電流互感器飽和現象影響配網保護的機理研究及改進措施

田 麗

（山西潞安配售電有限公司， 山西 襄垣 046204）

引言

電力系統中配電網絡是煤礦電力系統的重要組成部分，在當前采煤效率和能力不斷提升的背景下，保證配電網系統安全、經濟的運行尤為重要。目前，配電網絡所采用的繼電保護裝置主要以電流互感器為主。在實踐應用中，電流互感器在對配網進行保護時容易導致鐵心飽和而出現保護不及時或者誤動的情況，嚴重威脅著煤礦的安全生產。鑒于電流互感器不易被取代的因素，解決電流互感器飽和影響配網電流保護不精確、不及時的問題迫在眉睫[1]。為此，本文重點開展電流互感器對配網電流保護的影響研究，并針對性地提出改進措施解決上述影響。

1 電流互感器概述

在實際應用中繼電保護裝置并不能夠直接接入配電網的一次系統中，為此一般將電流互感器類的繼電保護裝置將一次系統中的大電流按照一定的比例轉換為小電流的同時實現對二次供電設備的保護。與此同時，電流互感器還能夠實現配電網一次系統和二次設備的隔離，進而保證二次設備及人員的安全。

衡量電流互感器的主要參數包括有額定電流、電流比、容量、準確度和誤差等。根據功能的不同可將電流互感器分為測量類的電流互感器和保護類的電流互感器，本文保護類的電流互感器展開研究。一般情況下，保護類的電流互感器可分為P 類電流互感器和TP 類電流互感器。其中，P 類電流互感器主要應用于低壓配電網電流的保護，該類電流互感器的鐵心屬于閉合狀態，在保護過程中極易導致剩磁的積累；TP 類電流互感器主要應用于電壓等級相對較高的配電網的保護[2]。針對煤礦電力系統配電網的電流保護采用P 類電流互感器。P 類電流互感器可分為5P 和10P 兩個等級，對應的誤差限值如表1 所示。

表1 P 類電流互感器誤差限值

從原理上分析，采用電流互感器對配電網進行電流保護時，不管電流互感器是否保護其在保護過程中均會導致傳變誤差。因此，一般規定電流互感器對配電網進行保護時，要求其能夠滿足電力系統的正確繼電保護動作的標準，且復合誤差不得大于10%。

2 電流互感器保護電流的整定計算

煤礦電力系統對應的配網饋線系統的組成如圖1 所示。

圖1 煤礦配網饋線系統組成示意圖

如圖1 所示，煤礦配網饋電系統所配置的繼電保護系統主要以斷路器和電流互感器為主。因此，保證電流互感器能夠在配網中準確的動作對于保證配網的穩定性和安全性具有重要意義。一般情況下，煤礦配電網中分別設置兩段式電流保護，包括有瞬時電流速斷保護和定時限過電流保護。其中，瞬時電流速斷保護發揮電流保護的主導作用；定時限過電流保護除了能夠對線路本身保護外，還能夠對相鄰的線路進行保護[3]。本節將基于MATLAB 對煤礦配網的兩段式電流保護進行仿真研究，以此來分析電流互感器飽和對配網電流保護的影響機理。

配網電流保護整定包括有瞬時電流速斷保護電流和定時限過電流保護值進行整定。其中，針對煤礦10 kV 電力系統中配網線路對應的速斷保護能夠正常動作，其瞬時電流速斷保護的計算公式如式（1）所示。

式中：I'act為瞬時電流速斷保護的整定值；K'rel為可靠系數，取1.2；Eφ為相電動勢，取10.5 V；Z 為阻抗，取7.142 Ω。

將上述取值代入式（1）得出對應的電流值整定為1 018.57 A；

為了保證電流互感器在過電流情況仍然不會出現誤動作的情況，要求配網線路中的最大負荷電流小于對應的啟動電流值，過電流保護整定值的計算公式如式（2）所示。

式中：Iact為過電流保護的整定值；Krel為可靠系數，取1.25；KMs為自啟動系數，取1；Kre為返回系數，取1；IL.max為線路中的最大負荷電流，取109.971 A。

將上述取值代入式（2）中得出，過電流保護的整定值為137.46 A。

P 類電流互感器的變比系數為75/5。因此，對應的配電網的瞬時電流速度保護的整定值為1 018.57 A/（75/5）=67.91 A；同理，對應的配電網的過電流保護的整定值為137.46 A/（75/5）=9.16 A。

基于上述電流保護整定值的計算結果對電流互感器飽和對配網電流保護的影響進行仿真分析，并得出如下結論：

1）當電流互感器未飽和時，配網中的故障電流能夠正常傳遞，同時電流互感器的瞬時速度保護功能可發揮作用并將故障消除，此時過電流保護功能不發揮作用；

2）當電流互感器飽和后，配網中的故障電流不能夠正常傳遞，同時電流互感器的瞬時速度保護功能不發揮作用[4]。當電流互感器飽和程度不嚴重時，過電流保護功能在0.5 s 可發揮作用；當電流互感器飽和程度很嚴重時，過電流保護功能也不會發揮作用。

綜上所述，電流互感器的飽和現象會抑制配網線路中電流過保護，進而導致相關設備和線路被燒毀。

3 電流互感器飽和改進措施

通過上述研究可知，電流互感器的飽和會直接影響其對配電網的電流保護功能的發揮。為提升電流互感器對配電網電流保護性能，需從根本上解決電流互感器飽和的問題，提升其性能。因此，可通過對電流互感器相關參數進行改進減緩或者解決電流互感器飽和對應配網電流保護的影響[5]。

從理論層面上，可通過增大鐵心的開氣間隙優化電網的一次側參數以及采用剩磁較小的鐵磁材料等措施對電流互感器的性能進行改進。

其中，對于鐵心開氣間隙而言，將該項參數可以增大同等條件下電流互感器的飽和程度；但是鐵心開氣間隙越大會直接影響配網繼電保護的誤差。因此，需兼顧飽和度要求和誤差要求綜合確定鐵心開氣間隙的具體數值。

其次，對于改進電網一次側參數而言，本節通過數值模擬手段對比一次側參數改進前后電流互感器在同等條件下的飽和程度，數值模擬結果如表2 所示。

表2 一次側參數優化前后的數值模擬結果對比

如表2 所示，對一次側參數優化后電流互感器的飽和電流值增大，飽和誤差降低。即，對一次側參數優化可以減緩電流互感器飽和對配網電流保護的影響。

4 結語

電力系統為煤礦生產的主要動力源，其配電網的穩定性和安全性直接決定煤礦的生產效率和安全性。對于煤礦配電網繼電保護所采用的電流互感器容易出現飽和現象進而影響繼電保護裝置的準確動作，對煤礦的安全生產造成一定的影響。針對此情況，本文開展一些系列的研究證明了電流互感器的飽和會直接影響配電網繼電保護功能，并針對性提出可通過適當增加鐵心的開氣間隙、優化一次側參數等手段改善電流互感器飽和現象對配網電流保護的影響。