CT饱和特性对继电保护的影响分析

覃燕凤

(广西电网公司河池供电局，广西 河池 547000)

CT饱和特性对继电保护的影响分析

覃燕凤

(广西电网公司河池供电局，广西 河池 547000)

详细分析了电流互感器(CT)的工作原理和对继电保护影响。建立了CT的电路模型，根据理论分析和仿真结果比较了不同条件下电流互感器的特性，分析了一次幅值大小、非周期分量大小、一次侧时间常数和二次侧负载的大小等因素对电流互感器饱和造成的影响，从而有针对性地提出了防止CT饱和的方法。

电流互感器;特性;饱和;仿真分析

1 引言

电流互感器(CT)广泛应用于电力系统监控、保护、故障录波和故障测距等技术领域，是电力系统中电流测量、系统控制、特别是继电保护装置的重要设备。目前大量使用电流互感器为电磁型，通过电磁感应的原理，将系统一次侧的电流按照一定比例关系转换成二次电流。当磁通饱和时，励磁电流增大，二次输出电流发生畸变，一次侧电流与二次侧电流的不再严格按照原有的比例关系，此时，CT出现饱和状态，对保护装置的正确动作造成影响，可能造成继电保护误动作、拒动或延迟动作，也会降低故障测距的准确度［1，2］。随着我国电力系统容量的不断增大，在220～500kV变电站低压侧出线近处发生故障时，线路上的CT可能出现饱和，从而导致继电保护装置拒动，并越级使主变的低后备保护动作跳闸，这不仅使保护失去了动作选择性，而且还进一步扩大了事故的停电范围。由CT饱和而引起的继电保护越级动作的情况时有发生，多年来一直未能得到很好地解决。

2 CT工作原理

2.1 CT的等效电路

如图1所示，图中Z1为CT的一次阻抗，Z2为CT的二次阻抗，Z为CT的二次负载，Zm为CT的励磁阻抗。

图1 CT等效电路

CT铁心中磁通与磁感应强度并不是线性的关系。当铁心处于不饱和状态时，磁导率很大且近似为常数，Zm数值很大且基本不变，因此励磁电流很小。当CT一次电流增大后，尤其是一次电流中含有较大直流分量，铁心开始饱和，磁导率不再为常数，励磁阻抗Zm迅速下降，励磁电流增加。当流入CT的一次电流大到一定程度，CT进入饱和状态，感应到CT二次侧的电流变小，而CT励磁电流增大。由上式可知，I2随着Zm减少而减少，这实际是由Zm减少时励磁回路分流作用加大引起。当CT严重饱和时，Zm急剧减少至接近零，一次电流全部变成励磁电流，二次电流几乎接近于零。此时，保护装置因采集不到故障电流而出现拒动。传统的电磁式电流互感器是利用电磁感应原理通过耦合实现一、二次电流变换的。在正常运行情况下，电流互感器能够保证所在电气回路电流量的准确传变，但是由于铁心具有磁饱和特性，是非线性组件，当一次电流很大时，特别是一次电流中大量非周期分量的存在将使CT的铁心严重饱和，励磁电流成十倍、几百倍增加，而且含有大量非周期分量和高次谐波分量，造成二次电流数值和波形严重失真，致使电流互感器的二次侧无法如实反映一次侧电流的变化情况，严重影响了继电保护动作和监控系统决策的正确性［3］。电流互感器饱和主要有两种:稳态饱和与暂态饱和。其中稳态饱和主要是因为一次电流值太大，进入了电流互感器饱和区域，导致二次电流不能正确的传变一次电流。暂态饱和，则是因为大量非周期分量的存在，进入了电流互感器饱和区域。由于暂态饱和过程较为复杂，因此将重点进行分析。

2.2 电流互感器暂态特性

当一次系统发生短路故障时，设一次系统空载，短路环路中阻抗角θ=90°流过CT的一次短路电流(归算到二次侧)为［4］:

式中:Ipm为归算到二次侧的一次稳态短路电流;Ip流过CT一次侧绕组的稳态短路电流有效值;T为一次系统时间常数;θ为短路初相角。

将电流互感器的铁心损耗以及一次绕组的漏抗和电阻略去不计，则有

求解方程得暂态励磁电流:

式中:Tb二次负载时间常数;Ts二次闭合回路时间常数;φb二次负载阻抗角;δ二次闭合回路阻抗角

2.3 影响CT饱和的因素

(1)故障发生的初始阶段，励磁电流中的非周期分量从无到有，然后逐渐增大使铁心饱和。CT进入饱和的时间和一次系统时间常数、CT二次时间常数和CT二次负载有关。

(2)一次系统中电流的非周期分量越大，在励磁电流中的非周期分量就越大，CT饱和的情况就越严重。

(3)一次系统的时间常数越大，励磁电流中的非周期分量衰减相对也就越慢，CT饱和时间相对就越长

(4)CT的二次负载越大，励磁电流中的周期分量也越大，此时，CT将处于饱和状态。

3 仿真分析

本文采用的互感器某变电站曾由于饱和发生保护越级动作的CT为例:保护级变比为400∶5，二次输出容量为15VA，内阻0.811Ω，励磁曲线如图2所示。

图2 CT励磁曲线

采用功能强大的MATLAB7.0建立模型并进行仿真，仿真波形如下:

(1)一次电流幅值的大小对CT饱和的影响

图3 一次侧电流幅值Im =50和 1 00A时电流波形

从仿真波形来看，一次电流幅值越大，饱和程度就越严重。一次短路电流增大，将会导致非周期分量增大，使磁通密度过大，从而使铁心易于饱和。

(2)非周期分量的大小对CT饱和的影响

图4 α=30°和α=60°时电流波形

从仿真波形来看，非周期分量的大小对CT饱和影响较大。短路发生后，短路产生的暂态电流并不足以使CT迅速产生饱和，非周期分量引起的CT饱和，使得CT励磁电流中包含大量的非周期分量。时间持续过程的长短与非周期分量的大小有关。

图5 L=2mH，负载电阻分别取1Ω和2Ω时电流波形

(3)二次侧负载大小对CT饱和的影响

从仿真波形来看，二次负载越大，饱和程度趋向于加深。

(4)一次系统时间常数T，对CT饱和的影响

图6 T=0.1s和T=0.2s电流波形

从仿真波形来看，如果一次侧时间常数T较大，即使短路电流相对较小，CT仍然会发生比较严重的饱和。总的来说，CT饱和现象总是在短路发生后并延时一段时间才出现。CT饱和时励磁电流将迅速增大，CT饱和后，二次侧的电流波形将会发生严重畸变，一个周波内的波形将不再对称。由于非周期分量很难传变到二次侧，使铁心的磁通发生饱和，导致CT传变特性发生变化，一次电流中的很大一部分转变为励磁电流，导致CT的严重饱和。除了一次电流的非周期分量对CT饱和的影响外，一次时间常数、一次电流大小，二次负载大小都会对CT的饱和产生影响。

4 结论及相应措施

(1)对于电流互感器的选择，其类型和参数要与实际运行状况相符，保证CT在稳态对称短路电流下的误差在正常范围之内，保护动作性能不会受其影响。而由短路电流引起的CT暂态饱和影响，则应根据现场实际情况和相关运行经验来选择。

(2)在二次负载一定的情况下，增大变比，可以降低互感器的饱和程度。然而，增大CT保护级的变比后会给继电保护装置的运行带来一些负面影响，主要对CT二次回路和继电保护装置的运行监视有不利的状况。

(3)在二次负载一定的情况下，选用额定容量大的互感器。而选择容量过大的CT也会有不利因素。只有选择的CT二次容量大小接近二次实际负荷时，CT的精度才较高。容量偏大偏小都会影响CT的测量精度。

(4)变比相同的情况下，适当减小二次阻抗值，将有利于改善互感器的传变特性.减小二次阻抗值的方法。相应的措施包括选用交流功耗小的继电保护装置和测量仪表，选用导线截面积较大的二次电缆，缩短二次电缆的长度等。

(5)减小CT的二次额定电流，选用一次电流倍数高的互感器。

(6)保护装置采取减轻饱和影响措施，保证互感器在特定饱和条件下不致影响保护性能。保护装置采取措施减缓电流互感器饱和影响，特别是暂态饱和影响，对降低电流互感器造价及提高保护动作的安全性和可信赖性具有重要意义，应成为保护装置的发展方向。特别是微机保护具有较大的潜力可资利用。当前母线差动和某些型式的发电机和变压器差动保护装置一般都采用了抗饱和措施，取得了良好的效果［5］。

5 展望

随着科学技术水平的发展，传统电磁型CT由于其固有的缺点将会完成自己的历史使命，逐步的离开电力系统的历史舞台。基于新技术，新原理制造的互感器将取而代之。光电互感器，是利用光电技术和光纤传感技术与电子学原理相结合来实现电力系统电压、电流测量的新型互感器。由于其本身具有传统CT不具备的特殊优点，如体积小，重量轻，无铁心，不存在磁饱和铁磁谐振问题，暂态响应范围大，频率响应宽，抗电磁干扰性能佳，便于向数字化微机化发展，成为新一代互感器的代表。随着光电式互感器的理论水平、生产技术和工艺的不断提升，光电式CT将会逐步取代现有的电磁型CT，在电力系统中得到广泛的应用。

［1］ 陈三运．一起CT饱和引起的继电保护拒动分析［J］．电网技术，2002，26(4):85 －87．

［2］ 陈铮，董新洲，罗承沐．电流互感器饱和影响测距精度的一种解释方法［J］．电力系统自动化，2002，26(l):39 －44．

［3］ 袁季修，盛和乐，吴聚业．保护用电流互感器应用指南［M］．北京:中国电力出版社，2004．

［4］ 叶民．电流互感器饱和特性及对继电保护的影响研究［D］．重庆大学，2007．

［5］ 胡宝，朱军红，刘秋菊，等．易饱和电流互感器在母线保护测试中的应用［J］．继电器，2005，33(9):70 －73．

Analysis of the Effect of CT Saturation Characteristic on Relay Protection

TAN Yan-feng
(Hechi Power Supply Bureau，Hechi547000，China)

The paper analyzes the working principle of a current transformer and the effect on relay protection and a current transformermodel has been set up．According to the theoretical analysis and simulation results，compare the current transformer characteristics under different conditions．Analyze primary amplitude size，aperiodic component size，primary side time constand and secondary side load to the effecton current transformer saturation，thus putting forward stopping amethod from current transformer saturation．

current transformer;characteristic;saturation;simulation analysis

TM452

B

1004－289X(2013)03－0096－04

2012－05－29

覃燕凤(1985－)女，广西来宾人，主要从事变电站二次保护工作。