电流互感器饱和对继电保护的影响_李兴美.pdf

电流互感器饱和对继电保护的影响 李兴美 (大理供电局,云南 大理, 671000) the influence of current transformer saturation on the relay device li xingmei （dali electric power supply bureau, yunnan dali, 671000） 摘要：摘要：电流互感器是电力系统中的重要设备。电流互感器严重饱和时，继电 保护装置就不能正确动作。本文从电流互感器的工作原理入手，详细分析了影响 电流互感器饱和的主要因素、电流互感器饱和对继电保护的影响、检测电流互感 器饱和的方法以及防止电流互感器饱和的方法， 最后列举了我局一起因电流互感 器饱和引起的电网故障。 abstract: current transformer is the important equipment in power system. the relay device cannot work properly when current transformer is saturated seriously. this article starts from the working principle of current transformer, then it analysis the impact factors of current transformer saturation, the influence of current transformer saturation on the relay device, detection methods of current transformer saturation and the methods to prevent saturation of current transformer, at last, it cited a grid failure caused by saturation of current transformer in dali power supply bureau in recent years. 作为电流信号的传变元件，电流互感器(简称 ct) 是电力系统中电流测 量、系统控制、特别是继电保护的重要设备，已被广泛应用于电力系统监控、保 护、录波和测距等技术领域。ct 能否真实地传变一次电流，对继电保护装置的 正确动作起着决定性作用。随着供电系统容量的不断加大，系统短路电流也随之 激增，导致 ct 饱和问题也日益严峻。ct 一旦出现饱和现象，就有可能造成继电 保护拒动、误动或是延迟动作，导致停电范围扩大，故障测距的准确性降低。因 此，研究如何有效地防治因 ct 饱和引起地继电保护误动，为电力系统事故分析 和系统规划提供参考，提高供电质量有重要的现实意义。 一、电流互感器的工作原理 电流互感器的工作原理与变压器基本相同， 因此可以参照变压器的等值电路 分析电流互感器。电流互感器的等效电路如图 1 所示，lu为励磁阻抗，r、l 分 别为归算到一次绕组的负荷电阻和电抗。由于 ct 铁心的非线性特性，在正常线 路工作电流下，ct 的铁芯工作在低磁密条件下，励磁阻抗很大，励磁电流 iu很 小，近似可认为励磁支路开路，此时可认为一次电流和二次电流成正比而且误差 很小；在系统发生故障时，由于短路电流往往含有一定幅值的非周期分量使 ct 铁芯的磁密很快达到饱和值，此时，励磁阻抗下降，励磁电流大大增加，i2则大 大减小，受故障电流中的非周期分量影响，i2的波形可能出现严重的畸变现象。 当 ct 严重饱和时，励磁阻抗很小，相当于把二次回路短路了，此时 i20，iu i1，近似认为一次电流全部变成励磁电流，二次电流为零，从而使得继电保护装 置不能正常工作。 图 1 电流互感器等效电路 从如图 2 所示的电流互感器饱和时的暂态实测波形分析可知： r l lu iu i1 i2 图 2 电流互感器饱和时的暂态实测波形 l）在发生短路的开始阶段，ct 可以正确地变换一次电流，如保护能在该段 时间内动作，可以不受铁芯饱和的影响。 2）当铁芯进入饱和后，二次电流的波形即出现缺损现象。 3）当一次电流的瞬时值由正半波趋向负半波时，ct 又可以正确地变换一次 电流。即一次电流经过零点后，使得 ct 二次侧产生一个线性传变区。 二、影响电流互感器饱和的主要因素 电流互感器饱和一直是影响电力系统保护装置正确动作的重要问题， 电流互 感器的饱和程度越严重，励磁阻抗越小，励磁电流极大的增大，使互感器的误差 成倍的增大，影响保护的正确动作。常见的电流互感器饱和主要有两种：稳态饱 和与暂态饱和。其中稳态饱和主要是因为一次电流值太大，进入了电流互感器饱 和区域，导致二次电流不能正确的传变一次电流；暂态饱和，则是因为大量非周 期分量的存在，使电流互感器铁芯的磁密达到饱和值。这两种情况都是发生在事 故情况下的，这时本来要求保护正确动作快速切除故障，但如果互感器饱和就很 容易造成误差过大引起保护的不正确动作，进一步影响系统安全。 影响 ct 饱和的因素有以下几点： 1）一次电流中的非周期分量越大，励磁电流中的非周期分量也越大，ct 饱 和越严重。 2）ct 进入饱和的时间和一次系统时间常数、ct 二次时间常数和 ct 二次负 载有关。一次系统时间常数越大，励磁电流中的非周期分量衰减也越慢；ct 饱 is in b bs if i2 i1 t （a）电流互感器近似磁化曲线 （b） 电流互感器饱和时的暂态波形 和时间也越长；ct 的二次负载越大，励磁电流中的周期分量也越大，易使 ct 不 能脱离饱和状态。 以上是未计及铁心剩磁的影响，计及剩磁时，当励磁电流的非周期分量对应 的磁通与剩磁方向相同时，铁心将更快更深地进入饱和，在电源电压比较低时， 铁心就接近饱和状态。也有文献指出，仅由稳态短路电流并不能造成 ct 严重饱 和，只有暂态短路电流中含有一定的非周期分量时，才能导致 ct 饱和1。 三、检测电流互感器饱和的方法 为了减小因电流互感器饱和对继电保护的影响， 确认其在保护外部故障通过 大电流时是否会饱和，可通过一些试验方法进行检测。 根据 ct 的饱和的基本特性，最直接的试验方法就是二次侧带实际负载，从 一次侧通入电流，观察二次电流找出电流互感器的饱和点。但是，对于保护级的 电流互感器，其饱和点可能超过 1520 倍额定电流，当电流互感器变比较大时， 在现场进行该项试验会有困难。 相比之下， 较为可行的试验方法是通过伏安特性试验测出电流互感器的饱和 点。如前所述，电流互感器饱和是由于铁心磁通密度过大造成的，而铁心的磁通 密度又可通过电流互感器的感应电动势反映出来。因此，根据电势守恒定理， e1=e2 ，从伏安特性曲线上的可以得到饱和电压值，再根据原理图可知 e2=i2 （r+l） ，从而计算出电流互感器的饱和电流。伏安特性的试验方法为：原方开 路，从副方通入电流，测量副方绕组上的电压降。由于电流互感器的原方开路， 没有原方电流的去磁作用，在不大的电流作用下，铁心很容易就会饱和。因此， 伏安特性试验并不需要加很大的电流，在现场较容易实现2。 四、电流互感器饱和对继电保护的影响 1）对电流保护的影响 电流保护的判据为：ijip 式中：ij为流入继电器的短路电流二次值 ip为电流继电器的定值 根据上式可知，电流互感器饱和后，流入电流继电器的短路电流二次值 ij 变小，可能会引起保护拒动。在带时限的过流保护中由于电流继电器的定值 ip， 通常比较小不会出现这种情况，但在速断保护中 ip一般很大，这点表现得尤其 显著。 2）对差动保护的影响 ct 饱和后，对于发生在区内的短路故障，因为差动电流和制动电流的测量 值都会受到影响，而且它们的比值立即就会满足差动保护动作条件，这时的比率 差动保护的动作特性还是有效的，故障特征满足比率差动保护的动作条件，差动 保护仍可正确动作。而对于发生在区外的故障，产生的较大的穿越性短路电流引 起的 ct 饱和，会产生很大的虚假差动电流，这在各个测量点的 ct 饱和情况不同 时更为严重。如果由此产生的工作点落在了比率差动保护的动作特性区内，而且 不采取任何稳定比率差动保护的措施，比率差动保护将会误动作。 3）对距离保护的影响 对于输电线路的距离保护，通常认为在线路出口附近故障时 ct 才会发生饱 和，线路末端故障时不会引起饱和，并且由于 ct 饱和后二次测量电流减小，测 量阻抗增大，不会发生误动的问题。但是，随着电力系统容量增大，在电力系统 线路末端发生短路时，有可能出现很大的短路电流在很大短路电流的作用下， 或由于电流互感器二次侧负载与 10误差曲线不匹配等原因， ct 铁芯很容易饱 和。饱和后的 ct 二次侧输出电流产生畸变，不可避免地对距离保护继电器造成 一定的影响3。 五、防止互感器饱和的措施 为了解决 ct 饱和对保护动作性能的影响，可采用以下措施： 1)限制短路电流。 在已建成中压系统中可在较高一级的电压等级中采取分列 运行的方式以限制短路电流。 分列运行后造成的供电可靠性的降低可通过备用电 源自动投入等方式补救。 在新建系统中短路电流过大可采取串联电抗器的做法来 限制短路电流。 2) 严格进行 ct 的励磁特性(伏安特性)曲线试验， 选用特性良好的电流互感 器； 3)采用杭饱和能力强的继电保护装置，保证 ct 在特定饱和条件下不致影响 保护性能。微机保护及其他一些保护设备均可提出抗饱和的要求。 4)在同样的二次阻抗下，增大变比，可以降低互感器的饱和程度，相反，在 相同的变比下，适当减小二次阻抗值，将有利于改善互感器的传变特性减小二次 阻抗值的办法包括选用交流功耗小的继电保护装置， 缩短二次电缆接线长度以及 减小的二次额定电流或选用一次电流倍数高和额定容量大的互感器等。 5)相等的二次阻抗值条件下， 有目的地增大电感值也将有利于保护性能的提 高。 六、一起因电流互感器饱和引起的跳闸事故 2008 年 8 月 24 日大理供电局西洱河一级电站发生一起 2、3 号发电机差动 保护误动作跳闸事件。修试所的专家们先后对保护装置的故障录波图、发电机出 口断路器、 自动准同期装置相关测试参数以及发电机差动保护用电流互感器的伏 安特性、负载阻抗等测试数据进行了详细地分析，得出导致两台机差动保护同时 误动作的原因如下： 1）3 号发电机差动保护误动作的原因： 3 号发电机差动保护误动作的原因就是机端和中性点两侧差动保护用电流 互感器饱和特性不一致所致。在非同期并列时，在巨大暂态冲击电流作用下两端 的电流互感器发生了不同程度的饱和，产生差流导致差动保护动作（配置的保护 装置无比例制动功能） 。 2）2 号发电机差动保护误动作的原因： 2 号机差动保护用的三侧电流互感器尽管伏安特性基本一致，但流过的冲击 电流水平不一致。中性点侧最低，与 3 号机相连的母线侧最高，导致该母线侧断 路器隔离开关（4022）电流互感器饱和最深，中性点侧电流互感器饱和较浅，由 此产生差流导致差动保护动作。 结论 随着国民经济的发展和国家对电力系统的大力投入，系统容量迅速增大，系 统结构也可能发生变化，在某些回路上将出现大的短路电流，大大地超过设计时 ct 变比的要求，影响继电保护的动作行为。为了保证继电保护的可靠动作，实 现电网的安全稳定运行，加强对电流互感器饱和特性的了解非常有必要。 参考文献 1田华，朱志贞，曹红梅.ct 饱和对继电保护装置的作用及影响j.