中压系统中非周期分量对电流互感器暂态饱和影响

李宁彩，司大军，王洪亮，张洁

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.云南电网规划研究中心，昆明650217；3.云南电网公司博士后工作站，昆明 650217；4.云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

中压系统中非周期分量对电流互感器暂态饱和影响

李宁彩1，司大军2，王洪亮3，4，张洁1

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.云南电网规划研究中心，昆明650217；3.云南电网公司博士后工作站，昆明 650217；4.云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

针对中压系统中非周期分量造成电流互感器暂态饱和，导致变压器差动保护误动的情况，对非周期分量对电流互感器饱和的影响进行了理论分析，并基于Matlab进行了仿真。仿真结果与理论分析相符，证明了方法的有效性及实用性，提出了中压系统中暂态饱和对保护影响的改进措施及建议。

电流互感器暂态饱和；非周期分量；matlab仿真

0 前言

随着电网的建设，系统供电可靠性进一步增高，但另一方面，系统的短路容量也大幅度提高。从某电网10 kV、35 kV电流互感器校核结果看，有将近一半设备的最大短路电流大于其准确限值电流，不满足其抗饱和要求。当大容量的短路电流传入电流互感器时，电流互感器的铁芯将严重饱和，不能正确传变一次电流，二次侧电流波形将发生严重畸变，影响继电保护正确动作[1-2]。

对于大容量短路电流造成的稳态饱和，有研究指出电流互感器在过饱和状态下二次电流有效值、平均值及由傅氏算法求出的电流值仍将增加，故可按保护最大整定值确定电流保护用的电流互感器准确限值系数[3]。但该研究只考虑了大电流的影响，并没有涉及暂态饱和的影响。

目前国内电流互感器的设计选型主要还是依据DL/T866-2004《电流互感器和电压互感器选择及计算导则》，该导则中指出对于中压系统，不用考虑暂态饱和的影响，一般按稳态条件选择P类互感器即可[4]。目前在超高压、特高压系统中考虑暂态影响的TP类电流互感器得到了广泛的应用，但在110 kV系统中基本没有使用。当故障电流中包含非周期分量时，非周期分量产生的暂态磁通远大于周期分量产生的稳态磁通，极易使电流互感器饱和[5-8]。目前在中压系统中因短路电流中非周期分量引起的电流互感器饱和导致继电保护误动的事故时有发生，很有必要对此进行深入的研究。本文首先研究了因非周期导致的电流互感器暂态饱和的特性，并用Matlab对其进行了仿真，最后提出了中压系统中暂态饱和对保护影响的改进措施及建议。

1 保护误动实例

某变电站110 kV 187断路器绿云线#273、275杆B相绝缘子雷击掉串，事故后仅处理了# 275杆的故障，而未发现#273杆故障，导致带故障合闸，造成B相近区接地短路，1、2号主变A套保护所用CT饱和，差动速断保护误动。

对事故原因进行调查，发现1、2号主变110 kV侧进线主变差动保护电流互感器及187断路器绿云线线路保护电流互感器B相均有不同程度的饱和现象。短路时一次电流、二次负载、剩磁都在允许范围内，伏安特性正常，排除了上述因素造成的电流互感器饱和。

对1、2号主变110 kV侧电流互感器主变A套保护故障录波图进行分析，其具有下述特征。

1)波形仅在半周波畸变，即电流互感器仅半周波饱和；

2)波形上下半周不对称、幅值不相等，a半周幅值明显小于b半周，即Ia＜Ib；

3)波形上下半周经历的时间不一致，a半周时间小于b半周时间；即ta＜tb；

4)波形具有明显的随指数衰减的趋势。

系统短路时通常伴随着非周期分量，这些非周期分量的大小与发生短路瞬间电压的相角有密切关系，当电压过零点时 (0°或180°)发生短路，非周分量最大，理论上等于周期分量的幅值，从录波数据看，187线路故障电流的非周分量为20%(二次值)。

由前面分析可知，单是稳态周期性短路电流远没有达到使上述间隔B相电流互感器同时饱和的程度，判断导致电流互感器饱和的原因是稳态周期性短路电流及暂态非周期分量叠加的结果

2 电流互感器的暂态饱和特性

电流互感器的暂态特性解析计算是很复杂的。在实用上，为了简化，通常是假定互感器工作于励磁特性的线性部分。这种特性在互感器铁芯未饱和前是近似可用的[1，4]。

设系统中发生短路时的一次电流为：

式中：θ—短路初始时电流与电压的夹角；cosθ—短路电流的偏移度。

电流互感器的基本关系式为：

式中：ip—一次电流；ie—励磁电流；is—二次电流；

设二次负荷为纯电阻负荷并忽略电流互感器二次绕组漏抗，则Tb=0，β=0，cosβ=1。考虑比较严重的情况，短路电流全偏移情况。此时θ =0，sinθ=0，联立上述三式得全偏移短路电流经t秒后铁心中的磁通密度与交流磁通密度幅值之比，即暂态系数：

铁芯中磁通密度随时间变化曲线如图1.

图1 铁心中磁通随时间变化曲线

电流互感器暂态饱和问题是普遍存在的，短路电流一般含有非周期分量，非周期分量产生的暂态磁通远大于周期分量产生的稳态磁通。短路电流中含有的非周期分量是引起电流互感器暂态饱和的主要因素，这将严重影响电流互感器的传变特性。特别是当一次侧电流中包含有很大成分的非周期分量时，电流互感器的励磁电流中也包含有很大成分的非周期分量，使其波形偏于时间轴的一侧[5-7]。

从铁心中磁通随时间变化曲线图可以看出非周期分量产生的暂态磁通是逐渐增加的，到一定时间之后磁通才达到最大值，因此电流互感器饱和出现的时间有延时。这是因为电流互感器正常工作时，励磁回路是一个大电感，励磁电流几乎为零，电流能正确传变。当系统发生故障时，按T1衰减的一次电流非周期分量突然作为励磁电流，为满足电流互感器励磁电感中电流不能突变的要求，二次回路必产生自由直流分量，来保证电感电流不能突变。此自由直流分量按T2衰减，于是出现了励磁电流按一定规律延时上升的现象[5，8]。

3 仿真模型及仿真结果

为了更加直观的看出非周期分量对电流互感器暂态饱和特性的影响，用Matlab/Simulink软件进行了仿真分析，仿真系统如图2。

图2 系统仿真图

在上述系统中，电源采用三相电源，对110 kV系统中非周期分量进行仿真。电流互感器使用Simulink中的饱和变压器模型，其额定容量为25 VA，电流比为2 000/5，一次绕组R1=0.001 p.u (标幺值)，L1=0.04 p.u；二次绕组 R1=0.001 p.u(标幺值)，L1=0.04 p.u；表示铁心涡流和磁滞损耗的电阻Rm=0.04 p.u；铁芯非线性磁化曲线用分段折线来表示。其它模块都比较简单，在这里不做赘述。

系统电流中非周期分量的大小由故障发生瞬间的电压相角决定。当故障时电压初始角θ=0，即cosθ=1时，非周期分量最大。模型中通过控制断路器闭合时间从而能够有效控制系统电流中的非周期分量大小[9]。

3.1 正常运行状态

设断路器在T=25 ms时闭合，此时电压初始角θ=90°，即cosθ=0，对电流中没有非周期分量进行仿真。一次电流和二次电流及铁磁中磁通的仿真波形如图3、4所示。

图3 一次电流及二次电流传变

图4 铁心中磁通变化图

从仿真结果可以看出，当电流中没有非周期分量时，电流互感器磁通正常，铁芯没有发生饱和，能够正确传变一次电流。

3.2 暂态饱和特性

设断路器在T=20 ms时闭合，此时电压初始角，即，对系统电流中非周期分量达到最大进行仿真，得到一次电流和二次电流及铁芯中磁通的仿真波形，如图5、6所示。

图5 一次电流及二次电流传变图

图6 铁心中磁通变化图

当电流中非周期分量最大时，从一次二次电流传变图可以看出，经过一定延时后二次电流不能正确传变，几个周波后，电流又能正确传变。与此相对应的铁芯中的磁通随着时间逐渐增长到最大，铁芯发生了饱和，随着非周期分量逐渐衰减，磁通又逐渐减小，铁芯退出了饱和。仿真结果与上述的理论分析想符，说明了仿真的正确性，也更好的印证了电流中非周期分量对暂态饱和的影响。

3.4 结果分析

电流互感器暂态特性与系统的一次时间常数有着密切关系。在超高压和特高压系统中，一次时间常数较大，比较容易暂态饱和，并且保护误动造成的后果比较严重。目前，在超高压、特高压系统中，电流互感器已广泛使用考虑暂态影响的TP级电流互感器。由于TP级电流互感器体积大、造价成本高、安装困难等因素，其在110 kV系统中还没有得到应用。在110 kV主变差动保护中，因非周期分量造成保护误动的案例时有发生，因此很有必要进行中压系统中暂态饱和对互感器影响的系统研究，并采取措施防止暂态饱和造成保护误动的发生。

针对中压系统中暂态饱和造成保护误动的案例，一般采取的措施是通过增大电流互感器的变比、减小电流互感器的二次负载、增大准确限制值系数等来提高互感器的暂态裕度系数，从而增加故障电流的线性传变时间，确保保护装置不因电流互感器的保护而误动。除此之外，建议一方面开展暂态计算工作，明确目前中压电网中暂态过程的影响，以便确定CT和保护功能是否满足暂态要求；另一方面重新计算差动速断保护定值，考虑是否可采用更高的定值，从而防止保护误动的发生。

4 结束语

随着电网的建设，系统短路容量大幅度增高，电流互感器铁芯因非线性励磁特性使其饱和，不能正确传变一次电流。当故障电流中存在非周期分量时，铁芯中的暂态磁通远远大于稳态磁通，是电流互感器饱和的主要因素，并且由于电流互感器铁芯是一个大电感，使得其暂态饱和有一定的延时，极易引起差动保护中的不平衡电流，从而引起保护误动。

针对中压系统中电流互感器的暂态饱和，一般采取的措施是通过增大电流互感器的变比、减小电流互感器的二次负载、增大准确限制值系数等来提高互感器的暂态裕度系数，从而防止其暂态饱和。另一方面，建议开展中压电网中暂态计算的系统工作，明确电流互感器暂态饱和的影响，确定是否有必要安装考虑暂态饱和的TP类电流互感器，从而保证电网供电的可靠性。

[1] 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.

[2] 孙建华，匡华.电流互感器饱和引起保护越级误动问题浅析 [J].继电器，2000，28(9)：54-56.

[3] 袁季修，盛和乐.电流互感器的暂态饱和及应用计算 [J] .继电器，2002，30(02)：1-5.

[4] DL/T866-2004.电流互感器和电压互感器选择及计算导则[S].

[5] 景敏慧，孔霄迪，覃松涛，等.P类电流互感器饱和原因分析及对策 [J].电力系统自动化，2007，31(21)：94 -98.

[6] 李艳鹏，侯启方，刘承志.非周期分量对电流互感器暂态饱和的影响 [J].电力自动化设备，2006，26(8)：15 -18.

[7] 胡晓光，王哲，于文斌.电流互感器暂态过程的仿真与分析 [J].电力系统及其自动化学报，2001，13(4)：12 -15.

[8] 刘中平，陆于平，袁宇波.数字差动保护抗电流互感器饱和的线性区方案 [J].电力系统自动化，2007，31(04)：66-70，107.

[9] 肖伟平，黄绍平.基于Matlab的电流互感器饱和特性仿真分析 [J].变压器，2005，42(5)：27-30.

司大军，男，高级工程师，云南电网规划研究中心。

王洪亮，男，博士后，云南电网公司电力研究院。

Study of the Influence of Non-periodic Component on Transient Saturation of Current Transformer in the Medium Voltage System

LI Ningcai1，Si Dajun2，WANG Hongliang3，4，ZHANG Jie1

(1.School of Electrical＆Electronic Engineering，North China Electrical Power University，Baoding，Hebei 071003，China；2.Power Grid Planning Research Center，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China；3.Postdoctoral Research Workstation of Yunnan Power grid Corporation，Kunming 650217，China；4.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

For non-periodic components causing the current transformer transient saturation in the medium voltage system，and eventually lead to the wrong action of transformer differential protection，in this paper，the influence of non-periodic component for current transformer saturation is analyzed in theory，and has carried on the simulation based on the Matlab.The simulation results consistent with the theoretical analysis，proving the validity and the practicability of the method.Finally，the improvement measures and suggestions of the transient saturation effect on protection is put forward in the medium voltage system。

current transformer transient saturation；non-periodic components；Matlab simulation

TM74

B

1006-7345(2014)06-0100-04

2014-06-26

李宁彩 (1987)，女，硕士研究生，华北电力大学电气与电子工程学院，研究方向为电气工程 (e-mail) liningcai0＠126.com。