电流互感器饱和影响因素及其对保护动作的影响

喻,杨

新疆维吾尔自治区计量测试研究院 新疆 乌鲁木齐 830011

摘要：在变电站中，继电保护能感受到的故障范围取决于电流互感器（TA）的安装位置，继电保护能切除的故障范围取决于断路器的安装位置。继电保护用电流互感器在短路时，将互感器所在回路的一次电流转换到二次回路，电流互感器铁心饱和是影响电流互感器性能的最重要因素，进而成为影响继电保护正确动作的重要因素。

关键词：电流互感器；饱和影响因素；保护动作

引言

电流互感器其铁心的非线性励磁特性，通过互感器大电流将导致电流互感器发生饱和，不能正常转换电流，转换到二次侧的小电流发生缺损和畸变，无法正常反映配电网电流的大小，最终导致继电保护发生拒动或者越级跳闸等事故。目前在配电网中已经出现多起电流互感器饱和造成二次电流变电流变小，引起过电流保护的拒动或动作延时，导致事故范围扩大，同时出现电流互感器饱和造成距离保护之间失去配合。对配电网中运行的电流互感器饱和的检测非常重要。CT一、二次电流的传变是通过CT铁心的传变特性进行的，并且该传变特性是非线性的。当CT铁心运行在线性区时，CT的励磁阻抗很大，使得励磁回路中的励磁电流很小，此时系统一次电流可以完全传变至二次侧;当CT一次侧电流突增时，流入励磁回路中的电流增加，导致产生铁心磁通的积累，使得CT由线性区逐渐转变至过渡区;当励磁电流增大到一定程度时，产生的磁通逐渐饱和，CT铁心进入到饱和区。

1CT饱和影响因素分析

1.1一次稳态交流分量对CT饱和的影响

通过改变双端供电网络电源额定电压的幅值，并设置一个线路三相短路故障得到具有不同幅值的稳态交流分量。对比不同工况下CT二次侧传变电流的变化情况，研究一次稳态交流分量对CT饱和的影响。当系统发生短路故障时，由于短路电流的激增使得CT二次侧电流发生畸变，CT开始饱和，且系统电压等级越高时，CT一次侧稳态交流分量越高，此时CT二次侧传变电流越大，使得CT磁通增加速率越快，导致CT二次侧电流畸变时刻越早，二次侧电流畸变越严重，最终CT饱和程度越严重。

1.2二次负载对CT饱和的影响

将CT二次电阻分别设置为0．4，0．8，0．8Ω;二次电抗分别设置为0，0，0．01H。随着二次侧阻抗的增加，CT二次侧电流的畸变时刻越早，二次侧电流幅值越小，CT饱和越严重;当二次负载阻抗不变，增加二次侧电感时，可以有效减缓CT二次电流的畸变程度，对改善CT饱和有利。

2区内、外短路故障期间CT饱和对保护动作的影响

当双端供电网络两侧分别使用电磁式CT与光电式CT时，由于光电式CT短路故障发生期间不会产生饱和现象，电磁式CT短路故障期间会发生CT饱和，使得双端供电系统两侧存在差流，导致继电保护装置动作。若发生的是区内故障，保护能正确动作;若发生的是区外故障，保护则会误动作。

3电流互感器饱和优化

3.1高频信号处理单元

通过信号注入电路注入到二次回路的信号为mV~uV级，相对二次电流而言十分微弱，从工频噪声中提取10kHz信号是信号检测的关键。信号检测电路采用前置放大电路加四阶巴特沃斯高通滤波电路的结构，信号处理过程设计为放大加滤波交叉进行。滤波器截止频率设计为5kHz、放大倍数设计为25倍，可极大抑制工频噪声，有效放大10kHz信号。运算放大器芯片采用德州仪器公司的OPA2277。信号检测电路还包括程控放大电路、低通滤波电路和ADC（Analogtodigitalconverter;模拟数字转换器）驱动电路。程控放大电路受控调整信号增益，芯片选用亚德诺半导体公司的AD8253ARMZ，可调增益档位为1/10/100/1000倍；低通滤波电路滤掉经二次回路耦合和电路本身的高频噪声，截止频率15kHz；ADC驱动电路将信号幅值放大到适合微控制单元进行ADC采集的幅值范围。信号注入电路由放大电路、高通滤波电路和线圈驱动电路组成，其作用是将注入的10kHz激励信号放大并提高带载能力，滤除低频干扰信号，驱动注入的10kHz激励信号耦合到二次回路。总之，采用基于微型互感器耦合和矢量电压电流法的回路10kHz阻抗测量技术，主芯片采用基于32位的ARMCortex-M4且带有DSP和FPU指令的混合信号MCU，拥有丰富的外设资源，强化了矢量计算和并行处理能力。实验结果表明，该装置可在全工况下准确识别二次回路的正常连接、二次端子短接、二次开路和一次旁路状态。研制的装置可靠性高、适用范围广、实时性强、硬件成本低、体积小、不影响电能计量，可集成于电能表、专变终端等设备在线运行，适用于所有经电流互感器接入的电能计量系统，可大面积推广应用。不足之处在于，装置出厂前需要进行较为繁琐的调校，这是未来需要研究和改善的方向。

3.2互感器安装改进创新点

10kV计量柜互感器安装改进方式主要通过互感器辅助安装装置上的滚筒能轻松把互感器移动到安装位置的下方，通过互感器辅助装置的升降装置调节到互感器螺栓安装孔的位置。当安装电流互感器时，由于B相瓷瓶高度过低，导致装置顶板无法升降到合适位置，可使用互感器辅助升降组件来调节互感器高度，使互感器升到合适安装的位置。分析其设计的创新点，主要有三。其一，计量柜互感器安装辅助装置体积小、重量轻、方便携带。其二，装置上的滚筒能轻松把互感器移动到安装位置的下方，通过装置的升降装置调节到互感器螺栓安装孔的位置。其三，当出现瓷瓶过低，导致装置顶板无法升降到合适位置，可使用配套辅助升降组件来调节互感器高度从而实现互感器的安装。这种新型互感器辅助安装装置能代替人工，且能避开计量柜内部部分零件高度过低的限制，进行高精度安装，且提高装配效率。

结语

对于配电网非故障线路的电流互感器存在饱和的隐患情况来说，通过配电网发生的每一次故障即时启动对于非故障线路的排查和诊断检测，及时有效挖掘出继电保护可能发生拒动或者越级跳闸的安全隐患，为配电网安全提供了可靠的“排雷”手段。系统短路故障是CT饱和的诱发因素，故障期间CT一次侧交流稳态分量、衰减周期分量、CT二次负载、铁心剩磁、线圈匝数、变比等都会对CT饱和程度产生影响。同等条件下，系统电压等级越高、故障发生时刻越滞后，CT饱和程度越低;CT二次侧电阻、铁心剩磁越小，铁心截面积越大则CT饱和程度越低;CT绕组匝数越多、变比越大则故障期间CT饱和程度越低。区内、区外故障期间CT磁感应强度变化方向是相反的，导致CT二次侧电流变化方向相反，同等条件下区外故障比区内故障对CT的饱和影响大。当电磁式与光电式CT混合使用时，区外故障期间电磁式CT会发生饱和，光电式CT不会发生饱和，使得区外故障发生时系统保护误动作。

参考文献

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