淺談電流互感器飽和對電流保護的影響

李宗，朱述川，呂現傳，古鋒

（兗礦集團有限責任公司機電管理部，山東 鄒城 273500）

我國發電廠、井工煤礦、鐵礦等大型用電單位，受供配電環境復雜性的影響，發生供電系統短路故障時有發生，同時，也常伴隨有保護誤動作、拒動作問題，一直是困擾電力系統維護人員的難題。通過對保護整定值的校驗和常規的電氣預防性試驗，并不能對誤動問題給予合理的解釋。

對電流保護，一般認為，速斷保護反映的是故障電流超過動作電流的情況，只需用動作電流加可靠系數來考量即可，至于超過故障電流后互感器產生的誤差，一般并不影響速斷保護的動作。對于大多數用戶，為便于保護整定和減少測量誤差，通常根據饋出線路的負荷電流大小來選擇電流互感器的額定一次電流。

1 事故案例

2019年，某煤礦110kV變電所2#主變低壓側—10kVⅡ段母線進線開關10213#發生兩次越級跳閘事故。故障點分別在10kVⅡ段10206柜（供排水泵）及10217柜（供后級變電所）饋出側電纜終端頭處，經查閱相關微機保護裝置后臺數據，短路電流分別為9344A和9332A。經檢查現場設備定值及電流互感器選型情況如下。

1.1 2#主變低壓側

（1）電流互感器：變比：2000/5，準確等級：5P20，額定準確限值一次電流：40000A。（2）保護裝置定值：方向過流Ⅰ段定值4.85A(1940A)，延時1.5s（跳本側）。

1.2 10kV段10206柜

（1）電流互感器：變比：100/5，準確等級：5P10，額定準確限值一次電流：1000A。（2）保護裝置定值：過流Ⅰ段59A（1180A），Ⅰ段時間：0s；過流Ⅲ段：10A(200A)，Ⅲ段時間：0.5s。

1.3 10kV段10217柜

（1）電流互感器：變比：600/5，準確等級：5P10，額定準確限值一次電流：6000A。（2）保護裝置定值：過流Ⅰ段：64.66A（7759A），Ⅰ段時間：0s；過流Ⅱ段：27.82A（3338A），Ⅱ段時間：0.3s；過流Ⅲ段：11.72A（1406A），Ⅲ段時間：1.1s。故障跳閘后，對10kV線路10206、10217柜保護裝置進行了保護試驗，線路保護裝置均能正常動作。

2 電流互感器的工作原理

電流互感器是一種變換電流的電氣設備，它的主要功能是向二次系統提供電流信號以反映一次系統的工作情況。電流互感器一次側繞組串接于電網，二次側繞組與測量儀表或繼電器的電流線圈相串聯。其模擬原理圖如圖1，其中I1、I2表示電流互感器一次、二次電流，Ij為勵磁電流，Zj為激磁阻抗。

圖1 電流互感器T型網路等效電路圖

3 磁通密度B與勵磁電流Ij關系曲線分析

對于理想電流互感器：I1×N1＝I2×N2，I1：I2＝N2：N1。為便于推算，取N1=N2，即正常工作時鐵芯的磁通密度B很低，勵磁電流Ij很小，故I2＝I1－Ij≈I1，I2與I1的誤差極小。當發生短路時電流互感器一次側短路電流將變得很大，使磁通密度B大大增加，Ij也相應增加。在磁通密度B不大時，Ij基本與B成線性增長，但B增加到一定程度后將出現飽和現象，磁通增加將變得困難，這時增加Ij并不能使磁通成線性增加，而是增加Ij時B增加越來越少。磁通密度B與勵磁電流Ij的關系曲線如圖2，當B增加到一定程度后將出現飽和，這時Ij將急劇增大，于是I2＝I1－Ij就會出現較大誤差。

“唉！這個二狗子，石油系統還按照工齡，為他辦理了退休，拿著退休金。單位可憐他，讓他看小區大門，就這樣，還在那里亂收過路費，都打了幾架了。你沒發現門房后面還堆滿了他撿來的破爛，準備賣錢的嗎？看來他和他那幾個孩子還有癮。”母親講到這里，食指環繞，放到嘴邊，做了一個吸的姿勢。

4 激磁電壓Uj與勵磁電流Ij關系曲線分析

根據磁感應定律，線圈的感應電壓U與磁通的變化率成正比，在固定頻率的交流磁場中，激磁電壓Uj與B成正比，故Uj與Ij的關系曲線即描述的是B與Ij的關系曲線，也就是說根據此測試方法測得的伏安特性曲線描述的就是B與Ij的關系曲線。可得Uj與Ij的關系曲線如圖3。

圖2 磁通密度B與勵磁電流Ij的關系曲線

圖3 Uj與Ij的關系曲線

由圖3可知，激磁阻抗Zj=Uj/Ij=cosα。即隨著電流互感器飽和程度的增加，激磁阻抗Zj不斷減小，而線圈電阻Z1、Z2基本不變。

由公式I2＝I1－Ij=I1-I2(Z2+Zl)/Zj得

I2=Zj/(Z1+Z2+Zj)×I1。即I2、I1的比值除跟一次側、二次側線圈扎數有關外，還在一定程度上與Z1+Z2及Zj有關。

但當I1增加到電流互感器準確限值后，磁通B越飽和，這時Zj=cosα急劇減小，從而越發突顯出Z1+Z2對二次輸出電流I2的影響。

當電流互感器磁通B越飽和后，I2、I1將失去正常的線性關系，因1＞Zj/(Z1+Z2+Zj)＞0，是否可以證明I2仍隨I1的增加呈上升趨勢？筆者認為，互感器二次側負荷阻抗的性質不同，受畸變電流及磁通變化的影響不同，在Zj/(Z1+Z2+Zj)式中，Z1、Z2、Zj數值亦可能發生了非線性變化。假設Z2無窮大時或Zj無限小時，電流互感器二次側接近于開路，I1全部轉化為勵磁電流，即I2≈0。同時，因保護裝置類型及其對二次電流的采樣方式、周期采樣點的不同，對過飽和狀態下采集的二次側電流曲線特性也略有不同。

綜上可得，在電流互感器過飽和狀態下，并不能保證保護裝置所采集到的I2隨I1的增加一直呈上升趨勢，但可以證明電流互感器所帶回路越多，即Z1+Z2越大，電流互感器越易提前進入飽和區，且飽和后產生的誤差也會越大。

5 案例分析

根據上述事故煤礦10kVⅡ段10206柜及10217柜電流互感器的參數，可知電流互感器精確度10倍時復合誤差是5%。通過二次極限感應電動勢來判別，電流互感器是否滿足誤差要求：

5.1 根據經驗公式（1）

二次極限感應電動勢：

其中：電流互感器二次負載:ZII+ZF

額定容量S=15VA,cosφ=1時，二次負載阻抗小于等于取0.3歐姆,二次繞組阻抗取ZII= 0.1Ω。

則 2 ×ZII+ZF=2 × 0.1 + 0.3 = 0.5Ω；繼 電 保 護 系 數

二次極限感應電動勢

5.2 根據驗證公式（2）

其中：主變低壓側最大三相短路電流Ipm=9629.05A；CT一 次 電 流Ipn= 600A；CT二 次 電 流Isn=5A；取

可以判斷出當發生短路時電流互感器滿足不了復合誤差5%的要求。

5.3 電流互感器10%誤差校驗，圖4為復合誤差曲線圖

通過CT伏安特性拐點參數計算故障電流容許倍數最小

CT漏抗Zfh,取其中m是線路電流與CT一次電流比值；

故障電流容許倍數最小

圖4 復合誤差曲線圖

當最大三相短路電流9629.05A時，倍數為

則說明CT一次側短路時,CT不滿足要求復合誤差5%的要求。即發生短路時，電流互感器二次側輸出電流發生畸變，保護裝置不能正確采集故障電流，未能保護動作。同時，兩次短路電流均小于2#主變低壓側電流互感器額定準確限值一次電流40000A，且大于方向過流Ⅰ段定值一次電流1940A，延時1.5s后2#主變低壓側保護裝置具備動作條件，發生本側跳閘。

6 結語

保護定值小于電流互感器準確限值一次電流的情況下，電流互感器二次電流與一次電流成函數關系，當故障電流達到保護定值時，保護即可動作，切除故障點。

當故障電流大于電流互感器準確限值一次電流，互感器發生磁通飽和，電流互感器二次側輸出電流曲線發生畸變，造成電流互感器二次側輸出電流不滿足復合誤差要求。此時，即使故障電流大于保護整定值，電流互感器二次輸出電流也可能因電流曲線發生畸變而小于整定值，造成保護裝置不動作。

結合磁通密度B與勵磁電流Ij關系曲線分析和激磁電壓Uj與勵磁電流Ij關系曲線分析，CT的二次負載阻抗大小對CT準確度有很大影響。CT二次負載阻抗超出所容許的二次負載阻抗時，勵磁電流的數值就會大大增加，使鐵芯更容易進入飽和狀態，在這種情況下，一次電流很大一部分將用來提供勵磁電流，從而使互感器的誤差大為增加。同樣，當一次電流I1增大時，誤差也會越大。筆者認為，電流互感器準確極限系數并不是固定不變的，復合誤差也會受一次電流I1、負載阻抗Zl及外界環境的影響而不同。同時，較大的勵磁電流Ij將會產生很大的功率Ij×U1，這個功率會使CT產生較高的熱量，達到一定程度就會導致電流互感器燒毀。

綜上所述，為提高電流互感器的準確性，保證復合誤差滿足要求，同時，避免短路電流導致電流互感器燒毀，發生機電事故，在選擇和使用保護用電流互感器應符合以下要求：

（1）應滿足一次回路的額定電壓、最大負荷電流及短路時的動、熱穩定電流的要求。（2）為滿足保護裝置動作可靠性的要求，電流互感器額定準確限值一次電流應不小于饋出線路最大短路電流及保護整定一次電流。（3）測量級電流互感器實際二次負載應在電流互感器額定負載的25%～100%。