中壓系統中非周期分量對電流互感器暫態飽和影響

李寧彩，司大軍，王洪亮，張潔

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.云南電網規劃研究中心，昆明650217；3.云南電網公司博士后工作站，昆明 650217；4.云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

中壓系統中非周期分量對電流互感器暫態飽和影響

李寧彩1，司大軍2，王洪亮3，4，張潔1

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.云南電網規劃研究中心，昆明650217；3.云南電網公司博士后工作站，昆明 650217；4.云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

針對中壓系統中非周期分量造成電流互感器暫態飽和，導致變壓器差動保護誤動的情況，對非周期分量對電流互感器飽和的影響進行了理論分析，并基于Matlab進行了仿真。仿真結果與理論分析相符，證明了方法的有效性及實用性，提出了中壓系統中暫態飽和對保護影響的改進措施及建議。

電流互感器暫態飽和；非周期分量；matlab仿真

0 前言

隨著電網的建設，系統供電可靠性進一步增高，但另一方面，系統的短路容量也大幅度提高。從某電網10 kV、35 kV電流互感器校核結果看，有將近一半設備的最大短路電流大于其準確限值電流，不滿足其抗飽和要求。當大容量的短路電流傳入電流互感器時，電流互感器的鐵芯將嚴重飽和，不能正確傳變一次電流，二次側電流波形將發生嚴重畸變，影響繼電保護正確動作[1-2]。

對于大容量短路電流造成的穩態飽和，有研究指出電流互感器在過飽和狀態下二次電流有效值、平均值及由傅氏算法求出的電流值仍將增加，故可按保護最大整定值確定電流保護用的電流互感器準確限值系數[3]。但該研究只考慮了大電流的影響，并沒有涉及暫態飽和的影響。

目前國內電流互感器的設計選型主要還是依據DL/T866-2004《電流互感器和電壓互感器選擇及計算導則》，該導則中指出對于中壓系統，不用考慮暫態飽和的影響，一般按穩態條件選擇P類互感器即可[4]。目前在超高壓、特高壓系統中考慮暫態影響的TP類電流互感器得到了廣泛的應用，但在110 kV系統中基本沒有使用。當故障電流中包含非周期分量時，非周期分量產生的暫態磁通遠大于周期分量產生的穩態磁通，極易使電流互感器飽和[5-8]。目前在中壓系統中因短路電流中非周期分量引起的電流互感器飽和導致繼電保護誤動的事故時有發生，很有必要對此進行深入的研究。本文首先研究了因非周期導致的電流互感器暫態飽和的特性，并用Matlab對其進行了仿真，最后提出了中壓系統中暫態飽和對保護影響的改進措施及建議。

1 保護誤動實例

某變電站110 kV 187斷路器綠云線#273、275桿B相絕緣子雷擊掉串，事故后僅處理了# 275桿的故障，而未發現#273桿故障，導致帶故障合閘，造成B相近區接地短路，1、2號主變A套保護所用CT飽和，差動速斷保護誤動。

對事故原因進行調查，發現1、2號主變110 kV側進線主變差動保護電流互感器及187斷路器綠云線線路保護電流互感器B相均有不同程度的飽和現象。短路時一次電流、二次負載、剩磁都在允許范圍內，伏安特性正常，排除了上述因素造成的電流互感器飽和。

對1、2號主變110 kV側電流互感器主變A套保護故障錄波圖進行分析，其具有下述特征。

1)波形僅在半周波畸變，即電流互感器僅半周波飽和；

2)波形上下半周不對稱、幅值不相等，a半周幅值明顯小于b半周，即Ia＜Ib；

3)波形上下半周經歷的時間不一致，a半周時間小于b半周時間；即ta＜tb；

4)波形具有明顯的隨指數衰減的趨勢。

系統短路時通常伴隨著非周期分量，這些非周期分量的大小與發生短路瞬間電壓的相角有密切關系，當電壓過零點時 (0°或180°)發生短路，非周分量最大，理論上等于周期分量的幅值，從錄波數據看，187線路故障電流的非周分量為20%(二次值)。

由前面分析可知，單是穩態周期性短路電流遠沒有達到使上述間隔B相電流互感器同時飽和的程度，判斷導致電流互感器飽和的原因是穩態周期性短路電流及暫態非周期分量疊加的結果

2 電流互感器的暫態飽和特性

電流互感器的暫態特性解析計算是很復雜的。在實用上，為了簡化，通常是假定互感器工作于勵磁特性的線性部分。這種特性在互感器鐵芯未飽和前是近似可用的[1，4]。

設系統中發生短路時的一次電流為：

式中：θ—短路初始時電流與電壓的夾角；cosθ—短路電流的偏移度。

電流互感器的基本關系式為：

式中：ip—一次電流；ie—勵磁電流；is—二次電流；

設二次負荷為純電阻負荷并忽略電流互感器二次繞組漏抗，則Tb=0，β=0，cosβ=1。考慮比較嚴重的情況，短路電流全偏移情況。此時θ =0，sinθ=0，聯立上述三式得全偏移短路電流經t秒后鐵心中的磁通密度與交流磁通密度幅值之比，即暫態系數：

鐵芯中磁通密度隨時間變化曲線如圖1.

圖1 鐵心中磁通隨時間變化曲線

電流互感器暫態飽和問題是普遍存在的，短路電流一般含有非周期分量，非周期分量產生的暫態磁通遠大于周期分量產生的穩態磁通。短路電流中含有的非周期分量是引起電流互感器暫態飽和的主要因素，這將嚴重影響電流互感器的傳變特性。特別是當一次側電流中包含有很大成分的非周期分量時，電流互感器的勵磁電流中也包含有很大成分的非周期分量，使其波形偏于時間軸的一側[5-7]。

從鐵心中磁通隨時間變化曲線圖可以看出非周期分量產生的暫態磁通是逐漸增加的，到一定時間之后磁通才達到最大值，因此電流互感器飽和出現的時間有延時。這是因為電流互感器正常工作時，勵磁回路是一個大電感，勵磁電流幾乎為零，電流能正確傳變。當系統發生故障時，按T1衰減的一次電流非周期分量突然作為勵磁電流，為滿足電流互感器勵磁電感中電流不能突變的要求，二次回路必產生自由直流分量，來保證電感電流不能突變。此自由直流分量按T2衰減，于是出現了勵磁電流按一定規律延時上升的現象[5，8]。

3 仿真模型及仿真結果

為了更加直觀的看出非周期分量對電流互感器暫態飽和特性的影響，用Matlab/Simulink軟件進行了仿真分析，仿真系統如圖2。

圖2 系統仿真圖

在上述系統中，電源采用三相電源，對110 kV系統中非周期分量進行仿真。電流互感器使用Simulink中的飽和變壓器模型，其額定容量為25 VA，電流比為2 000/5，一次繞組R1=0.001 p.u (標幺值)，L1=0.04 p.u；二次繞組 R1=0.001 p.u(標幺值)，L1=0.04 p.u；表示鐵心渦流和磁滯損耗的電阻Rm=0.04 p.u；鐵芯非線性磁化曲線用分段折線來表示。其它模塊都比較簡單，在這里不做贅述。

系統電流中非周期分量的大小由故障發生瞬間的電壓相角決定。當故障時電壓初始角θ=0，即cosθ=1時，非周期分量最大。模型中通過控制斷路器閉合時間從而能夠有效控制系統電流中的非周期分量大小[9]。

3.1 正常運行狀態

設斷路器在T=25 ms時閉合，此時電壓初始角θ=90°，即cosθ=0，對電流中沒有非周期分量進行仿真。一次電流和二次電流及鐵磁中磁通的仿真波形如圖3、4所示。

圖3 一次電流及二次電流傳變

圖4 鐵心中磁通變化圖

從仿真結果可以看出，當電流中沒有非周期分量時，電流互感器磁通正常，鐵芯沒有發生飽和，能夠正確傳變一次電流。

3.2 暫態飽和特性

設斷路器在T=20 ms時閉合，此時電壓初始角，即，對系統電流中非周期分量達到最大進行仿真，得到一次電流和二次電流及鐵芯中磁通的仿真波形，如圖5、6所示。

圖5 一次電流及二次電流傳變圖

圖6 鐵心中磁通變化圖

當電流中非周期分量最大時，從一次二次電流傳變圖可以看出，經過一定延時后二次電流不能正確傳變，幾個周波后，電流又能正確傳變。與此相對應的鐵芯中的磁通隨著時間逐漸增長到最大，鐵芯發生了飽和，隨著非周期分量逐漸衰減，磁通又逐漸減小，鐵芯退出了飽和。仿真結果與上述的理論分析想符，說明了仿真的正確性，也更好的印證了電流中非周期分量對暫態飽和的影響。

3.4 結果分析

電流互感器暫態特性與系統的一次時間常數有著密切關系。在超高壓和特高壓系統中，一次時間常數較大，比較容易暫態飽和，并且保護誤動造成的后果比較嚴重。目前，在超高壓、特高壓系統中，電流互感器已廣泛使用考慮暫態影響的TP級電流互感器。由于TP級電流互感器體積大、造價成本高、安裝困難等因素，其在110 kV系統中還沒有得到應用。在110 kV主變差動保護中，因非周期分量造成保護誤動的案例時有發生，因此很有必要進行中壓系統中暫態飽和對互感器影響的系統研究，并采取措施防止暫態飽和造成保護誤動的發生。

針對中壓系統中暫態飽和造成保護誤動的案例，一般采取的措施是通過增大電流互感器的變比、減小電流互感器的二次負載、增大準確限制值系數等來提高互感器的暫態裕度系數，從而增加故障電流的線性傳變時間，確保保護裝置不因電流互感器的保護而誤動。除此之外，建議一方面開展暫態計算工作，明確目前中壓電網中暫態過程的影響，以便確定CT和保護功能是否滿足暫態要求；另一方面重新計算差動速斷保護定值，考慮是否可采用更高的定值，從而防止保護誤動的發生。

4 結束語

隨著電網的建設，系統短路容量大幅度增高，電流互感器鐵芯因非線性勵磁特性使其飽和，不能正確傳變一次電流。當故障電流中存在非周期分量時，鐵芯中的暫態磁通遠遠大于穩態磁通，是電流互感器飽和的主要因素，并且由于電流互感器鐵芯是一個大電感，使得其暫態飽和有一定的延時，極易引起差動保護中的不平衡電流，從而引起保護誤動。

針對中壓系統中電流互感器的暫態飽和，一般采取的措施是通過增大電流互感器的變比、減小電流互感器的二次負載、增大準確限制值系數等來提高互感器的暫態裕度系數，從而防止其暫態飽和。另一方面，建議開展中壓電網中暫態計算的系統工作，明確電流互感器暫態飽和的影響，確定是否有必要安裝考慮暫態飽和的TP類電流互感器，從而保證電網供電的可靠性。

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

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[9] 肖偉平，黃紹平.基于Matlab的電流互感器飽和特性仿真分析 [J].變壓器，2005，42(5)：27-30.

司大軍，男，高級工程師，云南電網規劃研究中心。

王洪亮，男，博士后，云南電網公司電力研究院。

Study of the Influence of Non-periodic Component on Transient Saturation of Current Transformer in the Medium Voltage System

LI Ningcai1，Si Dajun2，WANG Hongliang3，4，ZHANG Jie1

(1.School of Electrical＆Electronic Engineering，North China Electrical Power University，Baoding，Hebei 071003，China；2.Power Grid Planning Research Center，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China；3.Postdoctoral Research Workstation of Yunnan Power grid Corporation，Kunming 650217，China；4.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

For non-periodic components causing the current transformer transient saturation in the medium voltage system，and eventually lead to the wrong action of transformer differential protection，in this paper，the influence of non-periodic component for current transformer saturation is analyzed in theory，and has carried on the simulation based on the Matlab.The simulation results consistent with the theoretical analysis，proving the validity and the practicability of the method.Finally，the improvement measures and suggestions of the transient saturation effect on protection is put forward in the medium voltage system。

current transformer transient saturation；non-periodic components；Matlab simulation

TM74

B

1006-7345(2014)06-0100-04

2014-06-26

李寧彩 (1987)，女，碩士研究生，華北電力大學電氣與電子工程學院，研究方向為電氣工程 (e-mail) liningcai0＠126.com。