电流互感器暂态饱和的延时计算分析及改进措施

当电网中一次电流包含有长时间的非周期分量时，可能会使电流互感器的铁芯深度饱和，但饱和出现的时间有时延，且时延大小与系统一次时间常数、互感器二次回路时间常数、非周期分量幅值、CT 的工作循环以及CT 的暂态面积系数等有关。文中通过实例计算分析了CT暂态延时饱和过程，论述了减小互感器饱和对保护装置影响的改进措施。

　　1 引言

　　电流互感器暂态饱和问题是目前系统中普遍存在的一个问题，电流互感器的暂态饱和与电流互感器中的剩磁以及互感器短路电流中的非周期分量密切相关。当一次电流包含有长时间的非周期分量时，可能使互感器铁芯深度饱和，但饱和出现的时间有时延，且时延大小与系统一次时间常数、互感器二次回路时间常数TP、非周期分量幅值、CT的工作循环以及CT 的暂态面积系数等有关。这主要是因为电流互感器的励磁回路是一个大电感，发生故障时，按TP衰减的一次电流非周期分量（ 强迫分量） 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，二次回路必然产生自由直流分量，来保证电感电流不能突变。此自由直流分量按Ts衰减，于是出现了励磁电流按一定规律延时上升的现象。Tp与电压等级及故障点位置有关，Ts与互感器的励磁电感及二次负荷有关。直流励磁电流不产生变化磁通，但能作为励磁电流而改变铁芯的工况。如果非周期分量存在时间长，则很容易使互感器出现暂态饱和，其铁芯中磁通变化的情况如图1 所示。

图1 互感器铁芯中磁通变化情况

　　图中φac为一次电流中交流分量在铁芯中感应的磁通； φdc为一次电流中直流分量在铁芯中感应的磁通； Σφ 为一次电流中交流分量和直流分量在铁芯中产生的叠加磁通。

　　电流互感器的暂态饱和过程是铁芯磁链随着一次电流非周期分量的时间积分作用而逐渐进入饱和的过程，即电流互感器一开始能够线性传变一次信息，即电流互感器在非周期分量影响下进入暂态饱和存在有延时。

　　2 CT 暂态延时饱和实例计算分析

　　2. 1 某220kV 变电站CT 暂态延时饱和实例

　　2009 年4 月，某220kV 变电站110kV 旁路550 开关（ 带线路1） 线路保护动作跳闸，重合不成，后加速保护动作跳闸，同时，重合后该变电站220kV#1 主变差动保护，因110kV 侧CT 饱和，在区外故障时越级动作出口跳闸（ 变电站一次系统接线图如图2 所示） 。此次故障为线路近端的三相永久性金属接地故障。

图2 变电站一次系统接线图

　　该变电站#1 主变保护110kV 侧CT，在本次线路故障过程中，其二次电流波形如图3 所示。

图3 #1 主变保护110kV 侧CT二次电流波形

　　从图3 上可以明显地看出，在旁路开关重合于三相永久性故障后，CT 电流波形发生偏移，存在有非周期分量，该非周期分量最终导致了CT 暂态饱和，且饱和延时约两周波。

　　2. 2 饱和延时计算分析

　　该变电站#1 主变保护110kV 侧B 相采用的CT 型号为LB7 － 110W2，保护所用绕组准确级为10P19，变比为600 /5，额定二次负荷为50VA，实测二次负载阻值为Rb = 0. 7Ω，CT 二次绕组电阻值为RCT = 0. 23Ω。由于该CT 历史运行情况良好，因此，不考虑CT 剩磁的影响。

　　对于饱和的延时，在不考虑剩磁的情况下，可以从下式计算得到：

　　Ktd为暂态系数，Kt1为暂态裕度系数，当Ktd ＞ Kt1时，认为CT 开始饱和，此时t″为饱和延时。此外，式中：

　　Tp为一次时间常数，采用经典参数80 － 120ms; Ts为二次时间常数，采用经典参数5s; RCT为CT 二次绕组直流电阻； Rb为CT 实际二次负载； Rbn为CT 额定二次负载； KALF为CT 准确限值系数； Kpcf为CT短路电流校验系数； θ'为第一次短路电流偏移角； θ″为第二次短路电流偏移角。

　　计算中考虑的CT 工作状态为线路重合闸情况下的CT 工作状态，即CT 从开关合闸带电，到线路第一次短路故障开关跳闸（ 第一次短路时间t'） ，再经线路重合闸（ 重合闸延时t） ，最后重合于故障再跳闸（ 第二次短路时间t″） ，整个工作过程即是：

　　C（ 开关合闸） →t'（ 经第一次短路时间） →O（ 开关跳闸） →tfr（ 经重合闸延时） →C（ 开关重合） →t″（ 经第二次短路时间） →O（ 开关跳闸）为对饱和延时t″进行估算，在上述公式中，Tp采用经典参数80 或120ms，Ts采用经典参数5s，并考虑第一次短路电流无偏移θ' = 90°，且第一次短路时间t' = 60ms，重合时间tfr = 2. 083s。下面以第二次短路电流全偏移θ″ = 0°及部分偏移θ″ = 30°、θ″ = 60°为例进行计算，结果见表1。

表1 饱和延时估算结果

　　从估算结果可以看出，CT 饱和延时与一次侧短路电流偏移角有很大关系，短路电流偏移角越大饱和延时越长。当第二次短路电流偏移角θ″ = 60°时，暂态饱和延时估算结果与实际较吻合。

　　正是由于主变差动保护110kV 侧CT 暂态饱和，导致了主变差动保护中差流的产生，并最终导致了主变差动保护越级动作，因此需要采取必要的改进措施来减少CT 暂态饱和对保护的影响。本案例在不更换CT 的情况下，通过增大CT 的暂态裕度系数来减少CT 暂态饱和对保护的影响。

　　3 CT 暂态饱和对保护影响的改进措施

　　3. 1 增大CT 暂态裕度系数

　　从上述公式可以看出，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均可起到增大CT 暂态裕度系数的目的。通过增大CT 暂态裕度系数，可以延长故障后互感器线性传变时间，确保继电保护装置不因电流互感器的饱和而延缓动作或拒动、误动。

　　3. 2 选择合适的CT

　　3. 2. 1 采用PR 类电流互感器

　　PR 类电流互感器对剩磁有限制，要求不超过10%。采用PR 类电流互感器取代P 类电流互感器，可大大消除剩磁对电流互感器饱和的影响，增加故障后电流互感器的线性传变时间，保证继电保护装置的正确动作率。

　　3. 2. 2 采用TPY 级电流互感器

　　目前，500kV 系统线路保护用的电流互感器广泛选用TPY 级电流互感器。该级电流互感器铁芯设置一定的非磁性间隙，规定了暂态工作循环中的峰值瞬时误差，同时要求剩磁通不超过饱和磁通的10%，限制了剩磁，适用于双工作循环和重合闸情况。

　　4 结语

　　电流互感器暂态饱和问题是普遍存在的，通过采用对互感器剩磁有限制的PR 类或TPY 类电流互感器，可以有效地避免因剩磁导致的电流互感器暂态饱和的问题。对于非周期分量引起的暂态饱和问题，需要根据互感器所在系统暂态问题的严重程度，适当地选取互感器参数，通过增大CT 暂态裕度系数，延长故障后互感器线性传变时间，确保继电保护装置不因电流互感器的饱和而延缓动作或拒动、误动。

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