电流互感器饱和特性分析与仿真

1、2006年第 3期 1刘小宝 , 蒋 平 (东南大学 , 江苏 南京 0引言电流互感器饱和一直是影响电力系统保护装置正确动作的重要问题 , 常见的电流互感器饱和主要有两种 :稳态饱和与暂态饱和 。 其中稳态饱和主要是因为一次电流值太大 , 进入了电流互感器饱和区域 , 导致二次电流 不能正确的传变一次电流 。暂态饱和 , 则是 因为大量非周期分量的存在 , 进入了电流互 感器饱和区域 , 对于这两种情况本文给出了 具体的分析 。由于电流互感器二次侧负载的不同也会影 响饱和特性 , 本文针对二次侧的不同负载情 况 , 对稳态和暂态饱和情况进行了分析 , 并 利用 AT P 的暂态仿真软件进行仿真

2、 , 给出了 不同情况下的输出波形 , 从而为研究饱和问 题提供了依据 。 1电流互感器的稳态饱和特性分析为了便于分析 , 假设电流互感器的励磁特 性如图 1所示 , 同时假设铁心的损耗可以忽略 不计 , 在铁心饱和前 , 励磁电流的磁化分量为 零 , 一次电流与二次电流完全成比例 , i s =i p /K n , 达到饱和后磁通不再增加 , 饱和后则不 再产生电动势 。图 1电流互感器的理想励磁特征浙 江 电 力ZHE J IANG E LECT RIC POWERAnal y sis and Simulation on SaturationCharacteristics of Curre

3、nt Transformer电流互感器饱和特性分析与仿真摘要 :, 所以需要对电流互感器饱和情况 进行深入的研究 , , , 针 。关键词 :; ; 暂态仿真 ; 电磁暂态程序Abstract :T he saturation of CT has g reat influence on the p erform ance of the p rotection. T o ensure the rela y in g p rotections o p eratin g correctl y under transient saturation circumstance ,w e should m

4、akedee p research on the saturation craracteristics of CT and anal y ze the saturated current sha p e. Atthe sam e tim e different t yp e loads havin g effect on the saturation characteristics of current trans 2 form er ,w e anal y ze and simulate the saturation characteristics of current transform

5、er based on differ 2 ent t yp e load in this p a p er.K e y w ord :current transform er ;saturation ;transisent simulation ;alternative transient p ro g ram中图分类号 :T M 482文献标识码 :A 文章编号 :1007-1881(2006 03-0001-042006年第 3期2浙 江 电 力 图 2二次侧负载为电阻稳态饱和波形 (R =51. 1当二次负载为纯电阻在未饱和时产生的电动势为 e s =i p R s /K n , 在稳态

6、条件下 , 电动势为 :e s =(I p m R s /K n sin t(1 如果在稳态时磁通不饱和 , 则二次电流和 电动势与一次电流相位相同 , 且磁通领先电 动势 p i/2弧度 。如果稳态时在磁通达到峰值 前铁心已经饱和 , 此时的磁通将保持在饱和 的水平而不再发生变化 , 磁通不再产生电动 势 , 二次电流将立刻降为零 , 一次电流将用 于维持铁心的饱和状态 , 并将一直维持到励 磁电流降为零 。在一次电流为零时 , 动势将反相 , 时的相同速率下降 , , 饱和磁通为 sat :=(1/N 2 2d t =sat -(I p m R s /N 2K n (1-cos t (2

7、该变化将一直持续到铁心的再次反相达到 饱和 2, 使二次电流再次下降为零 , 并维持 该值到再次过零时 , 从而进行重复 , 这种情 况的一次 、二次电流如图 2所示 , 表明电流 互感器带电阻二次负荷发生饱和的一般影响 是二次电流的每半个波后沿被砍去一部分 。如果每个半波的铁心未饱和的时间为 t 1, 按照上述的过程变化 , 则下一个半波的饱和 也在该时 刻 , 在 上 式 代 入 此 值 可 以 得 到 下 式 :sat =(I p m R s /2N 2K n (1-cos t 1 (3 该公式说明 , 在稳态时 , 如果短路电流达 到额定准确限值电流 4, 则铁心磁通为上式所示 , 铁

8、心此时处于临界饱和状态 , 二次电 流的整个半波能够复现 , 如一次电流再次增 大 , 铁心将处于过饱和状态 。 1. 2当二次负载为纯电感在未饱和时 , 铁心导磁率为无穷大且无损 耗 , 在饱和时二次绕组电流为 :i s =i p /K n =(I p m /K n sin t(4 二次电动势为 :e s =L s d i s /d t p m s /K n cos t(5 :=(s d t(I p m L s /N 2K n sin t +k(6 :d t =(L s /N 2K n(d i p /d t (7由上式可知 :如半波发生饱和 , 则必定在 一次电流峰值前发生 , 在峰值时 ,

9、 若没有发 生饱和 , 磁通的幅值开始下降 。在饱和的过 程中 , 二次电动势为零 , 但感性负载会维持 二次电流为恒定值 (刚饱和的瞬间值 。饱和 发生后 , 一次电流继续增大 , 提供过剩安匝 保持铁心处于饱和状态 , 该状态将一直持续 到电流降到达到饱和时的电流值 , 安匝数重 新为零 。此时铁心退出饱和 , 为提供二次电 动势 , 磁通向离开饱和点的方向运动 。这个 过程在每个半波复现 , 如图 3所示 。1. 3当二次负载为电阻和电感 当未饱和时 :e s =(1/K n i p R s +L s (d i p /d t (8 =(1/N 2 e s d t =(1/N 2K n R

10、 s i p d t +L s i p (9图 3二次侧负载为电感稳态饱和波形 (L =0. 08H 2006年第 3期 3 图 5在 AT P 中搭建的电流互感器模型 图 6非线性元件的励磁曲线刘小宝 , 等 :电流互感器饱和特性分析与仿真 Ls t-T s-Ls t -t 当饱和时 :e s =(1/K n i p R s +L s (d i p /d t =0(10 即 :i s =ke(11对于正弦 、稳态一次电流情况 , 二次电流 应是由上式的指数衰减分量和交流正弦分量 构成 , 其中正弦部分的 :i s =i p /K n =(I p m /K n sin t(12 如一次电流为零

11、后的时间 t 1发生饱和 , 饱和的二次电流为 :i s =i p /K n =(I p m /K n sin t 1(13 这个电流不能突变 , 值为 :i s =(I p m / t 1(14 数 , 铁心维持饱和 e sin t 1=sin (t 1+t 2 , 饱和中止 , 其中 t 2为饱和的持续时间 。 在进入下个半周 , 重复以上的过程 , 一次 、 二次的波形如图 4所示 。1. 4电流互感器稳态仿真分析AT P (选择性暂态程序 是世界上应用最广 的数字式仿真电磁暂态及电力系统机电暂态 的软件 7。根据互感器的原理在 AT P 里进行 建模 , 其中励磁部分采用 98号基本励

12、磁曲线 的静态模型 , 在该模型里面需要输入合适的 励磁曲线 (需要输入实际的励磁曲线 , 该励 磁模型没有考虑磁滞回线的影响 , 建立的模 型如图 5所示 , 在模型里面可以监测一次电 流 、二次电流以及励磁电流 。针对二次侧不同的负载 :电阻负载 、电感负载以及电阻和电感的串连负荷 , 分别搭建 了模型 , 进行了仿真 , 给出了各自的输出饱 和波形 (为了更好的反映饱和特性 , 将二次电 流在 m atlab 里面转换到了一次侧 。励磁曲线 如图 6所示 , 仿真的结果如图 2、 3、 4所示 , 从仿真的结果可知 :仿真结果与理论分析是 相符的 。该模型具有简单 、直观 , 计算速度

13、快的特点 。2暂态饱和特性的研究由于输电线路的阻抗角接近 90, 在电压 瞬时值接近零时发生短路 , 短路电流中将会 出现最大非周期分量 , 将会引起互感器的饱 和 。在电压瞬时值接近峰值时发生短路 , 一 次电流不会出现非周期分量 , 但在二次电流 中仍然会出现非周期分量 。分析暂态饱和过程中二次电流 , 可以分成 两种情况 :(1 饱和磁通小于稳态周期分量 , 一般在 第一个半波开始饱和 。(2 饱和磁通大于周期分量的磁通 , 但由图 4二次侧负载为电感和电阻的稳态饱和波形(R =5, L =0. 08H 2006年第 3期 4图 7二次侧负载为电阻的暂态饱和波形 (R =5 图 8二次侧

14、负载为电感的暂态饱和波形 (L =0. 08H 浙 江 电 力 于非周期分量导致饱和 , 此时 , 一般在短路 后几个周波再开始饱和 。下面对这两情况进 行分析 。2. 1饱和磁通小于稳态周期分量 2. 1. 1二次负荷为电阻情况当铁心饱和磁通小于正确传变电流所需磁 通时 , 通常饱和将在一次电流第一个半波前 饱和 , 在暂态初始铁心未饱和时 , 磁通将产 生二次电流所需的电动势 。饱和时 , 磁通保 持恒定将 不 会 产 生 电 动 势 , 二 次 电 流 将 为 零 , 饱和由一次绕组的安匝维持 , 直到一次 电流的第一个零点励磁安匝才降为零 电流越大 , , , 磁通 , 和到饱和时一致

15、 。磁通变化将供给一次电流 相反极性全过程所需的电动势 。如一次电流的 T 1=L 1/R 1较高时 , 磁通 波形的变化率足够大 , 则饱和不会发生 。磁 通摆至反方向饱和值时尚未满足所需的变化 值 , 此时可能发生某些饱和 , 二次电流的尾 部将会被削去部分 。磁通从一次电流第 2次 的初始极性向上摆动将重新发生饱和 , 从而 削去部分二次电流波形 。这个过程一直持续 至达到稳定状态 , 每个半波被削去相等的数 量 。2. 1. 2二次负荷为电抗的情况如铁心饱和磁通小于正确传变电流所需要 的磁通 , 饱和将在第 1个电流峰值前发生 。 饱和后磁 通 不 再 发 生 变 化 , 不 再 感

16、应 电 动 势 , 由于二次负荷为电抗 , 二次电流保持在 初始饱和时刻的数值 。以后磁通将下降 , 并 产生二次电流正确变化所要的电动势 。与稳 态的情况相似 , 饱和的效果是将二次电流的 顶部削去一部分 。饱和程度越大 , 顶部削去 的部分也越大 。2. 2饱和磁通大于稳态周期分量这种情况一般是由非周期分量引起的 , 电 流互感器一开始不饱和 , 由于非周期分量磁 通不断增长 , 使总的磁通密度达到饱和 , 饱 和后二次电流迅速降低接近为零 。其后的过程与上述过程相似 , 但磁通不会达到反方向 饱和值 , 即负值电流仍能正常输出 。铁心饱 和将引起 T a 降低 , 非周期分量衰减较快 ,

17、 退 出饱和范围后即能正常传变电流 , 磁通及励 磁电流偏向一侧 。2. 3电流互感器暂态仿真分析根据互感器的原理在 AT P 里进行建模 , 其 中励磁部分采用 93号暂态励磁曲线的模型 , , 暂fi , 最常用的 , , 根据以 上的分析 , 对电阻负载和电感负载进行了仿 真 。暂态仿真是根据 500kV 线路动模试验进 行的 , 保证在一次电流里面含有大量的非周 期分量和谐波 , 从而能够较好的模拟暂态的 饱和情况 。仿真的结果如图 7、 8所示 。从仿 真的结果可知 :仿真结果与理论分析是相符 的 。 2006年第 3期 51234 书讯 地址 :杭州市体育场路 538号 邮 编 :

18、310007电话 :0571-8511909585118853系统电话 :955122552955122642传 真 85117939195. 0098. 0038. 0035. 0022. 00118. 0040. 0045. 0045. 0088. 0022. 0088. 0025. 0015. 0050. 00120. 00100. 00100. 00100. 00140. 00100. 00刘小宝 , 等 :电流互感器饱和特性分析与仿真 电力建设施工 、验收及质量验评标准汇编 (上册 电力建设施工 、验收及质量验评标准汇编 (下册 2006年全国注册电气

19、工程师执业资格考试考前冲刺习题集 (公共基础 、专业基础 2006年注册电气工程师考试习题集 (供配电专业 2006年注册电气工程师考试辅导教材及复习题解(专业基础理论部分 供配电专业技能部分 注册电气工程师辅导教材及复习题解注册电气工程师 (供配电 /注册公用设备工程师(暖通空调 执业资格考试辅导教材注册电气工程师 (供配电 执业资格考试辅导教材(专业基础部分 注册电气工程师 (供配电 执业资格考试强制性标准摘编 注册电气工程师 (供配电专业 模拟考试题集 注册电气工程师考试辅导教材及复习题解(专业基础理论部分 注册电气工程师执业资格考试必备标准规范汇编注册电气工程师执业资格考试习题与解答 公共基础部分注册电气工程师执业资格考试专业习题与解答 专业基础部分注册电气工程师执业资格考试专业考试复习指导书第 1册 综合部分注册电气工程师执业资格考试专业考试复习指导书第 2册 发输变电专业注册电气工程师执业资格考试专业考试复习指导书第 3册 供配电专业注册电气工程师执业资格专业考试习题集(发输变电专业 注册电气工程师执业资格专业考试习题集(供配电专业 注册电气工程师执业资格专业考试相关标准汇编(发输变电专业 注册电气工程师执业资格专业考试相关标准汇编(供配电专业 3结束