針對(duì)電流互感器暫態(tài)飽和的延時(shí)測(cè)算分析及改進(jìn)方法

當(dāng)電網(wǎng)中一次電流包含有長(zhǎng)時(shí)間的非周期分量時(shí)，可能會(huì)使電流互感器的鐵芯深度飽和，但飽和出現(xiàn)的時(shí)間有時(shí)延，且時(shí)延大小與系統(tǒng)一次時(shí)間常數(shù)、互感器二次回路時(shí)間常數(shù)、非周期分量幅值、CT 的工作循環(huán)以及CT 的暫態(tài)面積系數(shù)等有關(guān)。文中通過實(shí)例計(jì)算分析了CT暫態(tài)延時(shí)飽和過程，論述了減小互感器飽和對(duì)保護(hù)裝置影響的改進(jìn)措施。

引言

電流互感器暫態(tài)飽和問題是目前系統(tǒng)中普遍存在的一個(gè)問題，電流互感器的暫態(tài)飽和與電流互感器中的剩磁以及互感器短路電流中的非周期分量密切相關(guān)。當(dāng)一次電流包含有長(zhǎng)時(shí)間的非周期分量時(shí)，可能使互感器鐵芯深度飽和，但飽和出現(xiàn)的時(shí)間有時(shí)延，且時(shí)延大小與系統(tǒng)一次時(shí)間常數(shù)、互感器二次回路時(shí)間常數(shù)TP、非周期分量幅值、CT的工作循環(huán)以及CT 的暫態(tài)面積系數(shù)等有關(guān)。這主要是因?yàn)殡娏骰ジ衅鞯膭?lì)磁回路是一個(gè)大電感，發(fā)生故障時(shí)，按TP衰減的一次電流非周期分量（ 強(qiáng)迫分量） 突然作為勵(lì)磁電流，為滿足電流互感器勵(lì)磁電感中電流不能突變的要求，二次回路必然產(chǎn)生自由直流分量，來保證電感電流不能突變。此自由直流分量按Ts衰減，于是出現(xiàn)了勵(lì)磁電流按一定規(guī)律延時(shí)上升的現(xiàn)象。Tp與電壓等級(jí)及故障點(diǎn)位置有關(guān)，Ts與互感器的勵(lì)磁電感及二次負(fù)荷有關(guān)。直流勵(lì)磁電流不產(chǎn)生變化磁通，但能作為勵(lì)磁電流而改變鐵芯的工況。如果非周期分量存在時(shí)間長(zhǎng)，則很容易使互感器出現(xiàn)暫態(tài)飽和，其鐵芯中磁通變化的情況如圖1 所示。

圖1 互感器鐵芯中磁通變化情況

圖中φac為一次電流中交流分量在鐵芯中感應(yīng)的磁通； φdc為一次電流中直流分量在鐵芯中感應(yīng)的磁通； Σφ 為一次電流中交流分量和直流分量在鐵芯中產(chǎn)生的疊加磁通。

電流互感器的暫態(tài)飽和過程是鐵芯磁鏈隨著一次電流非周期分量的時(shí)間積分作用而逐漸進(jìn)入飽和的過程，即電流互感器一開始能夠線性傳變一次信息，即電流互感器在非周期分量影響下進(jìn)入暫態(tài)飽和存在有延時(shí)。

1、CT 暫態(tài)延時(shí)飽和實(shí)例計(jì)算分析

1. 1 某220kV 變電站CT 暫態(tài)延時(shí)飽和實(shí)例

2009 年4 月，某220kV 變電站110kV 旁路550 開關(guān)（ 帶線路1） 線路保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合不成，后加速保護(hù)動(dòng)作跳閘，同時(shí)，重合后該變電站220kV#1 主變差動(dòng)保護(hù)，因110kV 側(cè)CT 飽和，在區(qū)外故障時(shí)越級(jí)動(dòng)作出口跳閘（ 變電站一次系統(tǒng)接線圖如圖2 所示） 。此次故障為線路近端的三相永久性金屬接地故障。

圖2 變電站一次系統(tǒng)接線圖

該變電站#1 主變保護(hù)110kV 側(cè)CT，在本次線路故障過程中，其二次電流波形如圖3 所示。

圖3 #1 主變保護(hù)110kV 側(cè)CT二次電流波形

從圖3 上可以明顯地看出，在旁路開關(guān)重合于三相永久性故障后，CT 電流波形發(fā)生偏移，存在有非周期分量，該非周期分量最終導(dǎo)致了CT 暫態(tài)飽和，且飽和延時(shí)約兩周波。

1. 2 飽和延時(shí)計(jì)算分析

該變電站#1 主變保護(hù)110kV 側(cè)B 相采用的CT 型號(hào)為L(zhǎng)B7 － 110W2，保護(hù)所用繞組準(zhǔn)確級(jí)為10P19，變比為600 /5，額定二次負(fù)荷為50VA，實(shí)測(cè)二次負(fù)載阻值為Rb = 0. 7Ω，CT 二次繞組電阻值為RCT = 0. 23Ω。由于該CT 歷史運(yùn)行情況良好，因此，不考慮CT 剩磁的影響。

對(duì)于飽和的延時(shí)，在不考慮剩磁的情況下，可以從下式計(jì)算得到：

Ktd為暫態(tài)系數(shù)，Kt1為暫態(tài)裕度系數(shù)，當(dāng)Ktd ＞ Kt1時(shí)，認(rèn)為CT 開始飽和，此時(shí)t″為飽和延時(shí)。此外，式中：

Tp為一次時(shí)間常數(shù)，采用經(jīng)典參數(shù)80 － 120ms; Ts為二次時(shí)間常數(shù)，采用經(jīng)典參數(shù)5s; RCT為CT 二次繞組直流電阻； Rb為CT 實(shí)際二次負(fù)載； Rbn為CT 額定二次負(fù)載； KALF為CT 準(zhǔn)確限值系數(shù)； Kpcf為CT短路電流校驗(yàn)系數(shù)； θ‘為第一次短路電流偏移角； θ″為第二次短路電流偏移角。

計(jì)算中考慮的CT 工作狀態(tài)為線路重合閘情況下的CT 工作狀態(tài)，即CT 從開關(guān)合閘帶電，到線路第一次短路故障開關(guān)跳閘（ 第一次短路時(shí)間t’） ，再經(jīng)線路重合閘（ 重合閘延時(shí)t） ，最后重合于故障再跳閘（ 第二次短路時(shí)間t″） ，整個(gè)工作過程即是：

C（ 開關(guān)合閘） →t‘（ 經(jīng)第一次短路時(shí)間） →O（ 開關(guān)跳閘） →tfr（ 經(jīng)重合閘延時(shí)） →C（ 開關(guān)重合） →t″（ 經(jīng)第二次短路時(shí)間） →O（ 開關(guān)跳閘）為對(duì)飽和延時(shí)t″進(jìn)行估算，在上述公式中，Tp采用經(jīng)典參數(shù)80 或120ms，Ts采用經(jīng)典參數(shù)5s，并考慮第一次短路電流無偏移θ’ = 90°，且第一次短路時(shí)間t‘ = 60ms，重合時(shí)間tfr = 2. 083s。下面以第二次短路電流全偏移θ″ = 0°及部分偏移θ″ = 30°、θ″ = 60°為例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 飽和延時(shí)估算結(jié)果

從估算結(jié)果可以看出，CT 飽和延時(shí)與一次側(cè)短路電流偏移角有很大關(guān)系，短路電流偏移角越大飽和延時(shí)越長(zhǎng)。當(dāng)?shù)诙味搪冯娏髌平铅取?= 60°時(shí)，暫態(tài)飽和延時(shí)估算結(jié)果與實(shí)際較吻合。

正是由于主變差動(dòng)保護(hù)110kV 側(cè)CT 暫態(tài)飽和，導(dǎo)致了主變差動(dòng)保護(hù)中差流的產(chǎn)生，并最終導(dǎo)致了主變差動(dòng)保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，因此需要采取必要的改進(jìn)措施來減少CT 暫態(tài)飽和對(duì)保護(hù)的影響。本案例在不更換CT 的情況下，通過增大CT 的暫態(tài)裕度系數(shù)來減少CT 暫態(tài)飽和對(duì)保護(hù)的影響。

2、CT 暫態(tài)飽和對(duì)保護(hù)影響的改進(jìn)措施

2. 1 增大CT 暫態(tài)裕度系數(shù)

從上述公式可以看出，通過增大電流互感器的變比、減小電流互感器的二次負(fù)載、增大準(zhǔn)確限制值系數(shù)均可起到增大CT 暫態(tài)裕度系數(shù)的目的。通過增大CT 暫態(tài)裕度系數(shù)，可以延長(zhǎng)故障后互感器線性傳變時(shí)間，確保繼電保護(hù)裝置不因電流互感器的飽和而延緩動(dòng)作或拒動(dòng)、誤動(dòng)。

2. 2 選擇合適的CT

2. 2. 1 采用PR 類電流互感器

PR 類電流互感器對(duì)剩磁有限制，要求不超過10%。采用PR 類電流互感器取代P 類電流互感器，可大大消除剩磁對(duì)電流互感器飽和的影響，增加故障后電流互感器的線性傳變時(shí)間，保證繼電保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率。

2. 2. 2 采用TPY 級(jí)電流互感器

目前，500kV 系統(tǒng)線路保護(hù)用的電流互感器廣泛選用TPY 級(jí)電流互感器。該級(jí)電流互感器鐵芯設(shè)置一定的非磁性間隙，規(guī)定了暫態(tài)工作循環(huán)中的峰值瞬時(shí)誤差，同時(shí)要求剩磁通不超過飽和磁通的10%，限制了剩磁，適用于雙工作循環(huán)和重合閘情況。

結(jié)語

電流互感器暫態(tài)飽和問題是普遍存在的，通過采用對(duì)互感器剩磁有限制的PR 類或TPY 類電流互感器，可以有效地避免因剩磁導(dǎo)致的電流互感器暫態(tài)飽和的問題。對(duì)于非周期分量引起的暫態(tài)飽和問題，需要根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問題的嚴(yán)重程度，適當(dāng)?shù)剡x取互感器參數(shù)，通過增大CT 暫態(tài)裕度系數(shù)，延長(zhǎng)故障后互感器線性傳變時(shí)間，確保繼電保護(hù)裝置不因電流互感器的飽和而延緩動(dòng)作或拒動(dòng)、誤動(dòng)。