谈短路故障与电流互感器抗饱和对策

银俊文

摘要：在电力系统中，电流互感器占据着不可替代的位置，其在运行中的稳定情况会影响着整个电力系统安全稳定运行。电流互感器饱和现象一直是影响电力系统保护装置正确动作的主要因素。文章根据情况分析来防止电流互感器产生饱和现象，提出抗饱和对策。

关键词：电流互感器；抗饱和；故障

中图分类号：TM452

近期，南方电网连续发生了多起故障时电流互感器饱和事件中，有的暴露出一次短路电流大于或接近(达到80%)电流互感器额定准确限值一次电流，在暂态分量影响下迅速饱和的问题。为了防范电流互感器饱和带来的运行风险，对电流互感器抗饱和电流互感器设计将是一项重要的课题。

1电流互感器的原理

电流互感器的一次、二次绕组采用减极性标注接法，如图1所示。

一次电流； 二次电流； 一次绕组匝数； 二次绕组匝数； 负荷阻抗

图1：电流互感器原理

当电流 流过互感器的一次绕组时，建立一次磁动势， 与一次绕组匝数 的乘积就是一次磁动势，也称一次安匝。一次磁动势分为2部分，其中一小部分用来励磁，使铁心中产生磁通，其余大部分用来平衡二次磁动势。二次磁动势也称二次安匝，是二次电流 与二次绕组 的乘积。用以励磁的叫励磁磁动势，也叫励磁安匝，是 与一次绕组的乘积。电流互感器的磁动势平衡方程式如下

，（1）

或者写成。（2）

忽略很小的励磁安匝

，（3）

，（4）

（5）

式中，为匝数比。

电流互感器的等值电路如图2所示。

二次感应电动势； 二次负荷电压； 一次电流； 二次全电流； 二次电流； 励磁电流； 一次匝数； 二次匝数； 匝数比； 二次绕组电抗（低漏磁互感器可以忽略）； 二次绕组电阻； 二次负荷阻抗（包括二次设备及连接导线）； 励磁阻抗

图2电流互感器的等值电路

2一次短路电流计算

如图3所示，一次侧短路等效电路，短路一次电流瞬时值如下

（6）

式中： ， 分别为系统等值电抗、电阻； ； 为短路初始时( )电压的相角，为短路电流的偏移度。

令 ，（7）

（8）

式中： 为短路电流稳态值的有效值； 为系统的一次时间常数。

考虑 ，则式(6)可表示为

。（9）

式(9)中， 包括交流分量和按 衰减的非周期分量(或称为直流分量)2部分，当 时， 2部分幅值相等，即短路电流100%偏移，如图3、图4所示。

图3 短路等效电路

图4 100%偏移电流波形

3.励磁电流及二次电流

电流互感器的基本关系式为

（10）

（11）

式中： 为励磁电流； 为二次电流； 为励磁阻抗(假设为纯电感)； ，对低漏磁电流互感器，漏电感 可忽略； 。

设 ， ， ，

由式(10)及式(11)消去Is，可得

（12）

用拉式变换将式(12)变为

（13）

将式(9)变为象函数代入式(13)，得

（14）

将其展开并求系数。设 ，可得 （15）

考虑到 ， ，δ≈π/2。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 ，β=0，cosβ=1，上式可近似为 （16）

由式(10)求得二次电流为

(17)

根据式(17)，励磁电流可分为以下几个分量：

(1)：式(17)中最右边一项为正弦形周期性强制分量，相当于稳态短路电流的励磁电流。

(2)：右边第3项为非周期自由分量1，它补偿短路初始时周期分量与初始励磁电流的差值。该量按二次回路时间常数 衰减。

(3)：右边第1项为励磁电流非周期强制分量，按一次电流时间常数 衰减。

(4)：右边第2项为非周期自由分量2，它补偿短路初始时非周期分量初始值。该量按第二次回路时间常数 衰减。

(5)：非周期分量(2)、(3)、(4)之和。

在短路起始角度θ很小时，第(3)、第(4)项非周期分量绝对值很大，尽管短路开始时符号相反，互相抵消，但因衰减时间常数不同，可能出现很大非周期分量励磁电流。

4.解决电流互感器饱和问题的方法

4.1选型要求

4.1.1材料的选型

适合工频使用的磁性材料有玻膜合金、纳米微晶、非晶、硅钢，它们的饱和磁感应强度分别是0. 7， 1. 2，1. 5， 1. 9T。因此，从缩小体积来看，以选用硅钢为好;同时，在选择牌号上，应选用低剩磁牌号的。玻膜合金、纳米微晶由于有较高的磁导率、较小的励磁电流，在不抗饱和的CT中普遍采用。

4.1.2结构的选型

非周期性分量消失后，会在磁芯上产生一定的剩磁。由于正常工作时磁通密度很小，剩磁量是无法退掉的，所以，最好选择Ei结构的磁芯，它总是会有一点气隙，剩磁可以降低很多。在二次CT中，通常不考虑开气隙，主要是制作困难，一致性差。在不抗饱和的CT中，通常选择环形结构，主要是它的漏磁小、磁路短，制作出的互感器精度高。

4.2减小二次阻抗值

4.2.1.缩短二次电缆接线长度

CT的主要负载是二次电缆的阻抗，所以在安装继电保护装置时应选择就地安装，缩短二次电缆的接线长度，达到减小CT负担的目的，有效地避免饱和。但是就地安装继电保护装置对自身装置的性能具有较高要求，要具备在恶劣气候环境下运行的能力和抗强电磁干扰的性能。就地安装还能简化二次回路，提高供电的稳定性。

4.2.2.减少CT的二次额定电流

由于功率与电流的平方成正比，当CT的二次额定电流降低时，在负载阻抗不变的情况下，二次回路功率就会成倍降低，这样CT就不容易产生饱和。同时，还可以选用一次电流倍数高和额定容量大的互感器，也能达到减小二次阻抗值的目的。

4.3采取措施限制短路电流

引起CT饱和的一个重要因素就是短路电流的幅值，换句话说，限制短路电流就可以在一定程度上避免CT出现饱和。比如，可以在电力系统中较高一级的电压等级中采取分列运行的方式来限制短路电流的幅值。但是分列运行会造成供电稳定性降低，这一弊端可以通过备用电源自动投入的方式来改善。在新建的电力系统中可以采取串联电抗器的方式来控制短路电流过大。

4.4选用具有抗CT饱和能力的继电保护装置

影响CT暂态特性的原因是一次电流叠加了一个非周期分量，而该非周期性分量的大小及衰减速度决定了CT需增加一定数量的磁通量来抵消这分量。由于现场的故障电流是随机、变化的，因此，在设计二次CT时须考虑最严酷的情况，在暂态20倍或30， 40倍时，非周期性分量100%全偏，时间常数120ms或更长的条件下，CT也能满足要求。

以前针对装置电流互感器的抗非周期分量的能力不强采取了很多措施，如增加了很多辅助判据和辅助算法，增加了CPU的工作量也降低了保护的可靠性。采用了新设计的二次CT后，保护装置抗饱和能力增强了，简化了软件的设计，提高了装置的效率和可靠性，经过动模测试和工程应用效果都是很好的。

5.结论

经过了以上的措施改进以后，保护装置电流互感器的抗饱和能力得到了大大的增强，因此，一定要根据具体情况采用相应的措施来防止CT产生饱和现象，确保继电保护装置动作的正确性，有利于提高供电质量，为分析电力系统事故提供可靠的依据。

参考文献：

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

[2]黄莉，何奔腾.电流互感器饱和对距离保护的影响[J].继电器，2004（12）。

[3]陈建玉，孟宪民，张振旗，王志华.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)

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

[5]能源部西北电力设计院编. 电力工程电气设计手册电气一次部分，中国电力出版社2009

[6]能源部西北电力设计院编. 电力工程电气设计手册电气二次部分，中国电力出版社2009

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。