（电力系统及其自动化专业论文）母线保护抗ta饱和综合判据的研究.pdf

国电自动化研究院硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s et h em a g n e t o e l e c t r i c i t yc h a r a c t e r i s t i co ft ai sn o tl i n e a r , h u g es h o r t - c i r c u i tc u r r e n to rl a r g en o n p e r i o d i cc u r r e n tm a ym a k et h et a e n t e rt h es a t u r a t e ds t a t e ，w h i c hc a u s et h ee x p o r t a t i o nc u r r e n to ft h et a v e r ys m a l l ，m a k i n gt h eb u s b a rd i f f e r e n t i a lc u r r e n tv e r yl a r g e i fs o m e c e r t a i nm e a s u r e sa r en o ta d o p t e d ，t h e p r o t e c t i o ne q u i p m e n t s w i l l m a l - o p e r a t e t os o l v et h i sp r o b l e m ，a ni n t e g r a t e dc r i t e r i o ni sp r o p o s e di nt h i s p a p e r ，w h i c hi sb r i e fa n de f f e c t i v et e s t i f i e db ye x p e r i m e n t s f u r t h e r m o r e i tc a na l s ob ea na d d i t i o no f o t h e rd i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n s k e yw o r d s ：b u s b a rc u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ：t a ；s a t u r a t i o n ； s a m p l e dv a l u e s i i 国电自动化研究院硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 母线是电力系统中极为重要的元件，是输配电的枢纽，其工作的可靠性将 影响到电力系统的安全可靠运行。发电厂或变电所的母线故障是电力系统最严重 的故障之一，必须以极快的速度切除，否则将会引起事故的扩大，破坏电力系统 稳定运行，造成电力系统的瓦解事故；但是，母线保护误动又会造成全所失电。 随着电力系统规模的日益扩大，电压等级的不断提高，对母线保护的可靠性、选 择性、速动性提出了更高的要求。 电流互感器f 1 a ) 是各种继电保护装置和监控系统、了解电力系统真实状态 的重要器件。它在电力系统暂态过程中能否真实地传变一次电流，对继电保护装 置的正确动作和监控系统的正确决策起着决定性的作用。 在电力系统中，各回路的最大故障短路电流和额定工作电流的比值应在合 理的范围内，以保证保护用电流互感器的工作精度，但由于系统容量增大或因系 统结构变化等原因，有些时候最大故障短路电流远远超过了正常范围。尤其是在 发电厂和变电站的母线上发生相间直接短路或三相短路等严重故障时，流过相应 电流互感器一次侧的故障电流可能达到t a 额定工作电流的的几十倍甚至几百 倍，大大超过了保护用t a 的最大工作电流容许倍数。母线区外故障时，由于带 铁心t a 激磁电感的非线性特性，强大的短路电流及较大的非周期分量都可能使 t a 进入深度饱和状态，此时t a 的励磁阻抗将变得很小，一次电流大部分流入 励磁支路，导致t a 输出电流很小，使得母线保护差动电流很大，如果不采取一 定的措施，极易发生误动。随着电力系统电压等级的升高，一次系统的时间常数 也随之增大，短路电流中的非周期分量衰减更加缓慢，t a 处于饱和状态的时间 及饱和程度都将增加。另外，在使用自动重合闸的情况下，电力系统故障被第一 次切除时，t a 铁心中的磁通将沿着磁滞回线下降到剩磁值。如果剩磁的极性与 重合到永久性故障的短路电流所产生的磁通极性相同，t a 铁心将更快的趋于饱 和，使t a 二次波形产生更大的畸变。 因此，研究电流互感器在各种情况下的暂态特性，t a 饱和对母线保护的影 响以及相应的对策是很有意义的。 母线保护主要分为高阻抗母线保护、中阻抗母线保护以及低阻抗数字母线 保护三种。 1 2 高阻抗母线保护抗t a 饱和原理 高阻抗差动继电器母线保护通常采用图1 2 1 接线。 国电自动化研究院硕士学位论文 母 线 图1 2 1 高阻抗差动继电器接线 差动继电器的电阻尼，根据继电器不同而各异，阻值在数百欧至数千欧之 间，远大于电流互感器二次电阻r 。及二次连线电阻尺。之和 ( r 。 r 。+ 尺。) 。继电器的启动电压为乩，当继电器的输入电压c ，超过启 动电压时便开始动作，继电器的电阻r 。附近有非线性电阻回路与r 。并联( 图 1 2 1 中未表示) ，以限制输入电压值。 1 ) 正常运行时，各电流互感器的二次电流之和近于零，即i 。z0 ，电 压u 很小，差动继电器不动作。 2 ) 图1 2 1 中，外部d 点故障时，故障支路电流互感器可能深度饱和。 外部d 点故障母差保护二次回路等值电路如图1 2 2 所示。 2 国电自动化研究院硕士学位论文 图1 2 2d 点外部短路时二次删路等值电路 图中r 。为故障支路电流互感器至差动继电器的连线电阻；r 。为电 流互感器t a l 的二次绕组电阻；x “为电流互感器t a l 二次绕组漏 抗；z 2 埘z 。分别为t a 2 、t a 3 、t a n 的励磁阻抗；z 2 2 z 。2 分别为t a 2 、t a 3 、t a n 的二次回路阻抗与其相对应的连线电阻r 。 之和；r 。为差动继电器的电阻，i 。为外部故障电流；k 。为电流 互感器的变比。 此时差动继电器的输入电压为： r u = 手( r 。+ r 。+ ，x 。) ( 1 2 1 ) a ” 当采用低漏磁型电流互感器时，k i * o ，式( 1 2 1 ) 可写成： ( 1 2 2 ) 巩，2 缸。u 一2 k 。，。( r 。+ k 。r 。) ( 1 2 3 ) 式中：k 。为可靠系数，大于1 ； u 一为外部故障最大输入电压( 按最大外部故障电流，。一和最 大连线电阻尺。整定) 所以u 【l ：，差动继电器动作a 由此，差动继电器最小整定值为( 厶。，最大整定值为u ，：在正常 和外部故障时，继电器电压小于最小整定值；而在内部故障时，大 于最大整定值，从而保证继电器正确动作。由于要求继电器内阻r 。 较大，故称为高阻抗母线保护 当d 点外部短路引起电流互感器t a l 饱和时，t a l 的励磁支路阻抗z l 。降低， 外部故障电流，。大部分经z 。支路流出，由式( 1 2 2 ) 可知，此时继电器的输 入电压u 达不到动作值，继电器不动作。 高阻抗母线差动保护对电流互感器的要求： a 励磁阻抗高。由于母线差动保护高阻抗继电器是和各支路电流互感器二 次绕组并联相接的，如图1 2 1 所示。当支路数较多时，如果电流互感 器的励磁阻抗不高，当母线发生故障时，综合励磁阻抗7 将大大减小， 产生较大的分流，使流入差动继电器的电流减小，因而降低了动作的灵 敏度，所以必须要求电流互感器具有高励磁阻抗。 b 二次漏抗低。由图1 2 2 和式1 2 1 可见，如果电流互感器的二次漏抗 v 不可被忽略，则当外部发生故障时，将使输入断路器的电压升高， 为了防止继电器误动作，必须提高动作电压，因此降低了反应母线区内 故障的灵敏性。对于二次绕组均匀地缠绕在铁心上，一次绕组贯穿中央 的电流互感器，实际上可以认为二次漏抗为零。 c 匝数比误差小。高压、超高压电流互感器一次绕组匝数为l 2 匝，高 阻抗母线差动保护用的电流互感器匝数比误差如果误差较大时，当发生 外部短路故障时将有较大的不平衡电流，流入高阻抗差动继电器，使 输入电压( ，升高，有可能造成母线差动保护误动作。 高阻抗差动继电器用电流互感器是一种特别的保护用电流互感器，即英国 b s - - 3 9 3 8 标准中的x 级电流互感器；日本j e c 一1 2 0 1 和澳大利亚a s 一1 6 7 5 标 准中的p l 级电流互感器。它主要用于母线保护，也可用于变压器保护或发电机 保护，在国外用途已十分广泛。我国尚无此类互感器的标准和产品。”1 4 国电自动化研究院硕士学位论文 值得注意的是，为保证高阻抗母差保护在母线内部故障时的灵敏度，一般 要求t a 伏安特性的饱和电压大于继电器动作电压的两倍。此外，高阻抗母差保 护还存在t a 变比的一致性要求较高，旁路切换和母线切换方式不灵活等问题。 1 3 0 l 1 3 中阻抗母线保护抗t a 饱和原理 中阻抗母线保护是一种利用差动回路电阻克服电流互感器饱和影响的比例 差动保护( 带制动特性的差动保护) 一般环流法带制动差动保护，在区外故障 时，故障支路电流互感器饱和情况下，可能失去最大的一支制动电流，如提高差 动回路电阻，将迫使其他回路二次电流流经饱和互感器回路，则不至于失去制动。 由于保护带有制动特性，故差动回路电阻不需要很高，一般称为中阻抗差动保护。 图1 3 1 为其原理图。 母 线 呵至 j j 习， l 村 j l 芝二 f c 广 晕 w 触 图1 3 1 中阻抗带有制动特性母线差动保护原理图 图中，每个支路的二次电流，：通过中间电流互感器t a 变换为，设其中x 支路为故障支路。每个支路电流都引向两个二极管，这些二极管按多相全波整流 桥接线。整流桥输出端p 、m 之间接有制动电阻r ，。r ，上的压降形成制动电压 u ，。差动回路是由r ，的中点引出，经尺。，和差动电流互感器l 的一次绕组回 国电自动化研究院硕士学位论文 到中间电流互感器的公共点n 差动电流互感器的二次电流，。2 经全波整流后在 r ，上形成动作电压巩由于二极管v i 和v 2 的作用，干簧继电器k r 在 ( 厶 ( ，时动作，在u o , 后w i ，, w d( 1 4 5 ) 【l i 。 式中：k 。为比率制动斜率 ，。为不平衡电流 该方法实质也即人为抬高比率差动中的制动电流值，以抬高后的，m o d 值代 替制动电流，从而达到抗t a 饱和的目的。在该方法中，时间常数f 比较难以 选取，随着电力系统容量等的不断发展，超高压系统非周期分量衰减的时间常数 可能大于l o o m s 。 1 4 6 通过检测二次电流变化率的t a 饱和判据n 1 电流互感器未饱和时，二次电流虽然包含非周期分量，但其变化率不会超过 某一范围，当t a 饱和时，二次电流波形在饱和点出现畸变，使二次电流的变化 1 0 国电自动化研究院硕士学位论文 率在饱和点附近突然增大，通过检测t a 二次电流的变化率可以判断饱和点。 设t a 未饱和期间的电流可表示为： i ( t ) = x 2 1 s i n ( c o t + 9 0 ( 1 4 6 1 ) 则相邻两个采样点的变化量为： 阱k 吨j = i z 而酬咿半堋n 刳l z 而咖筹( 1 4 6 - 2 ) 式中a t 为采样间隔，显然在t a 未饱和时，在一周波内电流采样值的变化有一 个范围，最大不超过1 2 hs i n 望爿，取裕度系数m 稍大于l ，令 k ：肘1 2 五s i i i 望爿，则下式可作为1 a 饱和判据： i a i l k ( 1 4 6 3 ) 由上式可知，这种饱和判据的定值受短路电流水平的影响很大，有可能会影 响判据的可靠性，且这种方法不能可靠地判断t a 进入饱和的时刻，同时难以判 断t a 退出饱和的时刻。 1 4 7 基于波形相关性原理的t a 饱和判据1 9 1 波形相关性原理通过计算两段波形的相关系数来提取波形特征，从而达到判 断波形是否发生畸变。 相关系数反映了两个波形之间的相似程度：两个波形越相似，则相关系数越 大；反之两个波形差别越大，则相关系数越小。当两个波形形状相同时，相关系 数为l 。 国电自动化研究院硕士学位论文 5 0 0 p 5 0 柏 2 d p 0 2 0 4 0 2 0 _0 。2 0 t m s ( 叠 01 0 2 03 04 0 5 06 07 08 0 t m t b ) 01 02 03 0 4 05 06 07 08 0 , * m s 如) ，为段位意 图1 4 7t a 饱和时二次电流波形 由于在p ( 极值) 点后t a 进入饱和，二次电流波形f 2 出现缺损，p 点i ； 后1 4 周波的波形是不对称的，如图1 4 7 所示。随着t a 电流传变误差的增加，这种 不对称性将会更加的明显。因此可以通过计算p 点i j 后i 4 周波波形的相关系数 来判别t a 饱和程度，并由此估计t a 传变误差大小 设p 点时刻为厶，x ( ，) 是p 点前l 4 周波波形，t o - t t o ；l ( ，) 为p 点 后l 4 周波波形，t o s t t o + - 万4 对i ( f ) 作如下变换：设f = t o + 要一r ，令 ) ，( f ) = x ( t o + 要一f ) ，即y ( f ) 为l ( f ) 关于厶点的对称波形。 工o ) 和j ，( f ) 的波形相关系数计算过程如下： 盼) = i 4 加) 击 ( 1 4 7 - 1 ) 附) = 拿f m ) 打 ( 1 4 7 - 2 ) 盯( x ) ：压瓦面五f ( 1 4 7 3 ) 盯( y ) ：扛石面歹泸 ( 1 4 7 3 ) c o y ( x , y ) = e ( x y ) 一e ( x ) e ( y ) ( 1 4 7 - 4 ) 1 2 国电自动化研究院硕士学位论文 岛= 嬲( 1 4 7 - 5 ， 式( 1 4 7 - 1 ) 式( 1 4 7 - 5 ) 用来计算波形x ( f ) 和y ( f ) 的相似程度凡是 波形x ( ，) 和y ( r ) 的相关系数。t a 在未饱和前，一次电流可以很好的传变到二次 侧。t a 饱和后，一次电流传变到二次侧后发生了很大的畸变，因此x ( f ) 和y ( r ) 的 相关系数要比t a 未饱和时的相关系数小。 判别t a 是否严重饱和的判据为： 肛时，判为t a 轻微饱和或不饱和； 成 时，判为t a 严重饱和 其中：p 为门槛值。 该方法对硬件资源的要求较高，要对每个通道都不停的进行复杂计算才能得 到相关系数。对于母线保护来说，由于通道数过多，可能存在硬件资源不够的问 题。 1 4 8 磁补偿法2 0 1 文献1 2 0 1 从t a 的等效电路图出发，利用t a 饱和时的磁过程对二次电流 进行补偿k 为电流互感器变比以图1 4 8 1 为例，在任一时刻总有： 髦训吲。 “4 s t ， 图1 4 8 1t a 的简化等效原理图 r ， 国电自动化研究院硕士学位论文 只要导出，即使在t a 饱和时也可以求得娑图1 4 8 2 示出了t a 的磁滞回线和励磁曲线。磁滞回线对应的电流叫激磁电流，励磁曲线对应的电流 叫励磁电流。从图中可以看出，在正、负饱和点之外，励磁电流厶( r ) 与激磁电 流丘o ) 相同；而在两点之问，对应于每一磁通值，有两个丘( f ) ，但他们与同一 点的f 。( f ) 之差很小，因此可以作一简化，假设丘( r ) 。l ( f ) ，这样就可以利用励 磁曲线求取丘( f ) 妒 正饱和点 励磁曲线 r 人 j 磁滞回线 负饱和点 图1 4 8 2 磁滞回线与励磁曲线 根据图1 4 8 1 ，可以列出磁通与二次电流f ，( r ) 的关系式如下： 掣= r ，i m 。掣 ( 1 4 8 2 ) 解以上微分方程可得： q o ( t ) 一妒( f 。) = r ，il ( t ) a t + l f ，( f ) 一i ，( 如) 】 ( 1 4 8 3 ) 初始磁通妒( f 。) 可以通过以下方法算出。在稳态无剩磁的前提下，磁通可以 写作： t 4 国电自动化研究院硕士学位论文 i 妒( f ) = 烈如+ 七r ) 上 ( 1 4 8 4 ) l 妒+ n a t ) = 0 式中： n 每周采样点数 r 巧畏样间隔 令妒( 如+ 七a t ) = 妒魄+ 七a t ) 一妒q o ) ，则可推导出： 妒( 厶+ ( 七+ 1 ) a t ) 一妒q o + 七a t ) = q ( t o + ( 七+ 1 ) a t ) 一烈f o + _ | a t ) ( 1 4 8 5 ) 对毗+ 七丁) 从l 到n 求和可得： 兰；( 如+ 后a t ) ：移( 如+ a t ) 一妒( 厶) + + 圾如+ n a t ) 一妒q 。 k = l = 烈如+ 七a t ) - n 烈f 。) ( 1 a 8 6 ) i - i 联立式1 4 8 4 和式1 4 8 6 ，可求得初始化磁通妒) = 一吉烈厶+ j i a t ) vk = l 利用励磁曲线求出f 。( f ) ，即可通过式1 4 8 1 求得i p ( t ) n ，而t a 变比n 已 知，从而求得f ，( ，) a 磁补偿法利用励磁电流对二次电流进行补偿，从理论上看比较完整，但励磁 电流的求取必须涉及磁通的计算，一方面t a 等效电路中各种参数不易获得，另 一方面计算的工作量较大；此外，该方法在推导和仿真时，均忽略了t a 铁心的 磁滞效应。这对于补偿精度的影响也需要作研究分析 1 4 9 其它一些措施1 也有文献指出可以用小波方法“1 和神经网络“ 对t a 饱和进行识别，但这 两种识别t a 饱和的方法目自u 理论还不完善，对硬件资源要求较高，难以在实际 中得到应用。 1 5 本课题研究目标 母线差动保护的t a 饱和问题一直以来都是一个难点和重点。国内外的学者 和各个保护生产厂家都在寻求一种简单、可靠、快速的动作判据，并提出了一系 列的种种方法。但是，由于t a 饱和是一个复杂的电磁过程，和许多因素有关， 目前的一些方法都只是利用了t a 饱和后输出波形的一部分特征，或多或少的存 1 5 国电自动化研究院硕士学位论文 在一些不足之处。 本课题拟通过对电流互感器的稳态特性和暂态特性进行分析，力求能够找到 一个能应用于工程实际的判据，或是对现有的判据作出改进以期达到更好的性 能。 1 6 国电自动化研究院硕士学位论文 第二章电流互感器的基本概念 2 1电流互感器概述 为保证电力系统得安全和经济运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相 关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护通常的测量和保护装 置不能直接接到高电压、大电流的电力回路上，而需将这些高电平的电力参数按 比例变换成低电平的参数或信号，以供给测量仪器、仪表、继电保护等装置使用。 电流互感器是将一次回路的大电流成正比地变换为二次小电流以供给测量仪器、 仪表、继电保护等的装置。 电流互感器与普通变压器不同的是其输出容量t f i u j , 。一般不超过数十伏安， 供给电子仪器或数字保护的互感器，输出功率可能低到毫瓦级。一组电流互感器 通常有多个铁心，即具有多个二次绕组，提供不同的用途。中压( 如l o k v 级) 的某些类型电流互感器，可能只有l 3 个二次绕组。而超高压的电流互感器的 二次绕组可能多达6 8 个。 电流互感器的一次绕组通常串联于被测量的一次电路中，二次绕组通过导线 或电缆串接仪表及继电保护等二次设备。电流互感器二次电流在正常运行及规定 的故障条件下，应与一次电流成正比，其比值和相位误差不超过规定值。电流互 感器的额定一次电流和额定二次电流是作为互感器性能基准的一次电流和二次 电流。 电流互感器按其用途和性能特点可分为两大类：一类是测量用电流互感器， 主要在电力系统正常运行时，将相应电路的电流变换供给测量仪器、积分仪表和 其他类似装置，用于运行状态监视、记录和电能计量等用途。另一类是保护用电 流互感器，主要在电力系统非正常运行和故障状态下，将相应电路的电流变换供 给继电保护装置和其他类似装置，以便启动有关设备清除故障，也可实现故障监 视和故障记录等。测量用和保护用两类电流互感器的工作范围和性能差别很大， 一般不能共用。但可组装在一组电流互感器内，由不同的铁心和二次绕组分别实 现测量和保护的功能。本章关注的是保护用电流互感器，对测量用电流互感器将 不作讨论。 对保护用电流互感器性能的基本要求是在规定使用条件下的误差应在规定 限度内。应用中的突出问题是系统故障时通过短路电流引起铁心饱和，导致显著 增加励磁电流而加大电流互感器的传变误差。特别是故障开始时短路电流中有直 流分量或电流互感器铁心中残余有剩磁，这些暂态情况将大大加重电流互感器的 饱和。在工程设计中选用电流互感器时，需要恰当地选取有关参数，以满足保护 装置和故障记录的需要。 针对工程实践中对电流互感器饱和问题的处理对策，保护用电流互感器有如 下特点： 采用p 类( p 意为保护) 电流互感器2 “，不特殊考虑暂态饱 和问题，仅按通过电流互感器的最大稳态短路电流选用电流互感 器。而是由继电保护装置采取必要的措施防止电流互感器暂态饱 1 7 国电自动化研究院硕士学位论文 和引起继电保护装置的不正确动作( 包含误动和拒动) 。在保证 保护正确动作的条件下，也可允许电流互感器在稳态下出现一定 程度饱和。p 类互感器包括p 、p r 和p x 等类型。该类电流互感 器的准确限值是由一次电流为稳态对称电流时的复合误差或励 磁特性拐点来确定的。这是当前最广泛采用的电流互感器。 ( 2 )采用t p 类( t p 意为暂态保护) 电流互感器 2 2 1 要求电流互 感器在最严重的暂态条件下不饱和，二次电流的误差在规定范围 内。t p 类电流互感器包括t p s 、t p x 、t p y 和t p z 等型式，该类 电流互感器的准确限值是考虑一次电流中同时具有周期分量和 非周期分量，并按某种规定的暂态工作循环时的峰值误差来确定 的。因此，该类电流互感器适用于考虑短路电流中非周期分量暂 态影响的情况。为此，需要显著增大电流互感器的尺寸，相应的 增加了制造成本，但可保证在使用条件下不致饱和，保持准确性。 这类电流互感器广泛用于超高压系统和大容量发电机组。 ( 3 )采用t p e 类( t p e 意为暂态保护电子式) 电子式电流互感器 嚣i 。这类电流互感器同时考虑稳态工作条件下的综合误差和暂 态工作条件下的峰值误差。输出是低电平的模拟量或数字信号。 这是近年来新开发应用的电流互感器。尽管这类电流互感器的某 些原理很早就有人提出，但实际应用推广很缓慢。随着近年来微 电子技术的快速发展，基于微机的保护和测量设备已在电力系统 中普遍应用。它们需要的功耗很低，输出量甚至可用数字传输， 给新型电流互感器的开发创造了重要条件。现在各种高性能、低 功率输出的电流互感器，包括采用磁光效应、电光效应等新技术 的电流互感器，已经初步开始在电力系统中获得商业应用。由于 这类新型电流互感器的优越性能，加上微机和网络技术的自动化 系统普遍推广，在不久的将来，电子式电流互感器必将获得广泛 应用。但是现在由于技术、成本造价等原因，致使其还不能被广 泛应用。 对电流互感器的性能要求和技术指标，我国颁布了一系列的国家标准。这些 国家标准是等同或等效采用了国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，简称i e c ) 颁布的国际标准( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d ) 。g b l 2 0 8 - - 1 9 9 7 电流互感器”“( 等效i e c6 0 1 8 5 或i e c6 0 0 4 4 1 ) 对测量用电流互感器和p 类保护用电流互感器作了技术规定。g b1 6 8 4 7 - - 1 9 9 7 保护用电流互感器暂态特性技术要求“4 ( 等同i e c6 0 0 4 4 - 6 ：1 9 9 2 ) 对t p 类电流互感器作了技术规定。新近颁布的国际标准i e c6 0 0 4 4 一l ：2 0 0 0 电流互 感器修改单1 “( 即将修订为国家标准) 又规定了两种新电流互感器p r 和p x 的 性能。关于电子式电流互感器，i e c 已颁布了国际标准i e c6 0 0 4 4 8 ：2 0 0 2 电 子式电流互感器。1 。 由于p 类电流互感器是当前最广泛采用的电流互感器，因此本章也是将其列 为讨论的主要对象。 2 2 电流互感器的原理电路图 单级电磁式电流互感器的原理电路图如图2 2 1 所示。从图中可以看出，绕 l s 国电自动化研究院硕士学位论文 在同一个铁心3 上的一次绕组l 和二次绕组2 是电流互感器电流变换的基本部 件。一次绕组串联地接在高压载流导线4 上( 在截断处) ，从而不断地通过一次 电流，。二次绕组接有测量仪表a 或继电保护装置。当电流互感器工作时，二 次绕组总是经负荷而闭合的。 哦 图2 2 1 电流互感器的原理电路图 一次绕组与高压回路一起称为一次回路。从电流互感器的二次绕组得到测量 信息的外部回路( 即负荷和连接导线) 称为二次回路。由二次绕组和与其连接的 二次回路所形成的回路称为二次电流支路。 从电流互感器的原理电路图可以看出，一次和二次绕组之间没有电气联系， 它们彼此间按全工作电压绝缘。这样就可以直接将测量仪表或继电保护装置接到 二次绕组上，同时使运行维护人员避免受到一次绕组上的高电压的作用。因为两 个绕组都绕在同一个铁心上，所以它们之间有磁的联系。 图2 2 1 只表示出那些参加电流变换的电流互感器的部件。当然电流互感器 还有许多其它部件，如保证绝缘水平的部件，防止大气作用的部件，安装和使用 所需要的部件等等。 下面将分析电流互感器的作用原理( 图2 2 1 ) 。流过电流互感器一次绕组 的电流，称为一次电流。一次电流值只由一次回路的参数决定。因此在分析电 1 9 国电自动化研究院硕士学位论文 流互感器的作用原理时，一次电流可以认为是给定值。当一次绕组流过一次电流 时，铁心中产生和电流，。同一频率变化的交变磁通。交变磁通，交链一次 和二次绕组的线匝。当交变磁通。穿过二次绕组线匝时，由于交变磁通本身的 变化，在二次绕组中感应出相应的电势。如果二次绕组经过某些负荷，即经过与 其连接的二次闭合回路，那么在“二次绕组二次回路”这个支路里，在感 应电势的作用下就有电流流过。流过二次绕组的电流也在铁心中产生交变磁通， 若该交变磁通定义为c d ：，根据楞次定律，交变磁通：与交变磁通，的方向 相反因此，铁心中由一次电流产生的磁通的绝对值将减少。如果一次绕组线圈 和二次绕组线圈绕制方式相同时，二次电流，：的方向与一次电流，的方向也将 相反。 由于交变磁通。和：叠加的结果，铁心中的合成磁通。= 。一：- 合 成磁通。是在电流变换过程中从一次绕组向二次绕组传输电能的转换环节，其 值一般为交变磁通( i s 的百分之几。 合成磁通( i s 。在穿过两个绕组线圈时，由于本身的变化，在一次绕组中感应 出反电动势e 。，而在二次绕组中感应出电动势e ：。因为一次绕组线圈和二次 绕组线圈交链铁心的磁通( 如果忽略漏磁通) 几乎相同，所以在两个绕组的每一 个线匝里就感应出同一电动势。在电动势e ：的作用下，流过二次绕组的电流，： 称为二次电流。 如果一次绕组线圈的匝数用w 。表示，二次绕组线圈的匝数用w k 表示，它们 流过的电流分别为i 和，：，则一次绕组中形成的磁势f = ，。m 称为一次磁 势，二次绕组中形成的磁势f 2 = ，：w ：称为二次磁势磁势的单位为“安匝” 电流变换过程中没有能量消耗时，磁势f 和磁势f ：在数量上应该相等， 但方向相反。 电流变换过程中没有能量消耗的电流互感器称为理想电流互感器。对于理想 电流互感器，下面的矢量等式成立： f = 一f 2 ( 2 2 1 ) 或 凡w i = 一，：w 2 ( 2 2 2 ) 从等式( 2 2 2 ) 得： 国电自动化研究院硕士学位论文 直：丝；疗( 2 2 3 ) 一，：m 即理想电流互感器绕组中的电流与匝数成反比。 一次电流与二次电流t g ( ，一，：) 或二次绕组匝数与一次绕组匝数比 ( w ：w ) 称为理想电流互感器的电流比a 等式( 2 2 3 ) 可写成： j - = j ：。鼍。j z + 栉 c z z t ， 即一次电流，。等于二次电流一，：乘上电流互感器的电流比栉 在实际电流互感器中，由于铁心中产生磁通、铁心的发热和交变励磁以及二 次绕组和二次回路导线的发热，电流变换将消耗能量这些能量的消耗破坏了上 面建立的磁式f 。和f ：绝对值得等式( 式2 2 1 ) 在实际电流互感器中，一次 磁势应保证建立所必需的二次磁势，以及一个同时发生并花费在铁心励磁和抵偿 其它能量消耗上的附加磁势。这样，实际电流互感器磁势的方程式将变为以下形 式： f 。= 一f ：+ f 。 ( 2 2 5 ) 式中：f 。消耗于产生铁心磁通。、铁心发热和交变励磁的全励磁 磁势。 因此，式( 2 2 2 ) 将变换为以下形式： w l 1 2 佻+ ，。w l ( 2 2 6 ) 式中：i 。使铁心中产生磁通。的励磁电流，是一次电流，。的一部 分。 用m 除方程式( 2 2 6 ) 的各项，得： j 2 z 鲁+ j 。 眩z 由于二次电流一i ：的去磁作用，当电流互感器的一次电流未超过额定准确值 极限时，相对于一次电流，励磁电流，。一般都很小，因此励磁电流可忽略不计 此时，方程式( 2 2 7 ) 与方程式( 2 2 4 ) 一样，即： 2 l 国电自动化研究院硕士学位论文 i i = - - 1 2 n 这样，电流互感器的二次电流与一次电流成正比。由式( 2 2 4 ) 和( 2 2 7 ) 可知，要降低被测电流，必须使二次绕组的匝数大于一次绕组的匝数。 比较式( 2 2 1 ) 和( 2 2 5 ) 可知，它们的区别在于有无附加磁势f 。因 此，实际电流互感器的测量结果稍稍失真，即具有误差。 有时要利用折算到一次绕组或二次绕组的电流。例如，如果用电流比去除一 次电流，则得到折算到二次绕组的一次电流为z = 鲁；同理，折算后的励磁电 流为，：= 鲁，则得： i = - i ：+ ，。 ( 2 2 8 ) 利用这种折算方法，电流互感器可用电流比等于1 的等效电流互感器代替。 由等式( 2 2 8 ) 得出，折算得一次电流z 一部分用于铁心励磁，其余部分 变换到二次回路，也就是说一次电流z 好像分至两个并联回路：负荷回路和励 磁回路，这样我们就可以画出电流互感器的等效电路图。 2 3 电流互感器的等值电路图和相量图 全部物理量折算后，电流互感器的二次电势平衡方程式为； e ：5 己r 2 + ，：( r ：+ ，x ：) ( 2 3 1 ) 式中： 最主磁通。在二次绕组感应的电势( 折算到一次侧) ，k v ； 立折算到一次侧的二次电流，j ：2 j ：瓦n 2 ，l 【a ； r ：二次绕组电阻( 折算到一次侧) ，q ； y ：二次绕组漏电抗( 折算到一次侧) ，q ： u 2 二次端电压( 折算到一次侧) ，k v 式( 2 3 1 ) 表示了电流互感器的二次绕组感应电势e ：与二次绕组内部阻 国电自动化研究院硕士学位论文 抗压降，：( 尺：+ ，丘) 和二次端电压政相平衡的关系。 因为二次端电压就是二次负荷上的电压降，即： u l = l i z 。2l i 迥z + jx 式中： r ：二次负荷的电阻( 折算到一次侧) ，o ； z 二次负荷的电抗( 折算到一次侧) ，o 将上式代入式( 2 3 1 ) 就有： 最= l ( r ：+ r ：) + _ ，( z + 丘) 】 ( 2 3 2 ) 式( 2 3 2 ) 中，尺：+ 死；r ：为二次回路总电阻，彳：+ z = 彳f 2 z 为二 次回路总电抗。和变压器一样，电流互感器一次侧的电势平衡方程为： 【，i2 一e + ，。( 兄+ ，x 。) 式中： u 一次绕组端电压，k v ； e 主磁通。在一次绕组感应的电势，k v ； r 。一次绕组电阻，q ； r 一次绕组漏电抗，q 。 电流互感器一次绕组的阻抗z 。= r + _ ，x 很小，可以近似认为 ，。( r 。+ ，x 。) 20 ，故电压u 与一次感应电势相平衡，即： u 。一e 。 主磁通。在一次绕组感应的电势e 。应与主磁通。在二次绕组感应的电 势e ：相等，即e 。2 e ：。p 故得出一次绕组端电压与二次阻抗的关系如下： u 。= 一，： ( r ：+ l 艺) + ，( j 已+ j f ：) 1 ( 2 3 3 ) 从式( 2 3 3 ) 可以看出，电流互感器的一次端电压是随一次电流和二次负 荷的变化而改变的，由u = 一度，所以感应此电势的主磁通。是经常有较 国电自动化研究院硕士学位论文 大改变的，自然其励磁电流，。也是有较大改变的 但是在分析电流互感器的工作特性时，一般只注意一二次电流的变换关系而 不考虑一次端电压的变化。因此，在绘制电流互感器的等值电路图和相量图时， 通常都将一次绕组端电压和一次绕组阻抗等参数略去。 根据电流互感器的基本电磁关系，可得出电流互感器的等值电路图和相量 图 尺：x ： 图2 3 1 电流互感器的等值电路图 xz 尺： 图2 3 2 电流互感器的相量图 图2 3 1 是电流互感