电流互感器局部暂态饱和识别的研究

赵光辉1闫亚俊2赵琛辉3

（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院河北省石家庄市050000；2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院河北省石家庄市050000；3.国网河北省电力有限公司定州市供电分公司河北省定州市073000）

摘要：我国电力系统电气生产水平的不断发展，关于电流互感器的故障问题，也引起了相关工作人员的高度重视，为了避免出现电路短路问题，给国家财产造成的损失，必须加强对电流互感器的局部暂态饱和识别水平，才能够更好地提升电气系统的生产效率。

关键词：电流互感器；局部暂态；饱和识别

在假设一个电流互感器不饱和而用于差动保护的其他电流互感器传递发生相位偏移的情况下，根据电流差动特性判断差动电流是否位于判据启动区，从电流互感器相对磁链积累变化的角度出发，根据相对磁链积累的方差计算曲线，通过计算位于判据启动区内各时刻方差计算曲线拐点的个数实现了相位偏移式饱和的识别判据。

一、概述

差动保护作为发电机和变压器的主保护，其能否准确地识别区内故障和区外故障，很大程度上取决于电流互感器能否正确地传变故障电流和非故障电流，若电流互感器出现饱和则容易引起差动保护的不正确动作。近年来，出现了多起因外部故障切除产生的恢复性涌流、相邻变压器空载合闸产生的和应涌流导致发电机和变压器差动保护误动的事例。分析表明当电流互感器正确传变时，恢复性涌流或和应涌流本身很难引起相关差动保护误动，这些误动的情况基本上是由于恢复性涌流或和应涌流引起电流互感器饱和，最终导致发电机或变压器的差动保护误动。从录波数据分析可看出，此误动过程具有的特点是电流互感器在大剩磁的情况下传变小工频负荷电流情况，在衰减直流分量作用下某侧电流互感器出现了局部暂态饱和，电流互感器传变的电流发生相位偏移，导致差流接近于正弦波，对变压器而言二次谐波制动失效，尽管差动电流较小，但由于制动电流也较小，差动保护处于无制动区，使得保护易误动。国内外针对电流互感器饱和的问题提出了多种识别方法，时差法、异步法、差分法、导数法、谐波比法、小波法、形态学法等对电流互感器二次侧电流存在明显畸变情况具有较好的识别效果，但不能有效地识别无明显畸变点的相位偏移式饱和。目前普遍的防误动措施是提高差动保护的动作门槛值或增加保护的延时动作时间，躲过电流互感器局部暂态饱和过程，这虽然可以在一定程度上降低差动保护误动的发生几率，却牺牲了差动保护内部故障尤其是小匝间短路故障时保护的灵敏度和动作速度。目前具体针对电流互感器相位偏移暂态饱和识别的研究较少。

二、什么是电流互感器

电流互感器又被称之为CT，它的主要工作原理是电磁感应，在它工作的时候，电流互感器的二次回路一直都是闭合着的，因而人们会把电流互感器在电路中的运行状态看作是短路状态，进而起到电气隔离或者是变流的作用，电流互感器相当于是测量仪表等仪器设备能够获得电气电流中一次回路电流的传感器，把比较高的电流根据一定的比例来变成较低的电流，并应用在了继电保护电路当中。而差动保护是电气系统电力设备的主动保护，能够快速地识别出电路中的故障问题，不过识别效果的好坏，需要依靠的是电流互感器能否快速地识别出故障电流，此时的电流互感器如果已经呈现出了饱和状态，就会造成差动保护的错误反应，这也是研究电流互感器的局部暂态饱和的原因，观察电流互感器的传变电流是否发生了一定的相位偏移，使得差流电流呈现出了正弦波值，造成了变压器设备的二次弦波失败，差动保护无法被正式启动。目前，我国关于电流互感器饱和状态问题研究提出了很多的方法，像是时差法，差分法还有小波法等等，但是这些饱和状态识别的方法都不能很好地识别出畸变不明显的相位偏移保饱和状态。虽然现在所使用的防差动误动的方法，能够在一定程度上提升差动保护的电位动作水平，进而提升差动保护的延迟时间，避免让电流互感器出现这种局部的暂态饱和状态，但是这种方法有它自身的局限性，就是会让差动保护失去对内部电路的保障性，同时也会丧失一定的小匝数电流短路故障识别时候的动作反应速度以及反应灵敏度。

三、电流互感器相位偏移式饱和识别方法

电流互感器发生相位偏移式饱和时，由于电流互感器传变的电流比较接近于正常的负荷电流，因此制动电流也较接近于最小制动电流，而差动电流基本上接近于最小动作电流，差动电流要小与制动电流的值，二者之比要小于1。因此，根据以上的分析，依据差动动作特性，选取K=1和保护整定的斜率作为左边界与右边界，最小动作量Id.min为下边界，考虑到相位偏移饱和的可能性及相应的裕量，选取1.5倍的最小动作量上边界，如图1所示。

图1比率差动动作特性

若差动特性位于如图1所示的判据启动区，可认为出现了电流互感器相位偏移式饱和，启动相对磁链的方差计算。然而对于含有变压器的差动保护，在变压器的稳定运行状态下，变压器原、副边的电流互感器均处于不饱和运行状态，相对磁链积累也处于稳定状态，虽然变压器的原、副边电流互感器的变比、暂态特性不同，但在电流互感器不饱和的情况下相对磁链积累是处于稳定状态的，而在电流互感器出现相位偏移式饱和之后，相对磁链积累增大。然而，对上述的判据启动区而言，在变压器小匝间短路的情况下，动作电流也较小，差动特性也可能位于判据启动区而致使差动保护被制动。因此，有必要对变压器匝间短路与电流互感器相位偏移饱和进行区分。相对磁链的积累为差流在一个周期内的积分值，可得（k）与（k+1）的积分计算公式：

式中：id（k+1）为计算（k+1）而增加的点，而id（k-N+1）为计算（k+1）而舍去的点。当新增加的点为负值且幅值大于舍去的负数值点或新增加的点为负值而舍去的点为正值或新增加的点为正数值且幅值小于舍去的正数点时，相对磁链的积累曲线向负向增加；当新增加的点为负且幅值小于舍去的负值点数或新增加的点数为正且大于舍去的正数点或新增加的点数为正且舍去的点为负数时，相对磁链积累向正向增加。对于变压器匝间短路故障（5%匝间短路故障），故障电流可表示为一个正弦波与一个衰减直流分量的叠加。通过对电流互感器相位偏移式饱和时相对磁链积累曲线走势的分析可以看出：在0.632s差流的过零点处相对磁链积累达到最大值，在差流为负数时，相对磁链积累开始负向增加，通过计算一个周期后，每个周期内故障电流中的正弦波分量的和比较小，相对磁链的积累的计算量为主要每个周期内衰减的非周期分量的积累值。电流互感器发生相位偏移式饱和与小匝间短路时相对磁链积累的曲线走势完全不一样，前者含有多个拐点，而后者拐点的个数较少。由方差计算的含义可知，方差为数据偏离平均值的程度，对于电流互感器相位偏移式饱和的情况，若相对磁链积累处于上升趋势，则所计算的方差处于上升阶段，在负向的拐点处（向负方向减小的拐点）方差达到极大值并开始逐渐减小，在正向的拐点处（向正方向增加的拐点）方差停止减小并开始增大。由于电流互感器发生相位偏移式饱和时相对磁链积累的曲线每个周期内会有多个拐点存在，因此对于计算的方差也会有多个拐点的存在；而在变压器小匝间短路时相对磁链积累曲线的拐点少，在差动电流达到最大值之前，拐点个数为零。因此可以通过判断方差在一个周期内的拐点数区分相位偏移式饱和与小匝间故障。对计算的方差求取后向差分后，在方差曲线的上升阶段计算的后向差分值为正值，在下降阶段的计算的后向差分值为负值，因此可以检测一个周期内由正转负或有负转正的个数作为方差计算曲线在一个周期内的拐点的个数。

对电流互感器进行相位偏移式的暂态饱和计算，可以大幅度提升小匝间短路电流的识别速度，并通过现场录波以及动态模拟的方式，有效地验证了电流互感器的饱和识别算法，提升了电流互感器的使用性能，同时也保障了电流互感器的顺利运行，提高了电流互感器的电路故障排除水平。

参考文献：

[2]毕存明.电流互感器局部暂态饱和识别的研究.2017.

[2]王萍慧，浅谈电流互感器局部暂态饱和识别的研究.2017.