CT过饱和特性及对过流速断保护的影响.docx

1、第41卷第16期2013年8月16日PowerSystemProtectionandControlCT过饱和特性及对过流速断保护的影响胡家为，葛荣尚，尹明铉，李明(北京紫光测控有限公司，北京100084)摘要：为了提高过流速断保护在CT饱和时的可靠姓，避免保护拒动，提出了一种保护测量值随短路电流的变化趋势的分析方法.通过分析电流互感器(CT)过饱和时的传变特性和输出波形特征，以及继电保护装置的测量姓能，说明当故障电流达到数倍于CT准确限值电流(即CT处于过饱和状态)时，CT二次电流的特征量随故障电流的增加呈现缓慢单调上升趋势，但保护装置的电流测量值却可能呈现下降趋势，从而引起过流速断保护拒动.

2、分析表明，该分析方法可根据回路参数估算测量值随短路电流的变化趋势，以校验过流速断保护整定值的可靠性，以便采取适当措施遍免保护拒动，在工程应用中具有很好的经济效益.关键词：电流互感器；准确限值电流；过饱和；测量值；过流速断保护；整定值CharacteristicsofCTover-saturationanditsinfluenceonover-current/instantaneoustripprotectionHUJia-wei,GERong-shang,YINMing-xuan,LIMing(BeijingUnisM&C,Beijing100084,China)Abstract:Inorde

3、rtoimprovethereliabilityofover-current/instantaneoustripprotectionunderCTover-saturationconditionandavoidprotectionoperation-failure,thispaperpresentsausefulanalysismethodofthevariationtrendofthemeasurementvalueoftheprotectionalongwithshortcurrent.Thetransfercharacteristicandoutputwaveformfeatureasw

4、ellasmeasurmentperformanceofrelayprotectiondeviceduringCTover-saturationconditionareanalyzed.ItisshownthatwhenfaultcurrentisseveraltimeslargerthanCTratedaccuratelimitprimarycurrent(i.e.CTisover-saturated),thecharacteristicvalueontheCTsecondarysidemonotonouslyincreasesslowly,butthemeasurementvalueoft

5、heprotectiondevicesmaydecreasealongwiththeincreaseofthefaultcurrent,whichcausesthefailureoftheprotection.Theanalysismethodcalculatesthemeasurementvariationtrendoftheshort-circuitedcurrenttoverifythereliabilityofthesettingvaluesofinstantaneousover-currentprotection,therefore,somepropermeasurescanbeta

6、kentoavoidtheprotectionfailureunderthiscondition.Itwillhavegoodeconomybenefitsintherealapplications.Keywords:currenttransibrmer(CT);ratedaccuracylimitprimarycurrent;over-saturation;measurementvalue;instantaneousover-currentprotection;settingvalues中图分类号：TM77文献标识码：A文章编号:0引言短路电流超过CT准确限值电流从而引起CT稳态饱和称为CT

7、过饱和，这是非常严重的CT饱和状态，已远超CT的10%误差曲线所容许的工作电流范围。在一些大型城市供电系统和企业变电站中，随着用电规模的不断增大和供电系统的不断增强，系统短路电流越来越大，而某些用电分支的额定电流确很小，以至于短路电流达到支路CT的准确限值电流的若干倍(达到CT额定电流的百倍甚至千倍)，造成CT过饱和。例如某10kV母线短路电流接近301674-3415(2013)16-0133-06kA,而不少出线的额定电流仅几十安培，其CT变比低至100A/5A、个别甚至低至50A/5AoCT过饱和时，电流型继电保护装置到底能不能可靠动作？文献分析认为，CT过饱和后，其二次输出电流的有效值

8、和由傅立叶积分算法计算出的基波分量并不会下降，因此，只要过流保护的整定值不大于CT准确限值电流，即可保证可靠动作，澄清了某些文献过于笼统的“CT严重饱和后一次电流全部变为励磁电流、二次电流几乎为零”的观点。但确实有短路电流过大造成过流速断保护装置不能可靠动作、以至于越级跳闸的报告6%作者在变电站综合自动化的工程实践中也多次遇到类似情况。本文通过理论分析和实测数据表明，CT过饱和时，保护装置测量环节所“感受”到的电流既不会一直保持在CT准确限值电流之上，也不会“几乎为零”，而是在较大的范围内变化。要保证CT过饱和时电流型继电保护可靠动作，还需仔细考虑保护装置的测量环节等相关因素。三段式过流保护中

9、，第一段是速断（或限时速断）保护，因为其整定值通常很高（特别是在存在过饱和的系统中，有时可达80100A）,最易受CT过饱和的影响，而带延时的第二段和第三段过流保护整定值一般很低，不可能发生拒动。高电压等级系统中的保护装荒，除母线差动保护外，其CT通常要求工作在准确限值范围以内，因此不太可能发生稳态饱和；母线差动保护中虽可能发生CT过饱和，但其采用了复杂的算法来解决。本文仅讨论CT过饱和对速断（或限时速断）保护的影响。1稳态过饱和时CT输出特征Ml为便于分析，将CT回路的所有参数折合到二次侧，二次总电阻为R=R/Rl，实际应用中二次总电感基本为零，可忽略，因此假设CT二次负载为纯电阻。CT回路

10、等效原理图如图1回。Fig.1EquivalentdiagramofCTcircuit电流互感器铁芯励磁特性如图2,其中实线表示理想曲线（在饱和阶段导磁率为零），虚线表示在饱和阶段仍有一定的导磁率（相当于真空导磁率）。BiiBn5JLH图2电流互感器铁芯励磁特性Fig.2ExcitationcharacteristicsofCTmagnetizingcore-次电流按变比折合到二次，可表示为4=/CsV2Zssin（dX）,其中匕是CT的临界饱和电流有效值，此是过饱和倍数（Ks=IJIs）。需要说明的是，CT的实际临界饱和电流值和CT二次回路总电阻成反比W】，一般大于ct标称的准确限值电流。例

11、如，对于5P10的CT,其标称的准确限值电流为10Zn（八是额定电流，以下以/n=5A为例），当CT二次回路总电阻只有额定电阻的一半时，CT的实际临界饱和电流值约为20ZnoCT过饱和时电流波形如图3所示住气随着过饱和倍数Ks的增加，非饱和角变小，脉冲变窄，峰值变大。WWVVVV-图3电流饱和波形Fig.3WaveformsofCToutputduringsaturation短路电流含有暂态直流分量时，CT二次电流在初始的儿个周期内可能出现在时间轴的某一边达不到饱和的状态，但由于电流过大，暂态影响会被弱化，二次电流将很快过渡到稳态饱和状态。在过饱和状态，CT铁芯剩磁仅影响首周波。理论推导计算表

12、明，随着过饱和倍数K,的增加，CT二次电流的平均值保持不变，CT二次电流的峰值、真有效值和基波分量有效值均为单调上升的（即真有效值和基波有效值均不小于/2s）,但上升的速度很慢。当K,非常大时，近似值为真有效值：基波有效值：141、-（1-）1.273Z2s,单调匕n冬递增，有上限，且相角偏向超前最高90o另外，随着的增加，CT二次电流中谐波含量也是单调增加的（只含奇次谐波）。2两级CT串联时的过饱和特性两级CT串联时，最终的饱和特性与最先饱和的CT的饱和特性相同（即最差的CT决定最终的特性），如图4所示，图中左列表示第一级CT非饱和角大于第二级（即第二级CT先饱和）的情况，右列表示第一级CT

13、非饱和角小于第二级（即第一级CT先饱和）的情况。目前，数字式保护装置（以下简称微机保护）中的小CT的准确限值电流基本上都在40100多倍额定电流以上，因此最终的CT饱和特性基本取决于系统一次CT。（图中仅画出了正弦波的正半波）第-级CT传变第二级CT传变蜂合传变Fig.4Saturationdiagramwith2CTsinseries3继电保护装置测量特性分析继电保护装置的测量回路具有有限的量程（例如微机保护的量程一般按20八设计，约为100A）,当输入电流超过股程时，测量波形出现削顶，当电流继续增加时，测量波形趋向于方波，见图5一般保护装置内小CT的准确限制电流人总是超过量程值，因此当输入

14、电流达到匕时，测量波形就接近方波，其基波分量有效值接近量程的1.273倍（例图5测量波形的削顶现象Fig.5Measurementwaveformswithtruncatedpeaks当CT出现饱和后，CT.二次电流峰值己远超保护装置的测量量程，同时由于非饱和角小于180,使得测量波形变成有缺失的（变窄的）方波，非饱和角越小，则方波越窄，如图6所示。图6测量波形的缺失现象Fig.6Measurementwaveformswithlostoutput当方波变窄时，其基波分量的有效值随K,的增加而单调下降，当K,很大时，理论计算值的近似值为平均值:其中/ma是量程（例如：100A）。基波有效值：泰

15、土嘴*且相角偏向超前最高90。从以上分析可知，保护装置的测量值（不管是平均值还是基波有效值）已经和CT二次电流的单调上升背道而驰，变成单调下降了，这是CT过饱和和限幅共同作用的结果。并且当过饱和倍数X；较大时，测量值将显著降低。但实际上当铁芯饱和时，铁芯导磁率并不是零，而是接近真空导磁率，此时会在CT二次线圈感应出超前90的电流（效果相当于Rogowski线圈），感应电流的比例约为2%10%（据小CT实验值推测。与CT二次回路总电阻成反比，因此CT二次导线参数影响很大）。此感应电流可部分弥补测量值的下降部分，甚至当输入电流非常大时，测量值重新出现上升，如图7所示（图中CT准确限值电流按2/血，

16、实线中感应电流比例为5%,虚线中图7基波有效值和输入电流的关系Fig.7RelationshipbetweenRMSofbasewaveandinputcurrent微机保护采样序列的时间间隔是固定的，对于窄方波型的的CT过饱和波形，由于采样序列时刻和波形的时间相对关系的差异，实际采样到的满量程值会有不同（如图8,图中是每周12点采样的情况，在半周波内，左边采到3个满最程点，右边采到2个满量程点），呈现出一定的随机性，从而使得微机保护的测量值出现明显的波动。采样率越低，采样随机性越大；CT过饱和越严重，计算结果波动性越大。实际上，图中CT二次波形中含有丰富的高次谐波，采样随机性也反映了严重的谐

17、波混叠现象同。图8饱和波形采样的随机性Fig.8Samplingrandomnessofsaturatedwaveforms只有当CT回路出现过饱和时，才会产生波动现象，与限幅无关。感应电流稍微削弱了采样随机性。分析表明，当过饱和倍数K,=5时，每周12点采样的波动范围接近满量程的30%,每周36点采样的波动范围小于满量程的10%。图9表示了每周12点采样时，计算值波动的上下限曲线（据某样品小CT实验数据计算）。图9饱和波形采样计算的波动性Fig.9Volatilityofmeasurementvaluesofthesamplingofsaturatedwaveforms另外，从图6和图8可以

18、看出，在CT严重过饱和的情况下，有可能在整个周波内所有采样值都是被限帽过的，所以这些值都不反应CT二次电流的真实值，因而，常规的根据采样值的特征来判别饱和或分析电流原始值的算法四以都将失效。4CT过饱和对过流速断保护的影响与对策CT过饱和后，保护装置的测量值出现明显的下降，显然对于过流速断保护是不利的，严重时可能造成拒动。在一些企业降压变电所中，一些支路负荷很小，CT变比取值100A/5A甚至更低，而母线短路电流可达1020kA（有些甚至可达到30kA以上），是CT额度电流的100200倍，甚至更高。由于CT变比太小，过流速断保护的整定值也相应地偏高，可能达到90A以上。如果按照CT准确限值电

19、流为20倍额定电流估算，则Y达到510,从图7和图9看，速断保护的整定值在80A（量程按100A）以上就有拒动的可能性。以平均值或基波有效值为测量量的微机保护装置（以及传统的模拟式保护装置），都存在拒动的风险。在特定的短路电流卜保护装置是否存在拒动的危险，可根据给定的条件（CT参数、测量量程和保护整定值）进行估算，这-点对于工程应用具有实用意义。为改善CT过饱和造成过流速断保护可能拒动的状况，首先可以采取措施降低短路电流，在供电侧采取分列运行+备自投的运行方式。在馈出线侧可串联电抗器，但这通常是非常不经济的，难以实施。目前应该充分利用微机保护的新技术新特点，主要从二次回路和保护装置来解决问题。

20、具体措施包括：A）最有效的办法是适当提高CT变比，以降低CT过饱和倍数，同时也会使电流速断保护的整定值降低，这是双重有利的。B）尽量选取准确限值电流倍数高的CT,如选择5P20甚至5P30的CT,以降低过饱和倍数。C）尽量降低CT二次负载，进一步提高CT实际准确限值电流，以降低过饱和倍数。中低压系统的保护装置应尽量就地分散安装，以减CT二次连线电阻。（如果CT和保护装置之间连接导线长度达到数百米，则CT很容易达到过饱和状态）D）适当提高微机保护装置的测量量程，例如提高到40八（200A）,在整定值一定的情况下，可显著改善动作可靠性，这可能要牺牲小电流输入时的测量精度。E）微机保护装置采样率应尽

21、量做到20点以上。F）微机保护装置可增加特殊算法判别是否发生过饱和，如果判断出发生了过饱和，则可直接跳闸。有很多基于分析饱和电流波形特征的算法怯以，但考虑到波形被限幅的情况，这些算法还需要改进。G）计算过流速断保护整定值时，应综合考虑CT过饱和因素，最好预先估算实际短路故障时动作可靠性，以便提前采取应对措施。H）在智能变电站中采用电子式互感器，可彻底解决CT过饱和问题（Rogowski线圈原理【岫和光纤原理的电子式互感器均不存在过饱和问题）。5结论CT过饱和时，CT二次电流的有效值和基波分量有效值随着输入电流增加而单调增加，它们都不小于临界饱和电流。但是由于测量量程的限制，保护装置的理论测量值

22、是单调下降的，有可能造成过流速断保护拒动，且微机保护的测量值有波动性(采样率越低波动性越大)，进一步加剧了拒动的可能性，工程实践中也多次发生拒动以致越级跳闸的情况，应引起同行足够重视。为避免保护拒动，应采取措施提高CT实际准确限值电流，或提高保护装置量程，并校验过流速断保护整定值的可靠性。在智能变电站中采用电子式互感器，可彻底解决CT过饱和问题。参考文献11袁季修，盛和乐，秦应力，等.中压系统保护用电流互感器参数选择方法J.电力自动化设备，2007,27(2):1-5.YUANJi-xiu,SHENGHe-le,QINYing-li,etal.Parameterselectionofprote

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