CT可能出現(xiàn)飽和，從而導致繼電保護裝置拒動，并越級使主變的低后備保護動作跳閘，這不僅使保護失去了動作選擇性，而且還進一步擴大了事故的停電范圍。由CT飽和而引起的繼電保護越級動作的情況時有發(fā)生，多年來一直未能得到很好地解決。

2 CT工作原理

2.1 CT的等效電路

如圖1所示，圖中Z1為CT的一次阻抗，Z2為CT的二次阻抗，Z為CT的二次負載，Zm為CT的勵磁阻抗。

圖1 CT等效電路

CT鐵心中磁通與磁感應強度并不是線性的關系。當鐵心處于不飽和狀態(tài)時，磁導率很大且近似為常數(shù)，Zm數(shù)值很大且基本不變，因此勵磁電流很小。當CT一次電流增大后，尤其是一次電流中含有較大直流分量，鐵心開始飽和，磁導率不再為常數(shù)，勵磁阻抗Zm迅速下降，勵磁電流增加。當流入CT的一次電流大到一定程度，CT進入飽和狀態(tài)，感應到CT二次側的電流變小，而CT勵磁電流增大。由上式可知，I2隨著Zm減少而減少，這實際是由Zm減少時勵磁回路分流作用加大引起。當CT嚴重飽和時，Zm急劇減少至接近零，一次電流全部變成勵磁電流，二次電流幾乎接近于零。此時，保護裝置因采集不到故障電流而出現(xiàn)拒動。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器是利用電磁感應原理通過耦合實現(xiàn)一、二次電流變換的。在正常運行情況下，電流互感器能夠保證所在電氣回路電流量的準確傳變，但是由于鐵心具有磁飽和特性，是非線性組件，當一次電流很大時，特別是一次電流中大量非周期分量的存在將使CT的鐵心嚴重飽和，勵磁電流成十倍、幾百倍增加，而且含有大量非周期分量和高次諧波分量，造成二次電流數(shù)值和波形嚴重失真，致使電流互感器的二次側無法如實反映一次側電流的變化情況，嚴重影響了繼電保護動作和監(jiān)控系統(tǒng)決策的正確性［3］。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，進入了電流互感器飽和區(qū)域，導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，進入了電流互感器飽和區(qū)域。由于暫態(tài)飽和過程較為復雜，因此將重點進行分析。

2.2 電流互感器暫態(tài)特性

當一次系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，設一次系統(tǒng)空載，短路環(huán)路中阻抗角θ=90°流過CT的一次短路電流(歸算到二次側)為［4］:

式中:Ipm為歸算到二次側的一次穩(wěn)態(tài)短路電流;Ip流過CT一次側繞組的穩(wěn)態(tài)短路電流有效值;T為一次系統(tǒng)時間常數(shù);θ為短路初相角。

將電流互感器的鐵心損耗以及一次繞組的漏抗和電阻略去不計，則有

求解方程得暫態(tài)勵磁電流:

式中:Tb二次負載時間常數(shù);Ts二次閉合回路時間常數(shù);φb二次負載阻抗角;δ二次閉合回路阻抗角

2.3 影響CT飽和的因素

(1)故障發(fā)生的初始階段，勵磁電流中的非周期分量從無到有，然后逐漸增大使鐵心飽和。CT進入飽和的時間和一次系統(tǒng)時間常數(shù)、CT二次時間常數(shù)和CT二次負載有關。

(2)一次系統(tǒng)中電流的非周期分量越大，在勵磁電流中的非周期分量就越大，CT飽和的情況就越嚴重。

(3)一次系統(tǒng)的時間常數(shù)越大，勵磁電流中的非周期分量衰減相對也就越慢，CT飽和時間相對就越長

(4)CT的二次負載越大，勵磁電流中的周期分量也越大，此時，CT將處于飽和狀態(tài)。

3 仿真分析

本文采用的互感器某變電站曾由于飽和發(fā)生保護越級動作的CT為例:保護級變比為400∶5，二次輸出容量為15VA，內阻0.811Ω，勵磁曲線如圖2所示。

圖2 CT勵磁曲線

采用功能強大的MATLAB7.0建立模型并進行仿真，仿真波形如下:

(1)一次電流幅值的大小對CT飽和的影響

圖3 一次側電流幅值Im =50和 1 00A時電流波形

從仿真波形來看，一次電流幅值越大，飽和程度就越嚴重。一次短路電流增大，將會導致非周期分量增大，使磁通密度過大，從而使鐵心易于飽和。

(2)非周期分量的大小對CT飽和的影響

圖4 α=30°和α=60°時電流波形

從仿真波形來看，非周期分量的大小對CT飽和影響較大。短路發(fā)生后，短路產生的暫態(tài)電流并不足以使CT迅速產生飽和，非周期分量引起的CT飽和，使得CT勵磁電流中包含大量的非周期分量。時間持續(xù)過程的長短與非周期分量的大小有關。

圖5 L=2mH，負載電阻分別取1Ω和2Ω時電流波形

(3)二次側負載大小對CT飽和的影響

從仿真波形來看，二次負載越大，飽和程度趨向于加深。

(4)一次系統(tǒng)時間常數(shù)T，對CT飽和的影響

圖6 T=0.1s和T=0.2s電流波形

從仿真波形來看，如果一次側時間常數(shù)T較大，即使短路電流相對較小，CT仍然會發(fā)生比較嚴重的飽和?？偟膩碚f，CT飽和現(xiàn)象總是在短路發(fā)生后并延時一段時間才出現(xiàn)。CT飽和時勵磁電流將迅速增大，CT飽和后，二次側的電流波形將會發(fā)生嚴重畸變，一個周波內的波形將不再對稱。由于非周期分量很難傳變到二次側，使鐵心的磁通發(fā)生飽和，導致CT傳變特性發(fā)生變化，一次電流中的很大一部分轉變?yōu)閯畲烹娏鳎瑢е翪T的嚴重飽和。除了一次電流的非周期分量對CT飽和的影響外，一次時間常數(shù)、一次電流大小，二次負載大小都會對CT的飽和產生影響。

4 結論及相應措施

(1)對于電流互感器的選擇，其類型和參數(shù)要與實際運行狀況相符，保證CT在穩(wěn)態(tài)對稱短路電流下的誤差在正常范圍之內，保護動作性能不會受其影響。而由短路電流引起的CT暫態(tài)飽和影響，則應根據(jù)現(xiàn)場實際情況和相關運行經驗來選擇。

(2)在二次負載一定的情況下，增大變比，可以降低互感器的飽和程度。然而，增大CT保護級的變比后會給繼電保護裝置的運行帶來一些負面影響，主要對CT二次回路和繼電保護裝置的運行監(jiān)視有不利的狀況。

(3)在二次負載一定的情況下，選用額定容量大的互感器。而選擇容量過大的CT也會有不利因素。只有選擇的CT二次容量大小接近二次實際負荷時，CT的精度才較高。容量偏大偏小都會影響CT的測量精度。

(4)變比相同的情況下，適當減小二次阻抗值，將有利于改善互感器的傳變特性.減小二次阻抗值的方法。相應的措施包括選用交流功耗小的繼電保護裝置和測量儀表，選用導線截面積較大的二次電纜，縮短二次電纜的長度等。

(5)減小CT的二次額定電流，選用一次電流倍數(shù)高的互感器。

(6)保護裝置采取減輕飽和影響措施，保證互感器在特定飽和條件下不致影響保護性能。保護裝置采取措施減緩電流互感器飽和影響，特別是暫態(tài)飽和影響，對降低電流互感器造價及提高保護動作的安全性和可信賴性具有重要意義，應成為保護裝置的發(fā)展方向。特別是微機保護具有較大的潛力可資利用。當前母線差動和某些型式的發(fā)電機和變壓器差動保護裝置一般都采用了抗飽和措施，取得了良好的效果［5］。

5 展望

隨著科學技術水平的發(fā)展，傳統(tǒng)電磁型CT由于其固有的缺點將會完成自己的歷史使命，逐步的離開電力系統(tǒng)的歷史舞臺?；谛录夹g，新原理制造的互感器將取而代之。光電互感器，是利用光電技術和光纖傳感技術與電子學原理相結合來實現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓、電流測量的新型互感器。由于其本身具有傳統(tǒng)CT不具備的特殊優(yōu)點，如體積小，重量輕，無鐵心，不存在磁飽和鐵磁諧振問題，暫態(tài)響應范圍大，頻率響應寬，抗電磁干擾性能佳，便于向數(shù)字化微機化發(fā)展，成為新一代互感器的代表。隨著光電式互感器的理論水平、生產技術和工藝的不斷提升，光電式CT將會逐步取代現(xiàn)有的電磁型CT，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

［1］ 陳三運．一起CT飽和引起的繼電保護拒動分析［J］．電網(wǎng)技術，2002，26(4):85 －87．

［2］ 陳錚，董新洲，羅承沐．電流互感器飽和影響測距精度的一種解釋方法［J］．電力系統(tǒng)自動化，2002，26(l):39 －44．

［3］ 袁季修，盛和樂，吳聚業(yè)．保護用電流互感器應用指南［M］．北京:中國電力出版社，2004．

［4］ 葉民．電流互感器飽和特性及對繼電保護的影響研究［D］．重慶大學，2007．

［5］ 胡寶，朱軍紅，劉秋菊，等．易飽和電流互感器在母線保護測試中的應用［J］．繼電器，2005，33(9):70 －73．

Analysis of the Effect of CT Saturation Characteristic on Relay Protection

TAN Yan-feng
(Hechi Power Supply Bureau，Hechi547000，China)

The paper analyzes the working principle of a current transformer and the effect on relay protection and a current transformermodel has been set up．According to the theoretical analysis and simulation results，compare the current transformer characteristics under different conditions．Analyze primary amplitude size，aperiodic component size，primary side time constand and secondary side load to the effecton current transformer saturation，thus putting forward stopping amethod from current transformer saturation．

current transformer;characteristic;saturation;simulation analysis

TM452

B

1004－289X(2013)03－0096－04

2012－05－29

覃燕鳳(1985－)女，廣西來賓人，主要從事變電站二次保護工作。