電流互感器飽和對繼電保護裝置動作影響分析與對策

王 銳，何小飛，李江陵，鐘 斌，楊永忠

(國網樂山供電公司，四川 樂山 614000)

電流互感器飽和對繼電保護裝置動作影響分析與對策

王 銳，何小飛，李江陵，鐘 斌，楊永忠

(國網樂山供電公司，四川 樂山 614000)

對電流互感器飽和對繼電保護裝置動作產生的影響進行了分析，介紹了電流互感器發生穩態和暫態飽和現象的原理。并通過兩個實際案例分別對兩種飽和情況影響繼電保護裝置正確動作過程進行了深入研究。最后針對可能造成的影響分別從設備選型，電網運行方式調整，保護裝置研發改進以及保護定值調整4個方面提出了詳細的措施建議。事實證明，通過這些措施可以有效降低電流互感器飽和對于繼電保護裝置的影響。

電流互感器;飽和;繼電保護動作;穩暫態分析

電流互感器 (TA)及其二次回路的可靠性和保護裝置的正確動作密不可分，而事實上對保護定值的正確性、保護裝置的可靠性很重視，但是對于繼電保護裝置所選用的電流互感器參數選擇及實際特性校驗重視度不夠［1］，結合樂山供電公司發生的兩起因電流互感器飽和造成的保護裝置拒動和誤動事件進行分析，并結合實際情況對電流互感器的參數選擇和減小因電流互感器飽和造成影響提出一些措施建議。

1 電流互感器的選型原則

目前保護用的電流互感器可分為兩類，一類是P類電流互感器，包括PX、PR兩類，該類電流互感器準確限值為穩態對稱短路電流的復合誤差或勵磁特性拐點來確定的。另一類是TP類電流互感器，該類電流互感器的準確限值是考慮一次電流同時具有周期和非周期分量，并按照某種工作規定的暫態工作的峰值誤差來確定的。該類電流互感器適用于考慮短路電流中非周期分量暫態影響的情況［2］。

由于220 kV及以下系統暫態飽和問題及其影響后果較輕，因此保護用的電流互感器一般按穩態條件選擇，選用P類互感器。而對于330 kV及以上系統，由于一次時間常數較長，電流互感器暫態飽和影響較嚴重，由此造成保護誤動和拒動后果嚴重，因此所選用的互感器應保證不能造成暫態飽和，宜選用TP類電流互感器［3］。

2 電流互感器飽和理論分析

根據對電流互感器飽和現象的研究，電流互感器飽和現象分為兩種，一種是大容量穩態短路電流引起的飽和 (穩態飽和)，另一種是由于短路電流中含有非周期分量和鐵芯存在剩磁而引起的飽和(暫態飽和)［4］。在穩態對稱短路電流 (非周期分量)下，影響電流互感器的主要因素有:短路電流幅值、二次回路阻抗。在實際短路暫態規程中，短路電流可能存在非周期分量而嚴重偏移。這可能造成電流互感器嚴重暫態飽和。

a. 穩態電流飽和

穩態電流飽和是指當電流互感器通過穩態短路電流超過一定值時，互感器鐵芯將出現飽和。這種飽和情況下二次電流出現波形畸變，呈脈沖波形，正負半波大體對稱。對于反映電流值相關的保護，如過電流保護和阻抗保護，飽和將使靈敏度降低，甚至拒動。而對于差動保護，由于差電流取決于兩側互感器飽和特性差異，如果兩側互感器飽和特性差異較大，一側飽和另一側不飽和，則在區外故障時，差動保護可能誤動，電流互感器發生穩態電流飽和時二次諧波中的諧波分量主要是3次諧波，2次諧波分量幾乎沒有。

b. 暫態電流飽和

短路電流中一般含有非周期分量，特別是在高壓系統中，短路電流的非周期分量更加顯著，這將使電流互感器的傳變特性嚴重惡化，原因是電流互感器的勵磁特性按照工頻設計，在傳變等效頻率很低的非周期分量時，鐵芯磁通 (即勵磁電流)需要大大增加，非周期分量導致互感器暫態飽和時二次電流是不對稱的，波形會朝著一方整體上移［5］，如圖1所示。這樣就更加速了互感器的飽和。電流互感器發生暫態電流飽和時二次電流中諧波分量主要是2次諧波，3次諧波分量較少。

圖1 TA飽和時一次側有無非周期分量傳變特性對比

3 實例分析

3.1 案例1

2014年11月17日0時26分，110 kV斑竹灣站10 kV斑肖線955開關柜出線電纜接頭處短路故障，955開關保護拒動，1號主變低后備保護過流Ⅰ段動作跳開930開關，2號主變低后備過流Ⅳ段動作跳開102、902開關，造成10 kVⅡ段母線失電，110 kV斑竹灣站部分主接線圖如圖2所示。

a. 故障分析

根據保護動作報文得知此次故障為三相短路，901和902開關TA變比3 500/5,955開關TA變比200/5，由主變錄波電流 (20+16=36 A)換算出流經955開關TA的一次故障電流約為36×700=25 200 A(930跳開后降為14 000 A)，二次故障電流25 200/40=630 A。955開關TA的精確級為5P10，即在額定電流10倍以內 (準確度限值電流為200×10=2 000 A)，TA誤差不大于±5%，但實際的故障電流約為額定電流的126倍。由圖3可看出，故障發生時，955開關TA已嚴重飽和，波形畸變嚴重，基波分量很小且含有大量諧波，造成線路保護拒動。

圖2 110 kV斑竹灣站部分主接線圖

圖3 斑肖線B、C相故障電流波形圖

b. TA熱穩定校驗

根據以上分析得知當時三相短路電流為25.2 kA，動穩定電流為2.55 ×25.2=64.26 kA。

斑肖線TA熱穩定電流值為31.5 kA及以上，動穩定電流為80 kA及以上，而主變低后備保護切除本側動作時間為1.7 s。

10 kV母線短路熱穩定值為25.22×1=635，TA的熱穩定值為31.52×1.7=1 686＞635，因此熱穩定滿足要求。

c. TA動穩定校驗

母線短路動穩定值為65.26 kA，TA的動穩定值為80 kA＞65.26 kA，因此動穩定滿足要求。

從以上分析可知，由于斑肖線TA的準確限值與TA變比組合不滿足，使得當發生近區故障時，短路電流大于準確限值，造成TA嚴重飽和，傳變性能下降，波形畸變，造成了線路過流保護采樣裝置無法采集到實時電流量造成保護拒動。

3.2 案例2

2011年10月23日19時31分，110 kV黃土變電站1號主變區外發生故障，故障點在開關柜內部上方，故障類型為AC相短路，在此次故障中，1號主變的兩套差動保護裝置動作行為不一致，第一套保護動作報文顯示:0.000 ms差動保護啟動，0.027 ms差動保護出口，三相差流分別為ICDA=5.198 A ，ICDB=0.155 A，ICDC=5.425 A，第二套保護裝置的動作保護為:0.000 ms差動保護啟動，三相差流分別為:ICDA=0.002 A ，ICDB=0.002 A，ICDC=0.004 A，由于是區外故障，可以基本斷定1號主變第一套保護屏在此次故障屬于誤動作，110 kV黃土變電站部分主接線圖如圖4所示。

圖4 110 kV黃土變電站部分主接線圖

a. 故障分析

對于1號主變差動保護，上述故障為區外故障，但從故障錄波圖中可看到，1號主變35 kV側二次電流發生嚴重畸變 (A、C相)。其中1號主變差動保護動作報告中顯示A相差流為5.198 A，C相差流為5.425 A，這說明故障發生時，A、C相TA發生飽和導致二次電流無法如實反映一次電流。A相二次諧波含量為0.805 A，C相二次諧波含量為0.535 A。

根據故障數據，繪制差動保護特性圖得知，A、C相已落入比率制動差動保護動作區。因此符合動作條件。且A相電流中二次諧波含量為0.805/5.198 ×100%=15.5%，C 相電流中二次諧波含量為 0.535/5.425 ×100%=9.86%，故障諧波含量未達到保護定值整定的20%。因此差動保護動作開放。

b. TA穩態特性分析

通過故障錄波圖可得出35 kV側實際三相短路電流，IdA=11 571.5 A，IdB=10 946.9A，IdC=11 604.9 A，由于35 kV側變比為2 000/5，這說明，35 kV側A、C相TA在一次電流在不到額定電流的6倍時就開始飽和。

而35 kV側TA的準確限值為10P20，隨后對35 kV側TA進行伏安特性測試和10%誤差測試。從試驗結果看，35 kV側TA一次流過10倍額定穩態電流時，保護的二次繞組誤差不會超過10%。

c. TA暫態特性分析

造成TA飽和的各種因素中，除了流過TA的故障短路大小外，一次電流的偏移程度同樣是造成TA飽和的一個重要原因，這種偏移正是短路電流中含有大量的非周期分量。實際上由于短路電流非周期分量的影響，即使短路電流值不大，也可能產生嚴重暫態飽和而造成很大誤差。

通過以上分析，可推斷出本次差動保護誤動是由于主變低壓側TA出現暫態飽和，造成差動保護感受到差流，落入保護動作區，二次諧波制動未達到閉鎖值，最終造成區外故障時主變差動保護誤動。

4 提高TA抗飽和能力的措施建議

a. 加強對TA選型工作。根據《電流互感器選用導則》，加大TA動熱穩定參數、TA變比和準確限值的校核選擇。對于TA動熱穩定校驗，應按照各站最大運行方式下的最大短路電流值來核算［6］，使得TA的動熱穩定值應大于短路電流值。在TA準確限值系數選擇上，應按照TA一次額定電流乘TA準確值系數大于最大短路電流值，才能確保TA的誤差在合格范圍內。

需要注意的是在TA選型時，還需考慮TA的安裝尺寸是否滿足現場開關柜的相間以及相對高壓開關柜柜體的安全凈距。因為準確限值系數越高，TA的鐵芯越大，設計寬度也會越大，成本也會越高。而TA變比越大，測量誤差也會越大，因此在TA選型時應結合實際情況綜合考慮。

b. 開展變壓器抗短路能力的校核工作，根據設備的實際情況有選擇性的加裝中性點小電抗、限流電抗器等，對不滿足要求的變壓器進行改造或更換。在核算時應特別注意主變并列數量對短路電流的影響。計算表明，主變高、中壓側發生短路時短路電流與主變并列數量影響不大，而低壓側 (中壓側沒有電源情況下)發生短路時，流過主變的短路電流與并聯數量有明顯關系［7］。數據顯示，同一變電站內，并聯變壓器數量越多，低壓側短路電流值越大，即低壓側采用分列運行方式能減小短路電流值。

目前主要采用的限制短路電流方法包括:改變中性點接地方式或加裝小電抗抑制單相短路電流;大容量開關限流;出線加裝固定串聯電抗器;加裝新型可控串聯限抗;變壓器分列運行，這些方法各種優劣。除中性點加裝小電抗為單一針對單相短路電流的限流措施，其他幾種方法都是針對三相短路情況的。對于低壓側故障，則可采用低成本、技術成熟的出線加裝固定電抗的方式［8］。

c. 采用具有抗飽和能力的繼電保護裝置。目前國內各保護裝置廠家都在研究繼電保護裝置的TA抗飽和能力，并已取得了一些成果，在220 kV及以上的主變差動和母線差動保護裝置中，均設置有TA飽和檢測元件，可以有效避免差動保護因TA飽和造成區外故障時誤動。

目前TA飽和檢測元件原理有兩種，一種是采用自適應阻抗加權抗飽和方法，即利用電壓工頻變化量啟動元件自適應開放加權算法［9］。另一種是目前常采用是諧波制動方法，利用TA飽和后，無論是穩態還是暫態分量都有大量2、3次諧波分量，通過檢測電流中2、3次諧波含量作為判據。當與某相差動電流有關的電流滿足整定定值時即認為此相差流為TA飽和引起，閉鎖差動保護。該方法有效避免差動保護因TA保護造成區外故障誤動，但無法在TA飽和時對電流類保護出現拒動及時發現采取措施［10］。

d. 調整保護定值，縮短故障時間。從以上兩個案例可知，當發生近區故障時，如果TA飽和造成保護拒動，這時如果主變后備保護定值整定不當，不能及時切除故障短路電流，將可能造成對主變的嚴重沖擊，甚至對主變低壓側繞組造成損壞。因此針對主變近區短路這一情況，如果TA因現場實際無法滿足相關要求，可考慮對線路保護以及主變后備保護定值進行調整，在確保不越級誤動的情況下，盡量縮短故障時間，減少故障損失。

目前，樂山供電公司35 kV出線過流Ⅰ段最長時限整定為0.9 s;35 kV出線過流Ⅲ段最長時限為1.5 s;10 kV出線過流Ⅱ段最長時限為0.7 s;10 kV出現過流Ⅲ段最長時限為1.2 s。調整后，一是對于35 kV、10 kV側后備保護跳相應側分段時限，以較短時限跳相應分段開關，快速隔離故障。整定主變10 kV側后備跳分段930開關時限統一按0.8 s整定;35 kV側后備跳分段530開關時限統一按1.0 s整定。(與相應出線最長時限有0.1 s級差，不致頻繁動作)。二是對于35 kV、10 kV側后備保護跳本側，與相應出線保護過流Ⅲ段完全配合。整定35 kV、10 kV側出線過流Ⅲ段與相應電壓等級主變后備跳本側段電流定值有不小于1.1的配合系數，時限級差不小于0.3 s。通過調整保護定值，達到縮短故障切除時間目的。

5 結束語

本文對電流互感器飽和對繼電保護裝置動作影響進行介紹，結合樂山供電公司發生的兩起事件分別進行了詳細分析，并分別從互感器本身，電網運行方式、繼電保護裝置等方面提出了改進措施。事實上，電流互感器飽和一直是影響繼電保護動作的一個重要因素，通過近些年的努力，也取得了很大進步，相信通過各方面的努力，電流互感器飽和對保護裝置的影響將逐步消除。

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Influence Analysis and Strategy on Relay Protection Operation for Current Transformer Saturation

WANG Rui，HE Xiao-fei，LI Jiang-ling，ZHONG Bin，YANG Yong-zhong
(State Gird Leshan Power Supply Company，Leshan，Sichuan 614000，China)

In this paper，current transformer impacts on relay protection operation which is analyzed.The principle of steady and transient current transformer protection is introduced.Two saturation conditions affecting correct course of relay protection devices is studied by two actual cases.According to the possible effect，detail measures are proposed from selecting equipment，mode adjustment of power grid operation，improvement and protecting value adjustment.Results demonstrate that these measures can effectively reduce the influence which current transformer impacts on relay protection operation.

Current transformer;Saturation;Relay protection operation;Transient stability analysis

TM452;TM774

A

1004-7913(2015)08-0046-04

王 銳 (1975—)，男，學士，高級工程師，主要從事變電檢修技術工作。

2015-05-20)