电子式电流互感器差动保护性能分析

孙哲　张随会

摘要：造成差动保护误动的原因很多，但最重要的莫过于电磁型电流互感器饱和。针对这个原因往往会采用保护抗CT饱和措施，但这种措施会使得保护算法趋于繁杂，降低其可靠性，而电子式电流互感器很好地解决了这个问题。文章对电子式电流互感器差动保护的性能进行了分析。

关键词：电子式电流互感器；差动保护；光学电流互感器；保护抗CT饱和措施；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM771 文章编号：1009-2374（2015）19-0074-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.036

1 概述

电流互感器（CT）在电力系统中有重要作用，它对电流测量和保护继电系统发挥了重要作用，它的性能会直接影响到电流测量的准确性和继电保护装置的可靠性。电流差动保护方式由于其灵敏、高效的优点，在高压线路和电气设备的保护中应用非常广泛。差动保护对内外部故障的区分主要依赖被保护系统的电流情况。在高压线路的保护中，如果出现了故障会导致电磁型电流互感器饱和，从而使二次电流异常，触发差动保护。在没有发生故障但电流出现不正常分流时也会触发差动保护。为了区分故障误动和电流误动，一般采用比例制动技术来提高可靠性。但是当在保护区外发生故障同时电流互感器出现饱和时仍然会引起保护误动。还有一种方法就是采取电流互感器传变区差动保护，但是如何判断饱和状态仍然是一个难题。一直以来，人们通过构造各种仿真模型来对电流互感器的性能进行分析，也提出了很多解决分辨饱和状态的方法。有的文献提出将形态学和时差法结合起来鉴别的方法，还有的提出了通过谐波比来分析饱和状态等，尽管这些方法都从不同角度提出了分辨电流互感器饱和状态的方法，但是也使得差动保护更加复杂，在实际应用中失去了灵敏快速的性能。而电子电流互感器则由于其无磁饱和、绝缘结构等优点在增加差动保护灵敏性方面发挥了重要作用，也因此在国外电子式电流互感器应用很普遍，而我国这方面的应用也逐渐加快，比如南京某电器公司开发的ECVT1-252就开始运行，另外，河南某研究院与德国合作的交流变电站也已经在郑州应用。这都说明电子式电流互感器为提高差动保护性能提供了非常实际的解决方案。

2 电子式电流互感器

2.1 Rosgowski线圈电流互感器

Rosgowski线圈是一种在非磁性骨架上缠绕的空心线圈，它的优点就是可以解决电流互感器的磁路饱和问题，其线圈制作水平、电子模块的稳定性以及供电技术是关键所在。Rogowski虽然解决了电流互感器饱和的问题，但是它的工作原理决定了它难以保证电流的稳定性，同时测量精确性也难以控制。另外，其测量频带也因为在信号处理方法上的局限而受到了限制。

2.2 光学电流互感器

Faraday磁旋光效应是光学电流互感器的基本工作原理，在其工作时，仪器上的偏振光会随着磁场中的Faraday旋光材料的移动而偏移，其偏移的角度正比例于磁场强度。用公式可以表示成：

式中：表示磁导率；V表示Verdet常数；L表示偏振光的光程长度；H表示磁场强度。

从以上公式看出采用光学电流互感器可以准确测量线性度，从而掌握电流变化，避免了频带问题。当时仍然具有稳定性不足等问题。在精度和温漂问题上有文献通过自适应方法提出了解决方案，效果较好，提高了应对故障的响应能力。

从上述分析可以知道Rosgowski线圈电流互感器和OCT都存在饱和性不足的缺陷，二者都可以提高差动保护性能，但是又存在差异：Rosgowski线圈电流互感器难以有效传遍直流分量电流和低频率电流，而OCT则没有这一限制，因此其动态性能比前者更胜一筹。

3 电子式电流互感器在差动保护中的应用

3.1 基于相量的差动保护

基尔霍夫电流定律要求只有在磁支路，分布电容、电导和并联高抗同时存在的情况下才满足磁定律，而变压器纵差保护和线路电流差动保护由于缺乏这些要件，因此不再满足该定律。另外，短路电流的非周期分量还有可能产生电流互感器饱和状态，引起差动异动电流，因此需要采取相关制动方式避免错误触发差动保护。基于比率制动原理的差动保护就是通过对差动和穿越性故障电流进行内外故障的区分，而基于相量的差动保护则是依据某种算法计算出来制动量的平均值或者有效值来判断是否启动差动保护。通常比率差动有两个触发

条件：

差动电流：=

比率制动：

式中：表示最小动作电流；K表示制动洗漱；表示制动电流；表示回路的输入电流。

而制动电流的取值有三种方法：第一种方法是去平均值；第二种方法是去电流最大值；第三种方法是取两个值的和。如果采用第一种方法来触发差动保护，那么在发生区外故障时的会比较大，而会比较小；发生区内故障时则会比较大，一般情况下不会太大。所以在确定触发最小保护值时只要观察区外故障时的短路电流即可。对于采用第二种方式触发差动保护时，发生区外故障时一般相同，而要大于第一种方法下的值。因此相对来说比第一种方法的可靠性高一些。当发生相同的区内故障时，一般在第一种算法和第二种算法下相同，但是第二种方法的要大一些，此时第二种算法不如第一种算法在触发差动保护时灵敏。在第三种算法下的差动保护下，当区外故障相同时，也相同，而则与第一种算法下的制动可靠性相同。当面临同样的区内故障时与第一种算法下相同，而则可能大于第一种算法下的差动保护，小于第二种算法下的差动保护，灵敏性适中。从上面的分析可以知道电子式电流互感器要比电磁式电流互感器的性能强很多，无论是从可靠性还是从灵敏性来衡量都是如此。这也是电子式电流互感器得到广泛应用的根本原因，因此提高差动保护的性能可以避免短路故障的蔓延，提高供电设备的稳定性。

3.2 采样值电流差动保护

基于相量的差动保护虽然在性能上大大提高了，但是在应用中需要一定的数据支持，当发生严重故障时这样的处理模式在应变速度上略显缓慢，尤其对严重影响整个系统的故障来说必须及时解决。这时候采样值电流差动保护的优势就体现出来了，它是基于采样电流来触发差动保护的，因此和相量差动保护比起来速度大大提高了。采样值差动保护的触发条件是在R次采样中若出现S次以上即触发动作，用公式表示就是：

式中：表示最小触发电流；K表示制动系数；表示制动电流。

由于电子式电流互感器在电磁上不会出现饱和问题，因此相对来说采用采样值差动保护要比相量差动保护更好一些。而很多实验也都表明电子式电流互感器在差动保护上无论是稳定性，还是灵活性都有很大提升。所以，一般在电子式电流互感器中采用采样值电流差动保护。在以前，由于难以得到直流电流，因此往往通过数字滤波处理，在OCT普及之后，测量直流电流问题的解决使得新型差动保护的研究也更加紧迫了。

4 结语

Rogowski线圈电流互感器和基于Faraday的光学电流互感器同属于电子式电流互感器，而电子式电流互感器因其绝缘可靠、避免了二次开路、同时不会发生磁饱和现象等优点已经成为了电力系统未来发展的基础，基于ECT的差动保护的性能大大提高，无论是反应速度还是稳定性都有了很大的进步，其算法也更加简洁，避免了复杂的计算过程。虽然同属于电子式电流互感器，但是Rogowski线圈电流互感器难以传导直流分量和低频率电流，OCT则避免了这一方面的不足，在电流保真性上做得非常出色，所以OCT在采样值基础上的差动保护具有了很大的优势，其在超高压电网的应用有效提高了差动保护的性能，对于电力系统的提升起到了重要的

作用。

参考文献

[1] 何瑞文，蔡泽祥，王奕，李佳曼，谢琼香.空心线圈电流互感器传变特性及其对继电保护的适应性分析

[J].电网技术，2013，（5）.

[2] 殷伯云，罗志娟，杨丽，吕艳萍，袁亮，向黎.主变差动保护采用不同原理CT的仿真研究[J].电网技术，2013，（1）.

作者简介：孙哲（1989-），男，陕西咸阳人，陕西能源集团清水川发电公司助理工程师，研究方向：发电厂电气设备自动化及运行管理；张随会（1975-），男，陕西西安人，陕西能源集团清水川发电公司助理工程师，研究方向：发电厂电气设备自动化及运行与管理。

（责任编辑：秦逊玉）endprint