CT饱和对发电机纵差保护影响及预防措施

王勇， 潘婧， 邓智勇

（1.中国人民解放军92267部队，山东青岛266102；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉430064）

CT饱和对发电机纵差保护影响及预防措施

王勇1， 潘婧2， 邓智勇2

（1.中国人民解放军92267部队，山东青岛266102；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉430064）

采用MATLAB仿真分析了相关因素对CT饱和的影响，并建立一次系统分析了CT饱和对发电机纵差保护的影响，最后提出了预防CT饱和的措施。

纵差保护；电流互感器；变比；饱和

0 引言

发电机纵差保护简单可靠，动作速度快，是发电机相间短路的主保护，该保护是利用短路故障时机端和中性点侧不平衡电流实现的。目前大型水轮发电机均采用多分支结构，使得机端和中性点CT变比不一致。由于发电机容量大，发电机机端故障时，流过CT一次侧的短路电流很大，将会使两侧CT或中性点侧CT发生饱和，影响保护动作行为。因此，本文利用MATLAB对CT特性进行了仿真分析，分析了CT饱和对保护动作特性的影响及采用的预防措施。

1 仿真模型

利用MATLAB中的PSB模块建立CT仿真模型。PSB作为电力系统专用分析工具，具有可视化特点，可直接从库中选择所需元件，搭建对象模型，修改参数，即可开始仿真分析。

基于MATLAB的电流互感器饱和模型是由饱和变压器实现的，电流互感器饱和仿真模型如图1所示。该模型参数包括互感器变比（2000/5）、额定容量、频率、一次侧参数、二次侧参数、饱和性等。其饱和效应通过磁化曲线φ-i实现。利用交流电压源和受控电压源来模拟一次电流的周期分量和非周期分量。

图1 电流互感器饱和模型

2 CT饱和的仿真分析

2.1 非周期分量大小对CT饱和的影响

由一次电流的表达式可知，短路电流由周期分量与非周期分量两部分组成。若幅值大小确定，则短路电流的成分和比重与短路时刻的相位角有关。取电流相位角α为0°、30°、90°时CT电流波形如图2（a）、（b）、（c）所示。

图2 非周期分量对CT饱和的影响

分析图2，可得到：

1）非周期分量比重较大时，电流互感器会出现暂态饱和的现象，而互感器饱和会导致二次电流曲线产生奇异点，出现畸变现象。

2）无非周期分量时，互感器直接进入稳态饱和。

3）互感器暂态饱和的程度，与电流中非周期分量的比重呈正相关的特性。

2.2 暂态电流幅值的影响

分析暂态电流幅值大小与电流互感器饱和之间的关系，取非周期分量为0，暂态电流幅值Im=10 000 A，50 000 A时CT电流波形如图3（a）～图3（b）所示。

由图3可以看出：一次电流的幅值与互感器饱和程度正相关。幅值越大，饱和越严重，与之相对的饱和时间就更短，继电保护愈加困难。

图3 暂态电流幅值对CT饱和的影响

2.3 二次负载对CT饱和的影响

取二次负载R＝4 Ω、10 Ω时CT电流波形如图4（a）、图4（b）所示。

图4 二次负载对CT饱和的影响

由图4可以看出：

1）当载荷为纯电阻，稳态情况下，若不到波峰，磁通就已经饱和，则饱和状态持续不变，没有感应电动势，二次电流迅速降低到零。一次电流全部消耗于该饱和状态，直至电流降为零。曲线在后半个波段迅速降低为零，像被砍去一段。

2）电阻大小与饱和所需时间呈负相关特性。电阻越大，到达饱和状态所需时间越短，因此CT饱和严重。CT特性更差，二次电流曲线畸变更甚。

3 CT饱和对发电机纵差保护的影响

建立图5所示单机-无穷大系统，仿真CT饱和对发电机纵差保护的影响。

图5 单机-无穷大系统仿真模型

模型假设：只考虑CT饱和对差动保护影响，假设发生外部故障时发电机机端和中性点电流相等，中性点侧电流在各分支平均分配。机端装设CT，并将每相引出5分支，2、3分支组合装CT，仿真机端CT不饱和，中性点侧CT饱和时电流波形如图6所示。

图6 CT不同程度饱和波形

将仿真分析的电流数据进行差分傅氏变换，代入常规比率制动判据得：

1）CT轻度饱和时，由于外部短路电流比较大，产生较大的制动电流，而差动电流较小，保护能够正确动作；

2）CT中度或严重饱和时，产生很大差动电流，制动电流已经不能满足要求，保护误动。

4 防止CT饱和的措施

4.1 提高电流互感器变比

由前面仿真分析知：一次电流越大，铁芯饱和越严重。增大电流互感器的变比，实际上是减小外部最大短路电流倍数，降低电流互感器的饱和程度。因此，大型水轮发电机机端CT整定不按照负荷电流的大小确定保护的CT变比，而是按照需要加装继电保护的地方可能产生的电流最大值、互感器本身特性来决定变比。

4.2 减小CT的二次负载

由前面仿真分析知：减小二次负载，可以降低CT饱和程度。CT的主要外载荷就是二次回路的电阻，工程中将保护设施就近安装，可在很大程度上降低CT的二次负载，减少饱和现象出现的可能性。如此亦能简化安装回路，使供电的可靠性大大提高。

降低互感器的二次电流幅值。已知能耗与电流大小的平方呈正相关特性，若电流幅值降低n倍，在负载大小不变时，能耗降为1/n2，CT饱和大大改善。

4.3 采用抗饱和能力强的保护原理

针对CT饱和时制动电流减小的特点，采用多折线比率制动。制动曲线中，使制动系数与电流大小正相关，电流小，系数小，反之亦然。在互感器饱和状态时，制动系数大，工作区域窄，有效避免互感器饱和导致误动。

由前面仿真分析知：CT在电流换向的一段时间不饱和，因此采用采样值差动保护也能防止由于CT饱和引起的误动。

4.4 互感器闭锁饱和

无论是理论分析，还是仿真结果都表明，如果故障发生在机组区内，则一旦故障发生，差动电流迅速增大。但是故障发生在区外时，差动电流需要一段时间才会出现饱和。根据故障与差动电流出现的时间点，可有效区分故障发生地点，避免外部故障导致保护装置误动作。

5 结语

针对电流互感器（CT）饱和会影响发电机纵差保护动作特性问题，本文利用MATLAB仿真分析了非周期分量大小、暂态电流幅值、二次负载大小对CT饱和的影响，并建立一次系统模型，分析了CT饱和对发电机纵差保护的影响。证明了CT在严重饱和时保护确实会误动作。并指出了一些预防CT饱和的措施。

［1］ 吴天明，谢小竹，彭彬.MATLAB电力系统设计与分析［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［2］ 张志竟，黄玉铮.电力系统继电保护原理与运行分析［M］.北京：中国电力出版社，1998.

［3］ 李海涛，电流互感器饱和对差动保护的影响及解决方案［D］.北京：华北电力大学，2003.

［4］ 陈建玉，孟宪民，张振旗，等.电流互感器饱和对继电保护影响的分析及对策［J］.电力系统自动化，2000，24（6）：54-56.

（编辑：立 明）

Influence of Current Transformer Saturation on Generator Differential Protection and Its Countermeasures

WANG Yong1， PAN Jing2， DENG Zhiyong2
（1.The Chinese People's Liberation Army 92267 Troops,Qingdao 266001,China；2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China）

The effect of related factors on CT saturation is analyzed using Matlab simulation.A power system model is built to analyze the effect of CT saturation on generator differential protection.Some countermeasures are proposed.

differential protection;current transformer;transformation ratio;saturation

TP 391.7

A

1002－2333（2014）04－0169－03

王勇（1979-），男，硕士研究生，研究方向为继电保护等。

2014-01-14