淺談繼電保護互感器技術的應用與不足

張良武，胡 帥，金 龍，王廷旺，袁煥炯

（1國網新疆電力有限公司檢修公司 新疆 烏魯木齊 830000）（2國網新疆電力科學研究院 新疆 烏魯木齊 830000） （3廣州市仟順電子設備有限公司 廣東 廣州 510000）

1 引言

隨著科技的發展，人們對電力的需求和質量要求都在不斷提升，導致電網輸配變容量不斷增加，電網的安全保護工作壓力也越來越大。作為電力系統檢測、繼電保護的基礎，互感器技術成為電網運行中不可或缺的重要組成部分。

2 互感器技術原理

互感器在原理上類似于變壓器，是利用電磁感應原理將一次電壓、電流轉換成二次側小電壓、電流的測量設備。繼電保護及測量儀表都是通過互感器二次側電壓、電流來判斷二次側運行狀況，繼而實現對被測電路的測量和保護工作?；ジ衅靼搭愋头譃殡妷夯ジ衅骱碗娏骰ジ衅鲀煞N。

電壓互感器是將一次側高電壓轉變成二次側低電壓，用來測量被測電路電壓的設備。電壓互感器的一次線圈并聯在被測回路上，并且二次回路電壓較高，阻抗很大，工作電流小，如果電壓互感器二次回路短路，將產生很大的短路電流，損壞電壓互感器甚至危害工作人員安全[1]。因此電壓互感器的二次回路不允許短路，可裝設熔斷保護。

電流互感器是將一次側高電流轉變成二次側低電流，用來測量被測電路輸送的電流、電能等數據。電流互感器一次線圈串聯在被測回路上，并且起二次回路電壓很低，阻抗很小。起二次回路電流取決于一次線圈的電流大小，與其所帶負荷無關。電流互感器二次回路開路，會使一次電流全部轉化為勵磁電流，導致互感器磁心飽和發熱損壞，二次側產生高壓危害人身安全。因此電流互感器二次回路不允許開路，且不能裝設熔斷保護[2]。

3 互感器技術繼電保護的應用

3.1 電壓保護

電壓保護是指電壓互感器并聯在被測電流中，測量被測電路電壓峰值、有效值、零序電壓、相位、頻率等因數，間接控制對電壓峰值過高、過電壓、低電壓、相位異常和頻率偏高等電壓異常情況進行保護切斷[3]。目前通常電壓保護有過電壓保護、低電壓保護等。

過電壓是指任何峰值大于正常運行下穩態電壓的相應最大峰值的電壓。過電壓保護分為瞬態過電壓和暫態過電壓，瞬態過電壓是指持續時間極短，如雷擊、開關操作、靜電放電等。瞬態過電壓主要通過防雷裝置保護。而暫態過電壓持續時間比較長，在0.1～1000 ms之間，主要有諧振過電壓、甩負荷過電壓、中性點漂移導致的過電壓和轉移過電壓等。這些過電壓故障嚴重時可能導致電器設備損壞，電器絕緣被擊穿等，危害極大，嚴重威脅電網及用電用戶安全。因此，過電壓保護是繼電保護中的重要項目之一。

電壓保護使用電壓互感器并聯在被測回路中，用較低的變壓互感器的二次回路電壓替代被測電壓，以達到安全、有效的繼電保護工作。

3.2 過電流保護

過電流保護是指當電流超過預定最大值時，保護裝置動作切斷隔離過電流回路的保護。過電流保護分為短路速斷保護和過負荷保護，短路速斷保護是指發生相間短路或接地短路時，短路回路產生極大故障電流，保護裝置動作切斷被測回路的過程，過負荷短路是指線路所掛負荷容量超過了線路允許最大值，導致線路電流過高，從而使保護裝置動作的過程。

過電流保護通常是使用電流互感器串聯在被測回路中，監測被測回路電流峰值和有效值，當被測回路出現電流大小超過設定的允許值時，互感器二次回路電流使保護裝置動作，達到切斷和隔離故障回路的效果。

3.3 零序保護

零序保護是指在大短路電流接地系統中發生接地故障，導致線路產生零序電流、零序電壓，利用這些電氣量構成保護原理的接地短路保護裝置。

零序電流保護的原理，是在三相線路或N線上安裝電流互感器（CT），利用這些CT來檢測三相的電流，由此計算零序電流大小。當線路上所接的三相負荷完全平衡時，線路無接地，可正常運行；當線路上所接的三相負荷不平衡，電路產生不平衡電流，不平衡電流達到了預設的動作值時使控制繼電保護裝置動作，從而達到零序保護的目的。同時，當三相發生接地故障時，接地相產生一個很大的接地短路電流，此時的零序電流是三相不平衡電流與接地短路電流的矢量和，因此零序電流大小劇增，使零序保護動作，達到接地短路保護目的。

3.4 差動保護

差動保護是輸入設備或線輪兩端電流矢量差，當電流矢量差達到設定的動作值時驅動保護裝置動作，被測線路兩端之間的設備。

差動保護是反映被保護設備或區域兩側電流差而動作的保護裝置。依照基爾霍夫定理，電路中流入同一個節點的所有電流的矢量和等于零。把被保護的電氣設備看成是一個節點，那么正常時流進被保護設備的電流和流出的電流相等，差動電流等于零。當變壓器、電動機發電機等設備出現故障時，流進被故障設備的電流和流出的電流不相等，即存在差動電流。使用電流互感器（CT）檢測故障設備兩端電流，則流入CT電流互感器的兩端電流存在一個矢量差即差動電流，當差動電流達到了設定的動作值時，使差動保護裝置動作，繼而達到切斷故障設備和回路的效果[4]。差動保護通常作為變壓器主保護，是繼電保護中最重要的保護之一。

4 現有互感器技術的不足

當前主流互感器技術，即電磁式互感器技術仍有很多缺陷和不足之處，使得互感器在保護工作上事故頻發。

（1）互感器誤差。互感器容易受特定因素影響，如線圈匝數、磁芯橫截面積、電流頻率等因素影響，導致互感器二次回路誤差較大。二次回路的小誤差，則算到一次回路就是一個較大的誤差，容易導致繼電保護裝置誤動作和拒動，對電網的安全運行危害極大。

電力系統中存在大量的感性負荷和容性負荷，這些感性負荷和容性負荷在一定條件下會產生諧振現象，引起諧振過電壓；在系統發生單相接地故障時，導致非故障相電壓升高、引起發生位移；單相接地電弧熄滅后，容易導致電壓互感器的鐵芯飽和。諧振現象、單相接地故障、積極單相接地短路電流電弧熄滅等，均可能引起電壓互感器嚴重誤差。在中性點不接地系統中，發生單相接地時非故障相對地電壓上升到根號三倍，因單相短路接地時可帶故障運行兩小時，電壓互感器不但誤差很大而且導致過熱損壞。

（2）電流互感器誤差。正常運行中的電流互感器產生剩磁是一種普遍存在的現象。正常工況下，剩磁不會自動消失，滯留在磁心中產生磁滯。對于長期運行的電流互感器，磁滯對測量和保護電流互感器的性能都會產生影響，使電流互感器的誤差，嚴重時，將導致電能計量錯誤、繼電保護誤動和拒動等事故。

（3）鐵磁諧振。鐵磁諧振是由于鐵磁心的非線性特性等原因，電壓互感器磁芯飽和之后發生持續性的諧振過電壓現象。如果線路所帶負荷呈較大感性負荷，同時帶有大容量的深井泵。當系統電壓出現波動或持續性諧波，電路中電流或電壓發生突變，可能導致電壓互感器鐵心迅速飽和、感抗減小，當感抗小于容抗時，就有可能產生鐵磁諧振。鐵磁諧振會導致電壓互感器產生很大的激磁電流和電壓突變。嚴重時，將導致磁心的溫度迅速升高，導致電壓互感器燒壞。

5 互感器技術的發展趨勢

近年來，一種新型的光電式互感器(OCT)技術引起關注，國內外的高等院校，科研單位、制造商投入大量的資金和科研人員在不斷地開發和研制各種電壓等級的光電式電流互感器。光電式互感器是利用法拉第磁光效應，即當線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時，其偏振面會發生旋轉，旋轉角與平行于光線方向的磁場有線性關系，利用這一原理來測量被測短路電流等信息[5]。

光電互感器具有以下優點：體積小，絕緣結構簡單；無鐵芯、無磁飽和及鐵磁諧振引發的問題；具有良好的抗電磁干擾性，不會有低壓側開路出現高電壓的危險；頻率響應范圍寬，動態范圍大，測量準確度高；不充油，無燃燒、爆炸等危險；光電式互感器是能順應電力計量與保護的數字化、微機化和自動化的新型互感器技術。

但是光電式互感器技術仍有很多不足之處。其一，測量小電流時，法拉第旋轉角非常小，而傳感器的靈敏度有限，測信號被噪聲所淹沒，導致光電式互感器輸出讀數波動較大，線性度較差，準確度也略超出計量要求；其二，溫度應力等外界因素引起的光在介質中產生雙折射現象，也是降低了檢測靈敏度的一大因素；其三，機械振動溫度變化等因素都會引起輸出光強的變化，以及傳輸輸入光信號的光纖所表現出的偏振特性受到應力溫度等因素影響，而產生部分偏振，使輸入光信號進入偏振器后因為消偏而引起光強波動，導致互感器測量誤差。

可以看出，光電式互感器將是未來互感技術的主流，但是互感器存在不足之處，需要繼續投入分析和研究。

6 結語

互感器技術是繼電保護的基礎，在繼電保護工作中占據重要地位。但由于現有的互感器仍有很多不足之處，致使繼電保護工作事故時有發生，或需要投入大量運檢人工，才能確保電網保護正常運行。新型電子式互感器因其線性特性好、誤差小、受環境影響低等優點，將會是電磁式互感器技術的理想替代品。本文意在給廣大電力工作者和相關專業講述現有互感器技術在繼電保護工作中的應用，討論了電磁式互感器的不足，介紹了新式光電互感器技術的發展現狀，呼吁廣大技術人員積極投入互感器技術的研究和創新，為智能電網發展提供支持。