電流互感器飽和度計(jì)算

1、電流互感器飽和計(jì)算:電流互感器的暫態(tài)飽和及應(yīng)用計(jì)算1前言保護(hù)用電流互感器要求在規(guī)定的一次電流范圍內(nèi)，二次電流的綜合誤差不超 出規(guī)定值。對于有鐵心的電流互感器，形成誤差的最主要因素是鐵心的非線性勵(lì) 磁特性及飽和。電流互感器的飽和可分為兩類：一類是大容量短路穩(wěn)態(tài)對稱電流 引起的飽和（以下稱為穩(wěn)態(tài)飽和）；另一類是短路電流中含有非周期分量和鐵心存 在剩磁而引起的暫態(tài)飽和（以下稱為暫態(tài)飽和）0這兩類飽和的特性有很大不同， 引起的誤差也差別很大。在同樣的允許誤差條件下，考慮暫態(tài)飽和要求的互感器 鐵心截面可能是僅考慮穩(wěn)態(tài)飽和的數(shù)倍至數(shù)十倍。因而對互感器造價(jià)及安裝條件 提出了嚴(yán)峻的要求。以往在中低壓系統(tǒng)和發(fā)電

2、機(jī)容量較小的情況下，互感器暫態(tài) 飽和的影響較輕，一般未采取專門對策。而對當(dāng)前的超高壓系統(tǒng)和大容量機(jī)組， 為保證繼電保護(hù)的正確動(dòng)作，暫態(tài)飽和已成為必須考慮的因素。由于互感器暫態(tài) 飽和的機(jī)理和計(jì)算較復(fù)雜，要求互感器暫態(tài)不飽和所需代價(jià)很高，因而在實(shí)際工 程中應(yīng)用情況較混亂。本文根據(jù)國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出較規(guī)范的考慮暫 態(tài)飽和的互感器選擇和計(jì)算方法，供工程應(yīng)用參考。作為示例，本文給出大型發(fā) 電機(jī)變壓器組差動(dòng)保護(hù)用電流互感器的選擇計(jì)算及參數(shù)選擇的建議。2電流互感器的穩(wěn)態(tài)飽和特性及對策當(dāng)電流互感器通過的穩(wěn)態(tài)對稱短路電流產(chǎn)生的二次電動(dòng)勢超過一定值時(shí)，互 感器鐵心將開始出現(xiàn)飽和。這種飽和情況下的二次電流

3、如圖1所示，其特點(diǎn)是：畸變的二次電流呈脈沖形，正負(fù)半波大體對稱，畸變開始時(shí)間小于5ms（1/4周波）， 二次電流有效值將低于未飽和情況。對于反應(yīng)電流值的保護(hù)，如過電流保護(hù)和阻 抗保護(hù)等，飽和將使保護(hù)靈敏度降低。對于差動(dòng)保護(hù)，差電流取決于兩側(cè)互感器 飽和特性的差異。例如某一 1200/5的電流互感器，制造部門提供的規(guī)范為：1： : 5P20, 30VA 其中5P為準(zhǔn)確等級，30VA為二次負(fù)荷額定值，20為準(zhǔn)確限值系數(shù)（ALF）。電流互 感器在額定負(fù)荷下的二次極限電動(dòng)勢 E = （ALF） I sn （Rct + Rn）,此時(shí)綜合誤 差應(yīng)不超過5%綜合誤差也可選用10%選擇保護(hù)用電流互感器時(shí)，一般

4、要求ALF 與額定一次電流乘積大于保護(hù)校驗(yàn)用短路電流，二次負(fù)荷小于互感器額定負(fù)荷， 實(shí)際二次電動(dòng)勢不超過極限二次電動(dòng)勢。當(dāng)前工程中經(jīng)常遇到的問題是短路電流 過大，ALF不滿足要求，但實(shí)際負(fù)荷比額定負(fù)荷小得多。對于低漏磁電流互感器：2：, 可以在實(shí)際負(fù)荷下的二次電動(dòng)勢不超過極限值的條件下，適當(dāng)提高ALF的可用值。但應(yīng)指出，對于某些不符合低漏磁要求的互感器，如U型電流互感器、一次多匝的互感器等，在一次短路電流倍數(shù)超過 ALF時(shí)，由于鐵心局部飽和可能引起二次 極限電動(dòng)勢降低，不能在降低二次負(fù)荷時(shí)，按反比提高ALF。有些制造廠提供的ALF與負(fù)荷的關(guān)系曲線，未認(rèn)真考慮上述局部飽和影響，使用時(shí)應(yīng)慎重。3電

5、流互感器的暫態(tài)飽和短路電流一般含有非周期分量，這將使電流互感器的傳變特性嚴(yán)重惡化。原 因是電流互感器的勵(lì)磁特性是按工頻設(shè)計(jì)的，在傳變等效頻率很低的非周期分量 時(shí)，鐵心磁通(即勵(lì)磁電流)需要大大增加。圖2表示電流互感器在完全偏移的故 障電流(非周期分量幅值達(dá)100%并鐵心磁通的增長情況，互感器帶電阻性負(fù)荷。 圖中ac代表傳變故障電流工頻分量所需的磁通，而dc則代表傳變暫態(tài)(非周期) 分量所需的磁通，具值遠(yuǎn)大于傳變工頻分量的 ac。磁通暫態(tài)分量 dc是系統(tǒng)一 次回路時(shí)間常數(shù)Tp和電流互感器二次回路時(shí)間常數(shù) Ts的函數(shù)。dc開始時(shí)是按Tp 增長。磁通達(dá)到最大值的時(shí)間和數(shù)值與 Tp、Ts等有關(guān)。按是否

6、考慮短路電流的暫態(tài)過程， 電流互感器分為P和TP兩大類。P類電流 互感器要求在 ac情況下不飽和，而TP類電流互感器則要求在整個(gè)工作循環(huán)中的 總磁通二比十dc情況下不飽和。因此要求TP類電流互感器的鐵心遠(yuǎn)大于 P 類電流互感器。要求增大的倍數(shù)即暫態(tài)面積增大系數(shù)Kdco由標(biāo)準(zhǔn)方可知，對于全偏移短路電流，在 C_ t _O工作循環(huán)時(shí)，所需暫 態(tài)面積系數(shù)為：電流互感器暫態(tài)面積系數(shù) Kd與一次時(shí)間常數(shù)Tp有密切關(guān)系，對于P級、TPS 和TPX級電流互感器，TpTs,短路電流為全偏移情況下，短路后不同時(shí)間 t的Ktf 與Tp關(guān)系見圖3(圖中Ts=10s)。在Tp較大時(shí)，Kd可達(dá)幾十倍。當(dāng)一次電流存在非周

7、期分量導(dǎo)致互感器暫態(tài)飽和時(shí)，二次電流的波形示例如 圖4。圖中Tp為50ms,R2n為4Q , R為2Q。圖4(a)為互感器無剩磁的情況，圖 4(b)為互感器有75%M磁的情況。由圖4可知，非周期分量導(dǎo)致互感器暫態(tài)飽和時(shí)二次電流波形是不對稱的， 開始飽和的時(shí)間較長，如圖4(a)為30m&但鐵心有剩磁時(shí)，將加重飽和程度和縮 短開始飽和時(shí)間，如圖4(b),飽和開始時(shí)間為6m&對鐵心中剩磁的影響必須給予足夠的注意，因?yàn)殡娏骰ジ衅饔捎诙搪冯娏饕饡簯B(tài)飽和形成剩磁后，在正常運(yùn)行的電流情況下，剩磁很難消除。文獻(xiàn)3列舉了在一個(gè)230kV系統(tǒng)141組電流互感器的調(diào)查結(jié)果如表1,可見各種程度的剩 磁存在概率都是很

8、大的。為了減緩暫態(tài)飽和對繼電保護(hù)的影響，需要采取必要的措施。這種措施有兩 類：一類是保護(hù)裝置具備減緩飽和影響的能力；另一類是選擇適當(dāng)?shù)碾娏骰ジ衅?類型和參數(shù)。4保護(hù)裝置減緩互感器暫態(tài)飽和影響的措施 BT)母線外部故障時(shí)，各支路的短路電流分布可能很不均勻，飽和情況可能很不一致。為保證母線差動(dòng)保護(hù)的正確動(dòng)作，要求母線差動(dòng)保護(hù)裝置必須采取措施減 緩暫態(tài)飽和影響，并不對電流互感器提出特殊要求。這已成為定論并得到普遍執(zhí) 行。對于其它保護(hù)，如發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)等，則未有明確規(guī)定。 當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的保護(hù)裝置一般未采取專門措施，而需要在選擇電流互感器時(shí)，考 慮暫態(tài)飽和的影響。某些國外產(chǎn)品已聲明采取了

9、相應(yīng)措施，而不再對互感器提出 特殊要求。保護(hù)裝置采取的措施，使用較廣泛的有高阻抗母線保護(hù)，以提高差動(dòng)繼電器 阻抗和利用飽和互感器分流來防止區(qū)外故障誤動(dòng)。還有利用互感器暫態(tài)飽和有一 定時(shí)延來區(qū)別差動(dòng)保護(hù)中的差電流是由內(nèi)部故障產(chǎn)生還是由飽和產(chǎn)生等等。本文 不準(zhǔn)備詳細(xì)討論保護(hù)裝置防止互感器飽和引起誤動(dòng)的各種措施。只想著重指出， 在當(dāng)前普遍應(yīng)用微機(jī)保護(hù)條件下，保護(hù)裝置完全有可能采用多種有效措施來減緩 暫態(tài)飽和的影響，因而可對互感器選擇不提出特殊要求。這樣可產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)效 益。所以，希望繼電保護(hù)開發(fā)制造部門能在這方面取得更積極有效的成果。還需要指出的是互感器暫態(tài)飽和與穩(wěn)態(tài)飽和的特性有很大差別，反映在二次

10、 電流的波形也很不相同，因而采取的措施也應(yīng)注意區(qū)別對待。例如利用故障與飽 和出現(xiàn)的時(shí)間差時(shí)，暫態(tài)飽和與故障時(shí)差可能較明顯，而穩(wěn)態(tài)飽和與故障時(shí)差則 較?。?5ms）。5考慮暫態(tài)飽和的電流互感器選擇原則電流互感器暫態(tài)飽和問題是普遍存在的，但不同情況下嚴(yán)重程度有所差別， 所導(dǎo)致的后果也不同。如普遍要求選用的電流互感器保證暫態(tài)過程中不致飽和， 則將大大增加投資。實(shí)際上，許多工程中選用的一般電流互感器雖未能完全滿足 暫態(tài)特性要求，但也可能有一定暫態(tài)儲備，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，很多情況下采用一般 互感器也是可接受的。因此，選擇保護(hù)用電流互感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)互感器所在系統(tǒng) 暫態(tài)問題的嚴(yán)重程度，所用保護(hù)裝置的特性及暫態(tài)飽

11、和可能引起的后果等因素， 慎重確定。（1）500kV系統(tǒng)電流互感器選擇500kV系統(tǒng)和高壓側(cè)為500kV的變壓器或發(fā)電機(jī)變壓器組，由于一次時(shí)間常 數(shù)較大（100ms以上），電流互感器暫態(tài)飽和可能較嚴(yán)重，由此導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒 動(dòng)的后果嚴(yán)重。因此，除保護(hù)裝置本身能保證不受互感器暫態(tài)飽和影響的情況外， 所選電流互感器應(yīng)能滿足暫態(tài)性能要求。500kV線路一般保護(hù)直選用帶小氣隙的 TPY級電流互感器，按考慮重合閘的 兩次工作循環(huán)進(jìn)行暫態(tài)特性驗(yàn)算。斷路器失靈保護(hù)不宜使用 TPY級電流互感器, 可選用TPS級或5P等電流可較快衰減的互感器，但應(yīng)注意防止互感器飽和時(shí)電流 檢測元件拒動(dòng)。高壓側(cè)為500kV的發(fā)電

12、機(jī)變壓器組，高壓側(cè)母線一般為一個(gè)半斷路器接線,差動(dòng)保護(hù)回路500kV側(cè)直選用TPY級電流互感器，低壓側(cè)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)及出線端 空間較緊張，裝設(shè)TP類電流互感器可能存在困難，但穿越故障電流較小，一般不 超出3倍額定電流。因此，為與高壓側(cè)匹配，差動(dòng)保護(hù)用電流互感器在滿足暫態(tài) 特性要求下可選用帶小氣隙的5PR級電流互感器。暫態(tài)性能可按外部三相短路 C-O工作循環(huán)進(jìn)行驗(yàn)算。高壓側(cè)為500kV的降壓變壓器的差動(dòng)保護(hù)回路各側(cè)均宜選用TPY級電流互感器。高、中壓側(cè)宜按外部線路故障 C-O-C-O工作循環(huán)校驗(yàn)暫態(tài)特性。低壓側(cè)為三 角接線時(shí)，可按外部三相短路C-O工作循環(huán)校驗(yàn)。220kV系統(tǒng)電流互感器選擇220k

13、V系統(tǒng)的暫態(tài)問題(Tp勺60ms)及其影響后果比500kV系統(tǒng)相對較輕，適當(dāng) 降低保護(hù)用電流互感器的暫態(tài)特性要求是可以接受的。以往在220kV系統(tǒng)有大量按穩(wěn)態(tài)特性選用的電流互感器運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但通常這些互感器的短路電流倍數(shù)和二 次負(fù)荷選擇留有一定裕度。因此，220kV系統(tǒng)一般可按穩(wěn)態(tài)特性選用 P類、PR類 和PX類電流互感器，但宜適當(dāng)提高所選用電流互感器的準(zhǔn)確限值系數(shù)(ALF)以減少暫態(tài)飽和影響。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，所選互感器的準(zhǔn)確限值系數(shù)宜大于保護(hù)校驗(yàn)故 障電流與互感器額定電流之比的兩倍，即用戶給定暫態(tài)系數(shù)K2。參見IEEE Std C37.110-1996 等規(guī)定。高壓側(cè)為220kV的發(fā)電機(jī)變壓器組

14、或主變壓器，雖然外部故障穿越短路電流 倍數(shù)不大，但一次時(shí)間常數(shù)可能較大(發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)變壓器組的Tp可能達(dá)150 250ms),短路暫態(tài)可能較嚴(yán)重。其差動(dòng)保護(hù)的各側(cè)電流互感器除參照上述220kV重要線路，在按穩(wěn)態(tài)特性選用電流互感器時(shí)，適當(dāng)提高所選的ALF外。還應(yīng)特別注意各側(cè)電流互感器特性及二次負(fù)荷的協(xié)調(diào)匹配。(3)母線保護(hù)用電流互感器的選擇由于高壓母線短路電流很大，而且外部故障時(shí)流過各互感器的電流差別也可 能很大，母線差動(dòng)保護(hù)用電流互感器的選擇，很難滿足各種外部故障下的暫態(tài)特 性要求。一般需要保護(hù)裝置采取必要的減輕互感器暫態(tài)飽和影響的措施。工程應(yīng) 用中可根據(jù)保護(hù)裝置的特定要求采用適當(dāng)?shù)碾娏骰ジ?/p>

15、器。(4)110kV及以下系統(tǒng)電流互感器選擇110kV及以下系統(tǒng)由于暫態(tài)問題及其影響相對較輕，電流互感器一般按穩(wěn)態(tài) 條件選擇，采用P類互感器。對于發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)變壓器組，可參照上節(jié)的原則 選用適當(dāng)?shù)碾娏骰ジ衅鳌?發(fā)電機(jī)變壓器組差動(dòng)保護(hù)電流互感器的選擇示例設(shè)發(fā)電機(jī)組容量為600MWV機(jī)端電壓為20kV, cosWTBX8 =0.9。升壓變壓 器組高壓側(cè)為WTBZ500kV母線為一個(gè)半斷路器接線。高壓側(cè)短路時(shí)，通過機(jī)組 的高壓側(cè)短路電流為2.1kA, Tp=0.2s；系統(tǒng)供給的短路電流為38kA, Tp = 0.1s50。5PR已納入新的IEC標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定其剩磁系數(shù)小于10%這樣，低壓側(cè)互感器可以與高壓側(cè) TPY特性較好地匹 配。但PR類互感器勵(lì)磁阻抗較低，即Ts值較低，需按上述TPY的類似方法校驗(yàn) 暫態(tài)工作中勵(lì)磁電流引起的誤差，不應(yīng)超出10%7小結(jié)電流互感器的暫態(tài)飽和嚴(yán)重影響其傳變特性，為保持暫態(tài)綜合誤差于規(guī)定范 圍，互感器鐵心可能需要增大幾倍至幾十倍。嚴(yán)重影響造價(jià)，不利于安裝。工程設(shè)計(jì)選擇電流互感器時(shí)是否考慮暫態(tài)飽和，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中暫態(tài)飽和的出 現(xiàn)條件和后果的嚴(yán)重程度，區(qū)別對待。一般 500kV系統(tǒng)宜要求電流互感器在短路 暫態(tài)中不飽和；220kV系統(tǒng)及某些重要回路可適當(dāng)提高互感器飽和電壓以減輕暫 態(tài)飽和影響；其它系統(tǒng)允許不考慮暫態(tài)飽和問題。電流互感器的剩磁嚴(yán)重影響其飽和