劉召杰 衛(wèi)思明 陳柏超 張哲璇 吳煜文

摘要：電流互感器（CT）飽和是保護(hù)裝置誤動(dòng)的原因之一，現(xiàn)基于傳統(tǒng)電流互感器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型磁閥式電流互感器（MVCT），MVCT輸出不依賴于電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且不受剩磁的影響。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MVCT可以測(cè)量短路電流、勵(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流等可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作的瞬態(tài)電流。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù);磁閥式電流互感器（MVCT）;剩磁;短路電流;勵(lì)磁涌流;和應(yīng)涌流

中圖分類(lèi)號(hào)：TM930.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）07-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.001

0? ? 引言

電流互感器的傳變性能對(duì)繼電保護(hù)具有非常重要的影響。保護(hù)用電流互感器飽和的主要原因包括：含有衰減緩慢的直流分量的暫態(tài)短路電流和變壓器勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的電流互感器飽和以及斷開(kāi)故障電流及重合閘過(guò)程在鐵芯殘留的剩磁導(dǎo)致的電流互感器飽和[1]。故電流互感器的飽和補(bǔ)償方法與新型電流互感器的研究仍是廣受關(guān)注的熱點(diǎn)。

本文在已有的研究基礎(chǔ)[2-3]上詳細(xì)分析了MVCT的工作原理與工作狀態(tài)，并通過(guò)一系列的仿真與實(shí)驗(yàn)研究了MVCT在測(cè)量短路電流、勵(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流時(shí)的暫態(tài)特性。

1? ? MVCT基本原理

如圖1與圖2所示，MVCT主要由含磁閥結(jié)構(gòu)的鐵芯、一次繞組N1、二次繞組N2、二次負(fù)載R2、磁場(chǎng)傳感器與信號(hào)處理單元組成[2]。其中，MVCT鐵芯包括截面積保持不變的主鐵芯與截面積較小的磁閥鐵芯，主鐵芯高度為h，平均長(zhǎng)度為lm，磁閥鐵芯高度為kh，平均長(zhǎng)度為lv;磁場(chǎng)傳感器放置在鐵芯切口中，用于測(cè)量切口中的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hi，并將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào);二次負(fù)載為純阻性負(fù)載，連接至二次繞組。MVCT的信號(hào)處理單元將去除直流偏置信號(hào)后的磁場(chǎng)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行比例放大，再與二次負(fù)載電壓信號(hào)進(jìn)行相加;信號(hào)處理單元的輸出即MVCT的總輸出。i1、i2分別代表一次電流、二次電流，Bm、Hm分別代表主鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度，Bv、Hv分別代表磁閥鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度，Bi、Hi分別代表切口的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度，μr、μ0分別代表相對(duì)磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率。

當(dāng)N1=1時(shí)，根據(jù)安培環(huán)路定理得：

Hmlm+Hvlv=i1-N2i2（1）

根據(jù)磁通連續(xù)性得：

Bm=kBv+（1-k）Bi（2）

根據(jù)磁勢(shì)連續(xù)性得：

Hvlv=Hilv（3）

本文使用如圖3所示基本磁化曲線表示磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系：

Bm=μr μ0Hm（4）

Bv=μr μ0Hv（5）

Bi= μ0Hi（6）

聯(lián)立式（1）～式（6）得：

i1=N2i2+klm

+lm+lvHi（7）

其中，A=klm+lm+lv為補(bǔ)償系數(shù)。

式（7）中，N2、i2、lm、lv與k均為已知;相對(duì)磁導(dǎo)率μr可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，也可由生產(chǎn)廠家給出;切口磁場(chǎng)強(qiáng)度Hi可以通過(guò)磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)到。故當(dāng)磁場(chǎng)傳感器誤差較小且靈敏度較高時(shí)，MVCT較傳統(tǒng)電磁式電流互感器可以更精確地測(cè)得一次電流i1。即使當(dāng)磁閥鐵芯進(jìn)入飽和從而使二次電流發(fā)生畸變時(shí)，經(jīng)磁場(chǎng)傳感器輸出的補(bǔ)償信號(hào)補(bǔ)償后的MVCT依然可以測(cè)得全電流。

2? ? 仿真分析

本文使用COMSOL建立有限元模型仿真研究MVCT的工作原理與特性。其中，MVCT鐵芯磁化曲線使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，忽略漏感與鐵芯損耗并將二次負(fù)載設(shè)置為純阻性負(fù)載。具體仿真參數(shù)如表1所示，仿真模型如圖4所示。切口氣隙與磁閥鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度選擇相應(yīng)的體中心點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.1? ? 暫態(tài)短路電流仿真分析

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路一次電流瞬時(shí)值如下：

ip=Ipe

cos θ-cos（ωt+θ）（8）

實(shí)際中，影響電流互感器暫態(tài)特性的參數(shù)主要是短路時(shí)初始電壓的相角θ、一次系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)Tp與剩磁Br等[4]。

2.1.1? ? 全偏移電流

當(dāng)θ=0，短路電流全偏移，對(duì)CT的影響最嚴(yán)重。取Ip=370 A，Tp=100 ms，f=50 Hz，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5中，二次電流在一次電流達(dá)到峰值前已發(fā)生畸變;而經(jīng)補(bǔ)償信號(hào)補(bǔ)償過(guò)的MVCT輸出信號(hào)已可以較好地跟蹤一次電流的變化。

2.1.2? ? 時(shí)間常數(shù)Tp

我國(guó)生產(chǎn)并使用的300～600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組時(shí)間常數(shù)高達(dá)300 ms[4]，故保持其他參數(shù)不變，Tp=300 ms時(shí)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6中，二次電流相對(duì)于時(shí)間常數(shù)Tp=100 ms時(shí)的畸變更為嚴(yán)重。經(jīng)補(bǔ)償信號(hào)補(bǔ)償過(guò)的MVCT的輸出信號(hào)依然可以較好地跟蹤一次電流的變化。

2.1.3? ? 剩磁Br

當(dāng)故障發(fā)生使得保護(hù)裝置動(dòng)作后，鐵芯中將會(huì)存在大量的剩磁，剩磁一旦產(chǎn)生并不會(huì)顯著降低。如果再發(fā)生第二次故障，且非周期分量產(chǎn)生的瞬態(tài)磁通與剩余磁通的方向一致，CT將更迅速地飽和。在超高壓系統(tǒng)中，保護(hù)加斷路器動(dòng)作時(shí)間一般為40 ms[4]。采用重合閘時(shí)，一次短路電流從切斷起到其重復(fù)出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間間隔約為400 ms，故取t′=0.04 s，tfr=0.4 s，其他參數(shù)保持不變，仿真結(jié)果如圖7所示。

如圖7所示，當(dāng)鐵芯中含有剩磁時(shí)，電流互感器二次電流畸變程度加重。但在兩次針對(duì)短路電流的測(cè)量過(guò)程中，MVCT輸出波形均與一次電流波形保持一致，未受到剩磁的影響。

面對(duì)時(shí)間常數(shù)較大的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)或考慮重合閘的二次工作循環(huán)時(shí)，工程上常常通過(guò)成倍地增加互感器鐵芯截面積來(lái)提高暫態(tài)面積系數(shù)，以防止其暫態(tài)飽和。但MVCT可以補(bǔ)償因鐵芯暫態(tài)飽和導(dǎo)致畸變的二次電流，故使用MVCT可以在一定程度上減小保護(hù)用電流互感器的體積。

2.2? ? 浪涌電流仿真分析

當(dāng)空載變壓器接通電源時(shí)，浪涌電流可能達(dá)到變壓器標(biāo)稱(chēng)電流的數(shù)倍，與變壓器內(nèi)部故障電流一樣高?？胀队苛髦械姆侵芷诜至苛鬟^(guò)系統(tǒng)電阻，導(dǎo)致公共節(jié)點(diǎn)上電壓的非周期波動(dòng)，會(huì)引起相鄰變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流。勵(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流特性復(fù)雜，不容易被預(yù)測(cè)且難以量化分析[5]。故本文首先按照?qǐng)D8在MATLAB中搭建了仿真模型，再將仿真得到的相關(guān)電流作為一次電流導(dǎo)入COMSOL中進(jìn)行仿真分析。

2.2.1? ? 勵(lì)磁涌流

電流互感器的傳變特性影響變壓器差動(dòng)保護(hù)的勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)是否有效。當(dāng)一次電流為勵(lì)磁涌流ie時(shí)，仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，受勵(lì)磁涌流直流含量的影響，傳統(tǒng)電磁式電流互感器的鐵芯進(jìn)入飽和;二次電流在第一個(gè)周期內(nèi)未發(fā)生明顯畸變，但在第二個(gè)周期開(kāi)始發(fā)生明顯畸變;但經(jīng)補(bǔ)償信號(hào)補(bǔ)償過(guò)的MVCT輸出信號(hào)可以較好地跟蹤一次電流的變化。

2.2.2? ? 和應(yīng)涌流

和應(yīng)涌流主要分為兩種：并聯(lián)和應(yīng)涌流與串聯(lián)和應(yīng)涌流，本文只討論并聯(lián)和應(yīng)涌流。當(dāng)一次電流為和應(yīng)涌流is時(shí)，仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，二次電流在前七個(gè)周期內(nèi)未發(fā)生明顯畸變，但第八個(gè)周期開(kāi)始發(fā)生明顯畸變;經(jīng)補(bǔ)償信號(hào)補(bǔ)償過(guò)的MVCT輸出信號(hào)已可以較好地跟蹤一次電流的變化。

工程實(shí)際中，對(duì)勵(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流的識(shí)別依然主要是利用波形對(duì)稱(chēng)判據(jù)、二次諧波含量判據(jù)與間斷角判據(jù)等，但電流互感器暫態(tài)飽和導(dǎo)致的二次電流畸變會(huì)影響上述判據(jù)的可靠性[6]，進(jìn)而可能導(dǎo)致保護(hù)裝置特別是變壓器差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)作。而MVCT輸出信號(hào)在一定范圍內(nèi)可以很好地還原一次電流，從而使得保護(hù)系統(tǒng)對(duì)涌流識(shí)別的可靠性有所增加。

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1? ? 暫態(tài)短路電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證MVCT測(cè)量暫態(tài)短路電流的能力，本文搭建了如圖11所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以模擬線路接地短路故障。其中電阻R阻值為1 Ω，電感L值為65 mH，負(fù)載阻值為45 Ω。閉合開(kāi)關(guān)Ⅱ后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

如圖12所示，二次負(fù)載電壓在短路故障發(fā)生后的七個(gè)周期內(nèi)發(fā)生明顯畸變，而磁場(chǎng)傳感器輸出的補(bǔ)償信號(hào)恰在鐵芯飽和二次電流發(fā)生畸變時(shí)“驟升”。MVCT輸出信號(hào)可以較好地跟蹤一次電流信號(hào)。

3.2? ? 含有剩磁的暫態(tài)短路電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)

限于實(shí)驗(yàn)條件，在實(shí)驗(yàn)中使用圖13所示電路產(chǎn)生剩磁。其中，交流回路中，電阻阻值為1 Ω，電感值為10 mH;直流回路電源電壓為5 V，電阻R2阻值為1 Ω，匝數(shù)為1匝。合閘開(kāi)關(guān)Ⅲ并通電較長(zhǎng)時(shí)間;在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Ⅲ的同時(shí)，依次合閘開(kāi)關(guān)Ⅰ與開(kāi)關(guān)Ⅱ，觀察電流信號(hào)波形。

圖14中，二次電流相對(duì)于圖12時(shí)的畸變更為嚴(yán)重。經(jīng)磁閥補(bǔ)償信號(hào)補(bǔ)償過(guò)的MVCT的輸出信號(hào)依然可以較好地跟蹤一次電流的變化。

3.3? ? 勵(lì)磁涌流測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本文搭建了如圖15所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以驗(yàn)證MVCT測(cè)量勵(lì)磁涌流的性能。其中采樣電阻阻值均為1 Ω，變壓器Ⅰ容量為1 kVA，變壓器Ⅱ容量為2.3 kVA，一次側(cè)額定電壓均為220 V，變比均為1：1，實(shí)際市電電壓有效值為240 V。

閉合開(kāi)關(guān)以產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。如圖16所示，測(cè)量勵(lì)磁涌流時(shí)，電流波形偏向于坐標(biāo)軸的一側(cè)，直流含量較高，二次電流在合閘后發(fā)生嚴(yán)重畸變，但MVCT輸出依然可以較好地還原一次電流。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文提出的MVCT克服了傳統(tǒng)CT存在電磁飽和的問(wèn)題，具備良好的暫態(tài)傳變特性，可以實(shí)現(xiàn)故障電流全波形的測(cè)量。MVCT原理簡(jiǎn)單，成本較低，有望在繼電保護(hù)領(lǐng)域得到較好的推廣應(yīng)用。

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收稿日期：2021-12-31

作者簡(jiǎn)介：劉召杰（1980—），男，上海人，高級(jí)工程師，研究方向：新型控制系統(tǒng)。