I电流互感器深度饱和时的继电保护性能研究

1、电流互感器深度饱和时的继电保护性能研究及电流互感器选择苏毅1 盛和乐2 孙茗2 屠黎明1 秦应力1 高惠民2（ 1. 北京四方继保自动化股份有限公司，北京，100085 ）（ 2. 国电华北电力设计院工程有限公司，北京，100011 ）摘要：随着电力系统短路容量的增加，经常出现主设备的容量远远小于系统短路容量的情况，例如：高压启动/备用变压器、高压厂用变压器和高压并联电抗器等等，其电流互感器参数选择成为困扰继电保护工作者的突出问题。若按照故障时通过互感器的最大短路电流不应超过其准确限值电流来选择，不但设备投资成本过高，更重要的是会造成继电保护整定困难和主设备内部故障保护灵敏度不足；若按照主设备

2、额定容量来选择，则又会造成内部出口故障时电流互感器严重饱和，需要对此时的保护性能进行详细分析。本文通过实验和理论分析的方法研究了内部故障电流互感器深度饱和时的继电保护性能，并在此基础上给出了解决上述问题的电流互感器选择方案。关键字：电流互感器； 准确限值电流； 饱和； 微机保护0 引言随着接入电力系统的大机组的增多和电网建设的加强，电力系统的短路容量不断增加。在电力系统中，单台主设备容量远远小于系统短路容量的情况越来越多，特别是高压启动/备用变压器(简称起备变下同)、高压厂用变压器和高压并联电抗器等。在这些主设备出口短路时，短路位置如图1(a,b,c,d,e)中的K1点所示，此时一般有多个电源

3、提供短路电流，为避免电流互感器(简称CT下同)饱和，图1(a,b,c,d,e)中的CT1需要按照故障时通过互感器的最大短路电流不应超过其准确限值电流来选择1。但是这将导致实际二次电流过小，保护整定困难；而互感器的体积过大，安装困难且成本高。若按照主设备额定容量来选择CT，由于区内出口故障时短路电流可能到达CT的额定电流的100倍以上，会造成CT严重饱和，此时能否确保继电保护正确动作，成为继电保护工作者关心的问题。图1 CT安装位置以及短路位置示意图文献2对中压系统保护用电流互感器参数选择方法进行了深入研究，指出当通过互感器电流达到准确限值电流后继续增大时，二次电流虽然不能与一次电流成比例变化，

4、但其值(含有效值、平均值及由傅氏算法求出的基波值)却还是呈上升趋势。过电流保护的整定值如小于电流互感器准确限值电流时能可靠动作，当一次电流继续增大，保护仍能可靠动作2。当一次电流足够大时， CT二次电流已经超出了保护装置的测量范围，此时对保护装置的动作行为已经不进行规定和校验，但实际上保护装置是可以动作的，可以看出现有保护装置还有很大的潜力可以挖掘。充分研究和挖掘保护装置的潜力，对降低工程总体造价，解决继电保护实践中的难题，提高保护可靠性，补充继电保护技术条件和校验规程都具有重要意义。这些对高压系统也有一定借鉴作用，本文将文献2的研究范围从中压系统延伸到高压系统和发变组保护中，研究对象从过流保

5、护改为差动保护，分析图1(a,b,c,d,e)中CT1深度饱和时的差动保护性能。由于高压系统和大型发电机组时间常数大，差动保护动作速度快，保护动作时系统仍然处于暂态过程中，必须考虑暂态过程对保护的影响。为此，对现有电流互感器和微机保护装置进行不同互感器参数和不同短路电流下的系列试验，通过录波等方式，探求电流互感器在饱和时的输出和复合误差特性，以及与保护动作行为之间的关系，找出适当的规律，针对存在问题摸索解决问题的途径，最终获得正确的选择电流互感器参数和保护装置定值的方法。确定合理可行工程设计，以确保电力系统安全稳定运行。经统计国内300MW1000MW机组的高压厂用变压器和起备变时间常数小于1

6、00ms，选用P级互感器就能满足暂态和稳态工况的要求3。高压并联电抗器采用P级CT也可以满足要求，因此本文主要针对P级互感器进行分析。受篇幅限制，本文仅讨论微机保护，且以最常见的保护最大电流测量范围为20In为例进行分析（In为CT二次额定电流1A或5A下同），保护最大测量范围与此不相同时可以按比例折算。1 试验概况试验采用实时数字仿真系统RTDS模拟一次系统的暂态过程和互感器传变特性，通过功率放大器输出到实际的保护装置，考核保护装置的动作特性。其中RTDS中的一次系统和互感器参数可根据实际设置，也可以根据研究需要进行灵活调整。试验采用某发电厂高压厂用变压器的实际参数，其接线图如图1 c)所示

7、，具体参数如下：变压器额定容量63/35-35MVA，额定电压为20/6.3-6.3kV，CT1变比为3000/1，可以计算出变压器二次额定电流Ie=0.606A。差动保护取CT1，定值为0.4Ie=0.242A；差动速断保护定值为7Ie=4.24A。保护装置最大测量范围为20A。系统短路容量、短路时刻、CT特性以及二次负担可以根据需要进行调整。试验内容1：一次CT正确传变，远大于测量范围的电流流入保护装置，主要考察大电流对保护装置的影响。当一次CT正确传变且一次电流无非周期分量时，二次电流波形接近标准正弦波，实验波形如图2所示。图2 一次CT正确传变且无非周期分量的采样图中：a) 为二次电流

8、波形；b) 为保护采样电流波形。当一次CT正确传变且一次电流有非周期分量时，二次电流波形为正弦波叠加非周期分量，实验波形如图3所示。图3 一次CT正确传变且有非周期分量的采样图中：a) 为二次电流波形；b) 为保护采样电流波形。试验内容2：一次CT饱和，电流波形畸变，考察大电流对一次CT和保护装置的综合影响。当一次CT饱和且一次电流无非周期分量时，实验波形如图4所示。图4 一次CT饱和且无非周期分量的采样图中：a) 为一次电流折算到二次侧波形；b) 为二次电流波形；c) 为保护采样电流波形。当一次CT饱和且一次电流有非周期分量时，实验波形如图5所示。图5 一次CT饱和且有非周期分量的采样图中：

9、a) 为一次电流折算到二次侧波形；b) 为二次电流波形；c) 为保护采样电流波形。试验内容3：人为增加CT的二次负担，一次CT严重饱和，电流波形畸变，考察CT负担对保护装置动作情况的影响。试验发现：CT二次负担接近于零时随着一次电流增大CT饱和现象不明显。在相同的一次电流下，随着CT二次负担的增加，CT饱和越来越严重，保护感受到的电流越来越小。总之，在CT负担小于额定负担条件下，调整故障形式和设备参数，作了数百次区内故障实验，发现差动保护全部可以正确动作。2 大电流下影响保护的因素分析当被保护元件区内故障，而且短路电流远远大于CT的准确限值电流时，继电保护是否能正确动作？回答这一问题时需要涉及

10、到一次系统、CT特性、CT二次负担、保护装置原理以及保护定值整定等诸多因素，现将这些因素逐一进行分析总结，并对实验现象进行解释。2.1 CT特性以及过饱和系数的影响考虑CT带纯电阻性负担，不同过饱和系数Ksa时的二次电流波形如图6所示2。其中Ksa=Isc/(Kalf*Ipn)，Isc为一次短路电流，Kalf为互感器的准确限值系数，Ipn为互感器的一次额定电流。从图6中可以看出，提高互感器的准确限值系数有利于增大互感器的起始饱和角。另外Kalf恒定时，随着一次电流的增加，Ksa增加，起始饱和角下降但电流的峰值增大，二次电流与横轴包围的面积不变。说明饱和后二次电流不会为零，而是一个相当大的值。另

11、外，从互感器VA特性试验也可以说明CT饱和后二次电流不会为零。试验可以发现电流互感器彻底饱和时，二次绕组输出的电动势并不是0，而是维持在某一个数值，该数值一般为拐点电压的1.5倍。二次的负担小于额定负担时，这个二次电动势产生的电流不会为零，而是大于准确限值电流的某一个值。图6 电阻负荷二次电流波形2.2 衰减非周期分量的影响故障电流中存在按一次系统衰减时间常数衰减的非周期分量，很大一部分衰减非周期分量会流入互感器的励磁回路，这是造成电流互感器饱和的主要原因之一。另外，互感器二次同样会产生衰减非周期分量，对保护装置内的小电流变换器产生影响。为使区外故障的暂态过程中不饱和，选择互感器时必须考虑暂态

12、系数Ktf，这与一次时间常数和二次时间常数有关，互感器在C-O循环中的暂态系数可按（1）式或图7进行分析计算1：（1）式中： Tp为一次时间常数；Ts为二次时间常数。图7 暂态系数Ktf与一次时间常数Tp的关系Ts=10s按照主设备容量选择的互感器，在区内CT附近故障时必然饱和，按照（1）式考虑很大的暂态系数，并没有意义，也不太现实。为确保区内故障的暂态过程中差动保护能够动作，让微机保护装置采集到足够的有效数据，建议用户规定的暂态系数Ks按2考虑。2.3 CT二次回路负担的影响微机保护交流回路功耗小于1VA/相，一般可以忽略，互感器的主要二次负担为电缆的电阻分量，可以等效为纯电阻负担。通过本次

13、试验可以看出，CT二次负担的大小对最终保护是否动作有决定性影响。当CT二次负担接近于零，在很大的一次电流下CT都没有饱和，保护可靠动作；当CT二次负担在合理的范围内时，即使CT存在饱和，差动速断可以可靠动作；当CT二次负担远大于额定值时，CT饱和后流入保护装置的电流明显减小，出现了故障时保护无法动作的情况。5P级电流互感器漏磁小，互感器准确限值系数与负荷的关系可以用二次极限感应电动势相等来确定3。即：Isn(Rct+Rb)= IsnKalf(Rct+Rbn)由此得出式中：Isn 互感器额定二次电流在实际二次负荷下的准确限值系数Kalf互感器的额定准确限值系数Rct 互感器二次绕组电阻（75）R

14、b 实际负荷，Rbn 互感器标定的额定负荷，可以看出降低互感器的二次负担相当于提高了折算后的准确限值系数，这对保护的动作情况具有决定性影响。注意微机保护交流功耗很小，计算时必须考虑互感器二次绕组电阻Rct。2.4 保护装置采样率的影响文献2发现保护装置采样率对计算结果有一定影响，每周期采样18点的保护，过饱和系数不超过13。如采样频率更高，则过饱和系数基本不受限制。目前常见的微机保护采样率一般为24点，可以满足要求。2.5 保护装置内部小CT的影响从试验结果可以看出，当互感器二次电流远大于保护装置的测量范围时，巨大的非周期分量流过保护装置内部的小电流变换器(简称小CT)时，会造成小CT的饱和，

15、如图3所示。试验中发现当非周期分量较小时，即使交流分量超过小CT测量范围的5倍以上，仍然可以正确传变；当非周期分量很大时，小CT发生饱和，二次波形发生畸变，但小CT二次信号是足够大的，部分点已经超过了A/D采集的范围，出现了削顶现象。小CT饱和后保护仍然可以正确动作，这一点与一次CT的饱和类似。2.6 模数转换(A/D)范围的影响模数转换(A/D)的作用是将-5V+5V的模拟信号按照一定的间隔采样，转换为CPU能够识别的数字信号。当输入信号大于+5V时按+5V转换；当输入信号小于-5V时按-5V转换。图6中过饱和系数较大时，互感器二次的电流峰值很大，但到了A/D转换环节会被截止到+/-5V，这

16、就是所谓的削顶现象。图2、图3、图4、图5中都可以看出保护采样波形出现明显的削顶。这会造成互感器饱和后保护装置感受到的基波分量低于保护装置的最大测量范围，并且可能低于CT的准确限值电流。考虑最严重的情况，CT饱和的第一个周波内电流波形完全偏向时间轴一侧，本侧波形发生了削顶现象而另外一侧波形接近于零，此时保护计算出的电流可近似按最大测量范围的一半考虑。由于保护计算出的电流明显减小，此时CT变比选择以及保护定值整定时需要留下足够裕度。2.7 保护计算采用的数据窗的影响微机保护算法都需要一定长度的数据，例如半周付氏算法一般需要10ms的采样数据，全周付氏算法一般需要20ms的采样数据。数据窗中的采样

17、数据与给定的付氏系数进行卷积运算可以求出交流量的矢量值。当互感器严重饱和，一次电流过零点附近存在一定的线性传变区，此时的采样值我们称之为有效数据，CT严重饱和后二次电流将降到零附近，我们称之为无效数据。保护时时刻刻都在进行了付氏运算：当数据窗中的有效数据恰好与较小的付氏系数相乘时，会造成保护计算出的矢量值偏小；当数据窗中的有效数据恰好与较大的付氏系数相乘时，会造成保护计算出的矢量值较大。这就是造成饱和后保护测量值具有一定随机性浮动的原因。由于数据窗在不断推移，而且差动保护动作非常快，当数据窗移到测量值较大时保护就可以动作。因此，这只会使保护动作增加毫秒级的延时，不会造成保护拒动。2.8 保护原

18、理的影响变压器差动保护由不带任何闭锁的差动速断保护和带比率制动特性、谐波闭锁涌流判据以及CT饱和闭锁判据的比率差动保护共同组成，两者经或门出口。实验发现，CT严重饱和后波形严重畸变，存在大量谐波，可能会造成具有谐波闭锁功能的变压器比率差动保护不动作。但变压器差动速断保护没有闭锁条件，可以可靠动作，切除故障变压器。2.9 变压器接线方式的影响变压器各侧电流相位需要由保护校正。对于Y侧中性点接地系统，校正电流时需减去零序电流。例如对于Y0/D-11的接线，采用在Y侧进行相位校正，公式如下： 式中：、为Y侧CT二次电流； 、为Y侧校正后的各相电流。起备变高压侧一般为Y接线且中性点接地，需要减零序处理

19、。可以看出单相故障时，Y侧校正后的电流会缩小倍。对于最大测量范围为20 In的保护来说，单相接地故障时折算后的最大差流只能到11.5In。此时，差动速断定值必须小于11.5 In，并考虑到暂态过程和波形畸变还应留有一定裕度。高压厂用变压器高压侧一般为D接线，不需要减零序处理，不存在缩小倍的问题。2.10 保护定值及CT变比的影响300MW1000MW机组的高压厂用变压器和启动/备用变压器容量一般在6300120000kVA范围内，按照大型发电机变压器继电保护整定计算导则5，差动速断定值一般整定为：37Ie(其中Ie为变压器二次额定电流，下同)。比率差动最小动作电流，一般整定为(0.30.5)I

20、e 5。本文以常见的保护测量范围为0.0820 In为例，分析保护对CT变比选择的要求。为确保变压器内部轻微匝间故障时比率差动保护的灵敏度，根据保护测量精度要求，CT变比选择不宜过大。比率差动最小动作电流定值应大于装置电流测量范围的下限。推荐选择CT变比时将变压器二次额定电流控制在0.15In以上。变压器内部严重故障时，当保护计算出的差流基波值大于差动速断定值时才能可靠动作。变压器内部故障并且CT严重饱和时，受暂态过程中非周期分量和铁芯剩磁以及保护装置测量范围的影响，保护计算出的差流基波值会偏低，此时如果CT变比选择偏小，变压器二次额定电流会偏高，进而会造成差动速断定值二次值偏高，定值高出一定

21、范围时则有可能造成保护拒动。因此，为确保保护动作，CT变比的选择也不能过小。按照最严酷的差动速断定值整定为7Ie考虑。对于起备变，由于高压侧为Y0接线，单相接地故障时按保护测量范围折算后的最大差流只能到11.5In。另外，按照2.6的分析，暂态过程中保护实测的差流可能降到测量范围的一半为5.75In。建议将变压器二次额定电流Ie控制在0.5In以下，这样差动速断定值小于3.5In，至少留有1.64倍可靠裕度。对于高压厂用变压器，由于高压侧为D接线，折算后的保护测量范围仍然为20In，建议将变压器二次额定电流Ie控制在In以下。若差动速断定值整定7In，按暂态过程中保护感受到的差流为10In计算

22、，至少留有1.42倍可靠裕度。总之在CT可能严重饱和的情况下，高压厂用变压器高压侧差动保护用CT变比宜满足将变压器二次额定电流Ie控制在0.151In范围内的要求；起备变高压侧差动保护用CT变比宜满足将变压器二次额定电流Ie控制在0.150.5In范围内的要求。3 主要结论针对小容量主设备接入大容量系统时的CT与继电保护配合问题，根据上述的实验数据和理论分析可以得出如下结论：a) 当故障电流远大于CT准确限值电流时，CT饱和后二次电流基波值不会为零而是会大于CT二次的准确限值电流。b) 保护装置电流测量有一定的范围，当流入保护装置的电流瞬时值大于A/D转换范围时将出现削顶现象，此时的采样值会截

23、止到A/D转换的正最大或负最大值。c) 受暂态过程中非周期分量和铁芯剩磁以及保护装置测量范围的影响，大电流下保护感受的基波电流可能低于CT的准确限值电流。d) CT严重饱和后变压器带谐波制动的比率差动保护可能被闭锁，但无任何闭锁条件的差动速断保护只要到达定值就可以可靠动作。e) 总之，为确保差动保护可靠动作，保护装置对CT有如下要求：1) CT 变比应适当。需要与比率差动定值和差动速断定值配合。2) 提供足够二次电动势。需要综合考虑CT的二次负担、准确限值系数、额定容量等因素。建议考虑2倍的暂态系数Ks，并优先采用二次额定电流为1A的CT。3) 电流低于差动速断定值时其波形在暂态过程中不应发生

24、畸变。不应存在比率差动和差动速断配合上的死区。4 可行的解决方案针对小容量主设备接入大容量系统时的CT与继电保护配合问题，通过以上分析可知，只要CT 变比、CT的二次负担、准确限值系数以及额定容量选择合适，5P级CT是能够满足继电保护要求的。另外，具备条件时，特别是CT到保护安装处较远或需要对短引线装设专门的保护时，装设取自大变比CT过电流速断保护作为内部故障时的近后备保护是一个有益补充。此时，主设备容量较小反而成为有利因素，过流保护可以很容易地躲过末端即图1中K2点短路，整定方便。具体说明如下：a) 3/2接线的起备变保护，如图1a）所示。CT1用5P级的套管CT，应按起备变的额定容量选择。

25、另外，宜装设由CT2、CT3和电流构成的不完全差动保护，作为短引线故障的主保护和以及K1点故障的后备保护。由于起备变容量小，短路阻抗较大，定值整定相对容易，可以按照躲过区外故障时的最大不平衡电流、变压器最大涌流以及K2点三相故障电流整定，并按K1点故障具有灵敏度校验。不建议配置由CT1、CT2和CT3构成的短引线差动保护，这样对K1点故障起不到保护作用，且要求这三组CT特性一致。b) 双母线接线的起备变保护，如图1b）所示。一般情况下，起备变差动应取CT2，应按起备变的额定容量选择5P级的CT。CT变比选择时，应使起备变二次额定电流在0.150.5In范围内。尽量采用1A的CT，最大短路电流宜

26、控制在100In以内。特殊情况下，当CT2到保护小室距离较远，CT二次负担较大时，建议更改保护配置方案：起备变差动取套管CT1，按照变压器容量选取；并且CT2按照系统容量选取，配置过电流速断保护，对短引线和K1点故障具有保护作用。c) 高压厂用变压器保护，如图1c）所示。CT1按照高压厂用变压器容量选取5P级CT。CT2为主变差动用，一般与机端CT相同采用大变比的TPY级CT。考虑到内部严重故障时会造成CT1过饱和，可用CT2兼做厂变电流速断保护，按躲开低压侧短路整定，使高厂变保护更加完善。d) 线路高压并联电抗器，如图1d）所示。CT1应按电抗器的额定容量选择5P级的CT。K1点故障线路保护

27、可以起到保护作用，不存在拒动问题。e) 母线高压并联电抗器，如图1e）所示。CT1应按电抗器的额定容量选择5P级的CT。宜装设由CT2与CT3的和电流构成的速断过流保护，作为短引线故障的主保护和以及K1点故障的后备保护，电抗器支路的电流相对较小可以忽略。5 电流互感器选择条件及举例5.1 CT1选择计算条件a) 电流互感器额定一次电流Ipn大于回路额定工作电流Ip，特殊地对于双母线接线的起备变Ipn应大于2 Ip，二次电流Isn建议选择1A；b) 选用5P级，暂态系数Ks按2考虑；c) 额定二次负荷Rbn大于实际负荷Rb；d) K2点三相短路通过CT1的稳态短路电流倍数为Kssc；e) 选择准

28、确限值系数f) 校验，满足暂态系数不小于2，变压器空载投入不大于10倍额定工作电流条件。5.2 实际选择结果举例表1 高压厂用工作变压器电流互感器参数额定容量(MVA)63/35-3550/31.5-31.531.5电压比(kV)20/6.3-6.320/6.3-6.320/6.3额定分接短路阻抗%9.5(半穿越，基于35MVA)11.3(半穿越，基于31.5MVA)10.5低压侧短路时的各侧短路电流（kA）10.64（20kV侧）33.76（6kV侧）8.05（20kV侧）22.55（6kV侧）8.66（20kV侧）27.49（6kV侧）电流互感器变比3000/1（20kV侧）5000/1（

29、6kV侧）2000/1（20kV侧）4000/1（6kV侧）1500/1（20kV侧）4000/1（6kV侧）计算Kssc3.55（20kV侧）6.75（6kV侧）4（20kV侧）5.64（6kV侧）5.77（20kV侧）6.87（6kV侧）需要Kalf7.1（20kV侧）13.5（6kV侧）8（20kV侧）11.28（6kV侧）11.54（20kV侧）13.74（6kV侧）电流互感器准确等级5P20 10VA5P20 10VA5P20 10VA结 论满足暂态系数不小于2及的要求满足暂态系数不小于2及的要求满足暂态系数不小于2及的要求表2 高压起动/备用变压器电流互感器参数额定容量(MVA)6

30、8/40-4063/35-3550/31.5-31.5电压比(kV)500/10.5-10.5220/6.3-6.3230/6.3-6.3额定分接短路阻抗%10.6(半穿越，基于40MVA)11.5(半穿越，基于35MVA)12(半穿越,基于31.5MVA)低压侧短路时各侧短路电流（kA）0.436（500kV侧）20.75（10.5kV侧）0.799（220kV侧）27.89（6kV侧）0.659（230kV侧）24.06（6kV侧）电流互感器变比200/1（500kV侧）3000/1（10.5kV侧）300/1（220kV侧）5000/1（6kV侧）300/1（220kV侧）4000/1（

31、6kV侧）计算Kssc2.2（500kV侧）6.92（10.5kV侧）2.7（220kV侧）5.58（6kV侧）2.2（220kV侧）6（6kV侧）需要Kalf4.4（20kV侧）13.8（10.5kV侧）5.4（20kV侧）11.16（6kV侧）4.4（220kV侧）12（6kV侧）电流互感器准确等级5P20 10VA (500kV)5P20 10VA (10kV)5P20 50VA5P20 50VA结 论满足暂态系数不小于2及的要求满足暂态系数不小于2及的要求满足暂态系数不小于2及的要求6 结束语针对主设备的容量远远小于系统短路容量的情况，本文详细地分析了区内故障时电流互感器深度饱和时的继电保护性能。根据实验结果和对影响保护动作的各种因素的分析，提出了实际可行的解决方案。参考文献1. 国家发展和改革委员会DIT 8662004电流互感器和电压互感器选择及计算导则S北京：中国电力出版社，2004DL/T 866-2004, Guide to the sel