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電流互感器的暫態飽和及應用計算示例
電流互感器的暫態飽和及應用計算示例
　　摘要：討論保護用電流互感器的暫態飽和及工程應用中的問題。互感器暫態飽和對保護裝置性能有嚴重影響，為保證繼電保護在暫態飽和條件下正確動作，工程應用中應合理選用電流互感器的類型和參數，保護裝置必要時應采取減緩互感器飽和影響的措施。文中還列舉大型發電機變壓器組差動保護用電流互感器的選擇計算示例。
　　關鍵詞：電流互感器；飽和；短路電流偏移；暫態特性；準確限值；繼電保護
　　1前言
保護用電流互感器要求在規定的一次電流范圍內，二次電流的綜合誤差不超出規定值。對于有鐵心的電流互感器，形成誤差的*主要因素是鐵心的非線性勵磁特性及飽和。電流互感器的飽和可分為兩類：一類是大容量短路穩態對稱電流引起的飽和(以下稱為穩態飽和)；另一類是短路電流中含有非周期分量和鐵心存在剩磁而引起的暫態飽和(以下稱為暫態飽和)。這兩類飽和的特性有很大不同，引起的誤差也差別很大。在同樣的允許誤差條件下，考慮暫態飽和要求的互感器鐵心截面可能是僅考慮穩態飽和的數倍至數十倍。因而對互感器造價及安裝條件提出了嚴峻的要求。以往在中低壓系統和發電機容量較小的情況下，互感器暫態飽和的影響較輕，一般未采取專門對策。而對當前的超高壓系統和大容量機組，為保證繼電保護的正確動作，暫態飽和已成為必須考慮的因素。由于互感器暫態飽和的機理和計算較復雜，要求互感器暫態不飽和所需代價很高，因而在實際工程中應用情況較混亂。本文根據國內外的標準和應用經驗，提出較規范的考慮暫態飽和的互感器選擇和計算方法，供工程應用參考。作為示例，本文給出大型發電機變壓器組差動保護用電流互感器的選擇計算及參數選擇的建議。
　　2電流互感器的穩態飽和特性及對策
當電流互感器通過的穩態對稱短路電流產生的二次電動勢超過一定值時，互感器鐵心將開始出現飽和。這種飽和情況下的二次電流如圖1所示，其特點是：畸變的二次電流呈脈沖形，正負半波大體對稱，畸變開始時間小于5ms(1/4周波)，二次電流有效值將低于未飽和情況。對于反應電流值的保護，如過電流保護和阻抗保護等，飽和將使保護靈敏度降低。對于差動保護，差電流取決于兩側互感器飽和特性的差異。　　
　　
例如某一1200/5的電流互感器，制造部門提供的規范為［1］：5P20，30VA。其中5P為準確等級，30VA為二次負荷額定值，20為準確限值系數(ALF)。電流互感器在額定負荷下的二次極限電動勢Es＝(ALF)·Isn·(Rct＋Rbn)，此時綜合誤差應不超過5%。綜合誤差也可選用10%。選擇保護用電流互感器時，一般要求ALF與額定一次電流乘積大于保護校驗用短路電流，二次負荷小于互感器額定負荷，實際二次電動勢不超過極限二次電動勢。當前工程中經常遇到的問題是短路電流過大，ALF不滿足要求，但實際負荷比額定負荷小得多。對于低漏磁電流互感器［2］，可以在實際負荷下的二次電動勢不超過極限值的條件下，適當提高ALF的可用值。但應指出，對于某些不符合低漏磁要求的互感器，如U型電流互感器、一次多匝的互感器等，在一次短路電流倍數超過ALF時，由于鐵心局部飽和可能引起二次極限電動勢降低，不能在降低二次負荷時，按反比提高ALF。有些制造廠提供的ALF與負荷的關系曲線，未認真考慮上述局部飽和影響，使用時應慎重。
　　3電流互感器的暫態飽和
短路電流一般含有非周期分量，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是按工頻設計的，在傳變等效頻率很低的非周期分量時，鐵心磁通(即勵磁電流)需要大大增加。圖2表示電流互感器在完全偏移的故障電流(非周期分量幅值達100%)下鐵心磁通的增長情況，互感器帶電阻性負荷。圖中Φac代表傳變故障電流工頻分量所需的磁通，而Φdc則代表傳變暫態(非周期)分量所需的磁通，其值遠大于傳變工頻分量的Φac。磁通暫態分量Φdc是系統一次回路時間常數Tp和電流互感器二次回路時間常數Ts的函數。Φdc開始時是按Tp增長。磁通達到*大值的時間和數值與Tp、Ts等有關。
　　　
　　按是否考慮短路電流的暫態過程，電流互感器分為P和TP兩大類。P類電流互感器要求在Φac情況下不飽和，而TP類電流互感器則要求在整個工作循環中的總磁通Φ＝Φac＋Φdc情況下不飽和。因此要求TP類電流互感器的鐵心遠大于P類電流互感器。要求增大的倍數即暫態面積增大系數Kdc。
由標準［2］可知，對于全偏移短路電流，在C_t_O工作循環時，所需暫態面積系數為：
　　
　　
　　
電流互感器暫態面積系數Ktd與一次時間常數Tp有密切關系，對于P級、TPS和TPX級電流互感器,TpTs，短路電流為全偏移情況下，短路后不同時間t的Ktf與Tp關系見圖3(圖中Ts＝10s)。在Tp較大時，Ktd可達幾十倍。　　　　當一次電流存在非周期分量導致互感器暫態飽和時，二次電流的波形示例如圖4。圖中Tp為50ms,R2n為4Ω，R2為2Ω。圖4(a)為互感器無剩磁的情況，圖4(b)為互感器有75%剩磁的情況。　　
　　
　　　　由圖4可知，非周期分量導致互感器暫態飽和時二次電流波形是不對稱的，開始飽和的時間較長，如圖4(a)為30ms。但鐵心有剩磁時，將加重飽和程度和縮短開始飽和時間，如圖4(b)，飽和開始時間為6ms。
對鐵心中剩磁的影響必須給予足夠的注意，因為電流互感器由于短路電流引起暫態飽和形成剩磁后，在正常運行的電流情況下，剩磁很難消除。文獻［3］列舉了在一個230kV系統141組電流互感器的調查結果如表1，可見各種程度的剩磁存在概率都是很大的。　　
　　
為了減緩暫態飽和對繼電保護的影響，需要采取必要的措施。這種措施有兩類：一類是保護裝置具備減緩飽和影響的能力；另一類是選擇適當的電流互感器類型和參數。
　　4保護裝置減緩互感器暫態飽和影響的措施[BT)]
母線外部故障時，各支路的短路電流分布可能很不均勻，飽和情況可能很不一致。為保證母線差動保護的正確動作，要求母線差動保護裝置必須采取措施減緩暫態飽和影響，并不對電流互感器提出特殊要求。這已成為定論并得到普遍執行。
對于其它保護，如發電機差動保護、變壓器差動保護等，則未有明確規定。當前國內生產的保護裝置一般未采取專門措施，而需要在選擇電流互感器時，考慮暫態飽和的影響。某些國外產品已聲明采取了相應措施，而不再對互感器提出特殊要求。
保護裝置采取的措施，使用較廣泛的有高阻抗母線保護，以提高差動繼電器阻抗和利用飽和互感器分流來防止區外故障誤動。還有利用互感器暫態飽和有一定時延來區別差動保護中的差電流是由內部故障產生還是由飽和產生等等。本文不準備詳細討論保護裝置防止互感器飽和引起誤動的各種措施。只想著重指出，在當前普遍應用微機保護條件下，保護裝置完全有可能采用多種有效措施來減緩暫態飽和的影響，因而可對互感器選擇不提出特殊要求。這樣可產生重大經濟效益。所以，希望繼電保護開發制造部門能在這方面取得更積極有效的成果。
還需要指出的是互感器暫態飽和與穩態飽和的特性有很大差別，反映在二次電流的波形也很不相同，因而采取的措施也應注意區別對待。例如利用故障與飽和出現的時間差時，暫態飽和與故障時差可能較明顯，而穩態飽和與故障時差則較小(＜5ms)。
　　5考慮暫態飽和的電流互感器選擇原則
電流互感器暫態飽和問題是普遍存在的，但不同情況下嚴重程度有所差別，所導致的后果也不同。如普遍要求選用的電流互感器保證暫態過程中不致飽和，則將大大增加投資。實際上，許多工程中選用的一般電流互感器雖未能完全滿足暫態特性要求，但也可能有一定暫態儲備，運行經驗表明，很多情況下采用一般互感器也是可接受的。因此，選擇保護用電流互感器時，應根據互感器所在系統暫態問題的嚴重程度，所用保護裝置的特性及暫態飽和可能引起的后果等因素，慎重確定。
(1)500kV系統電流互感器選擇
500kV系統和高壓側為500kV的變壓器或發電機變壓器組，由于一次時間常數較大(100ms以上)，電流互感器暫態飽和可能較嚴重，由此導致保護誤動或拒動的后果嚴重。因此，除保護裝置本身能保證不受互感器暫態飽和影響的情況外，所選電流互感器應能滿足暫態性能要求。
500kV線路一般保護宜選用帶小氣隙的TPY級電流互感器，按考慮重合閘的兩次工作循環進行暫態特性驗算。斷路器失靈保護不宜使用TPY級電流互感器，可選用TPS級或5P等電流可較快衰減的互感器，但應注意防止互感器飽和時電流檢測元件拒動。
高壓側為500kV的發電機變壓器組，高壓側母線一般為一個半斷路器接線，差動保護回路500kV側宜選用TPY級電流互感器，低壓側發電機中性點及出線端空間較緊張，裝設TP類電流互感器可能存在困難，但穿越故障電流較小，一般不超出3倍額定電流。因此，為與高壓側匹配，差動保護用電流互感器在滿足暫態特性要求下可選用帶小氣隙的5PR級電流互感器［4］。暫態性能可按外部三相短路C-O工作循環進行驗算。
高壓側為500kV的降壓變壓器的差動保護回路各側均宜選用TPY級電流互感器。高、中壓側宜按外部線路故障C-O-C-O工作循環校驗暫態特性。低壓側為三角接線時，可按外部三相短路C-O工作循環校驗。
(2)220kV系統電流互感器選擇
220kV系統的暫態問題(Tp≈60ms)及其影響后果比500kV系統相對較輕，適當降低保護用電流互感器的暫態特性要**可以接受的。以往在220kV系統有大量按穩態特性選用的電流互感器運行經驗，但通常這些互感器的短路電流倍數和二次負荷選擇留有一定裕度。因此，220kV系統一般可按穩態特性選用P類、PR類和PX類電流互感器，但宜適當提高所選用電流互感器的準確限值系數(ALF)以減少暫態飽和影響。根據運行經驗，所選互感器的準確限值系數宜大于保護校驗故障電流與互感器額定電流之比的兩倍，即用戶給定暫態系數K≥2。參見IEEEStdC37.110-1996等規定。
高壓側為220kV的發電機變壓器組或主變壓器，雖然外部故障穿越短路電流倍數不大，但一次時間常數可能較大(發電機和發電機變壓器組的Tp可能達150～250ms)，短路暫態可能較嚴重。其差動保護的各側電流互感器除參照上述220kV重要線路，在按穩態特性選用電流互感器時，適當提高所選的ALF外。還應特別注意各側電流互感器特性及二次負荷的協調匹配。
(3)母線保護用電流互感器的選擇
由于高壓母線短路電流很大，而且外部故障時流過各互感器的電流差別也可能很大，母線差動保護用電流互感器的選擇，很難滿足各種外部故障下的暫態特性要求。一般需要保護裝置采取必要的減輕互感器暫態飽和影響的措施。工程應用中可根據保護裝置的特定要求采用適當的電流互感器。
(4)110kV及以下系統電流互感器選擇
110kV及以下系統由于暫態問題及其影響相對較輕，電流互感器一般按穩態條件選擇，采用P類互感器。對于發電機或發電機變壓器組，可參照上節的原則選用適當的電流互感器。