電流互感器飽和現(xiàn)象影響配網(wǎng)保護(hù)的機(jī)理研究及改進(jìn)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(tǒng)中配電網(wǎng)絡(luò)是煤礦電力系統(tǒng)的重要組成部分，在當(dāng)前采煤效率和能力不斷提升的背景下，保證配電網(wǎng)系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行尤為重要。目前，配電網(wǎng)絡(luò)所采用的繼電保護(hù)裝置主要以電流互感器為主。在實(shí)踐應(yīng)用中，電流互感器在對(duì)配網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)時(shí)容易導(dǎo)致鐵心飽和而出現(xiàn)保護(hù)不及時(shí)或者誤動(dòng)的情況，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。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(wǎng)電流保護(hù)不精確、不及時(shí)的問(wèn)題迫在眉睫[1]。為此，本文重點(diǎn)開展電流互感器對(duì)配網(wǎng)電流保護(hù)的影響研究，并針對(duì)性地提出改進(jìn)措施解決上述影響。

1 電流互感器概述

在實(shí)際應(yīng)用中繼電保護(hù)裝置并不能夠直接接入配電網(wǎng)的一次系統(tǒng)中，為此一般將電流互感器類的繼電保護(hù)裝置將一次系統(tǒng)中的大電流按照一定的比例轉(zhuǎn)換為小電流的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)二次供電設(shè)備的保護(hù)。與此同時(shí)，電流互感器還能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)一次系統(tǒng)和二次設(shè)備的隔離，進(jìn)而保證二次設(shè)備及人員的安全。

衡量電流互感器的主要參數(shù)包括有額定電流、電流比、容量、準(zhǔn)確度和誤差等。根據(jù)功能的不同可將電流互感器分為測(cè)量類的電流互感器和保護(hù)類的電流互感器，本文保護(hù)類的電流互感器展開研究。一般情況下，保護(hù)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(yīng)用于低壓配電網(wǎng)電流的保護(hù)，該類電流互感器的鐵心屬于閉合狀態(tài)，在保護(hù)過(guò)程中極易導(dǎo)致剩磁的積累；TP 類電流互感器主要應(yīng)用于電壓等級(jí)相對(duì)較高的配電網(wǎng)的保護(hù)[2]。針對(duì)煤礦電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的電流保護(hù)采用P 類電流互感器。P 類電流互感器可分為5P 和10P 兩個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)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(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行電流保護(hù)時(shí)，不管電流互感器是否保護(hù)其在保護(hù)過(guò)程中均會(huì)導(dǎo)致傳變誤差。因此，一般規(guī)定電流互感器對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)時(shí)，要求其能夠滿足電力系統(tǒng)的正確繼電保護(hù)動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)，且復(fù)合誤差不得大于10%。

2 電流互感器保護(hù)電流的整定計(jì)算

煤礦電力系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的配網(wǎng)饋線系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 煤礦配網(wǎng)饋線系統(tǒng)組成示意圖

如圖1 所示，煤礦配網(wǎng)饋電系統(tǒng)所配置的繼電保護(hù)系統(tǒng)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(wǎng)中準(zhǔn)確的動(dòng)作對(duì)于保證配網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。一般情況下，煤礦配電網(wǎng)中分別設(shè)置兩段式電流保護(hù)，包括有瞬時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。其中，瞬時(shí)電流速斷保護(hù)發(fā)揮電流保護(hù)的主導(dǎo)作用；定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)除了能夠?qū)€路本身保護(hù)外，還能夠?qū)ο噜彽木€路進(jìn)行保護(hù)[3]。本節(jié)將基于MATLAB 對(duì)煤礦配網(wǎng)的兩段式電流保護(hù)進(jìn)行仿真研究，以此來(lái)分析電流互感器飽和對(duì)配網(wǎng)電流保護(hù)的影響機(jī)理。

配網(wǎng)電流保護(hù)整定包括有瞬時(shí)電流速斷保護(hù)電流和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)值進(jìn)行整定。其中，針對(duì)煤礦10 kV 電力系統(tǒng)中配網(wǎng)線路對(duì)應(yīng)的速斷保護(hù)能夠正常動(dòng)作，其瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：I'act為瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的整定值；K'rel為可靠系數(shù)，取1.2；Eφ為相電動(dòng)勢(shì)，取10.5 V；Z 為阻抗，取7.142 Ω。

將上述取值代入式（1）得出對(duì)應(yīng)的電流值整定為1 018.57 A；

為了保證電流互感器在過(guò)電流情況仍然不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況，要求配網(wǎng)線路中的最大負(fù)荷電流小于對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)電流值，過(guò)電流保護(hù)整定值的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：Iact為過(guò)電流保護(hù)的整定值；Krel為可靠系數(shù)，取1.25；KMs為自啟動(dòng)系數(shù)，取1；Kre為返回系數(shù)，取1；IL.max為線路中的最大負(fù)荷電流，取109.971 A。

將上述取值代入式（2）中得出，過(guò)電流保護(hù)的整定值為137.46 A。

P 類電流互感器的變比系數(shù)為75/5。因此，對(duì)應(yīng)的配電網(wǎng)的瞬時(shí)電流速度保護(hù)的整定值為1 018.57 A/（75/5）=67.91 A；同理，對(duì)應(yīng)的配電網(wǎng)的過(guò)電流保護(hù)的整定值為137.46 A/（75/5）=9.16 A。

基于上述電流保護(hù)整定值的計(jì)算結(jié)果對(duì)電流互感器飽和對(duì)配網(wǎng)電流保護(hù)的影響進(jìn)行仿真分析，并得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)電流互感器未飽和時(shí)，配網(wǎng)中的故障電流能夠正常傳遞，同時(shí)電流互感器的瞬時(shí)速度保護(hù)功能可發(fā)揮作用并將故障消除，此時(shí)過(guò)電流保護(hù)功能不發(fā)揮作用；

2）當(dāng)電流互感器飽和后，配網(wǎng)中的故障電流不能夠正常傳遞，同時(shí)電流互感器的瞬時(shí)速度保護(hù)功能不發(fā)揮作用[4]。當(dāng)電流互感器飽和程度不嚴(yán)重時(shí)，過(guò)電流保護(hù)功能在0.5 s 可發(fā)揮作用；當(dāng)電流互感器飽和程度很嚴(yán)重時(shí)，過(guò)電流保護(hù)功能也不會(huì)發(fā)揮作用。

綜上所述，電流互感器的飽和現(xiàn)象會(huì)抑制配網(wǎng)線路中電流過(guò)保護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備和線路被燒毀。

3 電流互感器飽和改進(jìn)措施

通過(guò)上述研究可知，電流互感器的飽和會(huì)直接影響其對(duì)配電網(wǎng)的電流保護(hù)功能的發(fā)揮。為提升電流互感器對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)性能，需從根本上解決電流互感器飽和的問(wèn)題，提升其性能。因此，可通過(guò)對(duì)電流互感器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)減緩或者解決電流互感器飽和對(duì)應(yīng)配網(wǎng)電流保護(hù)的影響[5]。

從理論層面上，可通過(guò)增大鐵心的開氣間隙優(yōu)化電網(wǎng)的一次側(cè)參數(shù)以及采用剩磁較小的鐵磁材料等措施對(duì)電流互感器的性能進(jìn)行改進(jìn)。

其中，對(duì)于鐵心開氣間隙而言，將該項(xiàng)參數(shù)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(huì)直接影響配網(wǎng)繼電保護(hù)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(shù)值。

其次，對(duì)于改進(jìn)電網(wǎng)一次側(cè)參數(shù)而言，本節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)比一次側(cè)參數(shù)改進(jìn)前后電流互感器在同等條件下的飽和程度，數(shù)值模擬結(jié)果如表2 所示。

表2 一次側(cè)參數(shù)優(yōu)化前后的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

如表2 所示，對(duì)一次側(cè)參數(shù)優(yōu)化后電流互感器的飽和電流值增大，飽和誤差降低。即，對(duì)一次側(cè)參數(shù)優(yōu)化可以減緩電流互感器飽和對(duì)配網(wǎng)電流保護(hù)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿υ矗渑潆娋W(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性直接決定煤礦的生產(chǎn)效率和安全性。對(duì)于煤礦配電網(wǎng)繼電保護(hù)所采用的電流互感器容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象進(jìn)而影響繼電保護(hù)裝置的準(zhǔn)確動(dòng)作，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)造成一定的影響。針對(duì)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(huì)直接影響配電網(wǎng)繼電保護(hù)功能，并針對(duì)性提出可通過(guò)適當(dāng)增加鐵心的開氣間隙、優(yōu)化一次側(cè)參數(shù)等手段改善電流互感器飽和現(xiàn)象對(duì)配網(wǎng)電流保護(hù)的影響。