电流互感器饱和

1、抗电流互感器饱和电流继电器的研究与应用摘要：提出了新的电流互感器饱和判据一一间断角饱和判别法，介绍了根据此原 理研制的JLK抗饱儿电流继电器原理及实际应用，并说明该产品的应用前景。 关键词：电流互感器；间断角；JLK抗饱和电流继电器电流互感器(TA)广泛应用于电力系统，供测量及保护装置采样用。测量、 保护系统根据TA二次值换算成一次侧电流值。TA工作于非饱和区时，比值误差 小于10%。当TA 一次电流大于额定值数十倍时，铁芯饱和，输出波形畸变，有 效值减小，误差增大，电流继电器触点抖动。TA深度饱和时无输出，电流继电 器不动作，会造成拒动或越级跳事故。1、抗TA饱和方案目前国内外研究或应用的抗

2、TA饱和方案：波形判据法：以电流量为判别量，采用瞬时值算法，对饱和电流进行波 形相位比较，判别区内、区外故障。局部测算法：利用过零点后23ms真实传变区采点计算，推算电流有 效值。基于采样值的TA饱和同步识别法与电流比相法，在TA饱和时闭锁差动 保护出口躲过故障非周期分量，避免母差保护误动。国外有采用中阻抗原理或“饱和发生器”抗TA饱和，避免装置在TA饱 和时误动，如abb公司及瑞典ASEA公司部分保护装置。其他方案：利用速饱和变换器延时将电流送人差动回路以躲开故障电流 的暂态过程来实现抗TA饱和目的；利用饱和时有较大谐波量作为TA饱和检测 判别等。上述方案各有侧重，主要针对非周期暂态分量进行

3、判别，适用于微机型母线 差动保护，大多应用于高压、超高压输电线路中，一般中低压输电系统中采用电 流继电器作为继电保护装置的启动元件，电流继电器在TA饱和时触点抖动或拒 动，由电流继电器启动的时间继电器便处于启动-返回-启动-返回，保护无 法出口跳闸，导致越级跳闸事故。目前电力系统主要从两方面着手解决中低压输电系统TA饱和问题：一是更换 TA,增大变比或采用有气隙TA：二是提高TA带载能力，同时降低TA二次负载， 避免TA饱和。上述方案有明显的不利之处；换TA以增大变比或采用有气隙TA,不但投资 大，工作量大，停电时间长，社会效益和经济效益不佳，而且测量表计需配套更 换，保护定值精度受影响(大变

4、比TA和有气隙TA正常输出值较小)。降低TA负 担.只能提高饱和电流值，抗饱和能力有限，因此，研制抗TA饱和电流继电器， 应是理想解决方案。2 JLK抗饱和电流继电器设计和组成若能开发出抗饱和电流继电器，那么，只需简单地更换电流继电器，无需更 换TA即可解决TA饱和问题。这样既可节约资金，减少工作量，又不会降低保 护测量精度，无需更换测量表计系统，更重要的是可大大减小停电时间，具有很 好的经济效益与社会效益，这是最受用户欢迎的技术方案。2. 1电流互砬器特性分析等效电路见图1。励邮抗扣励磁阻抗职=必M正常时，励磁阻抗很大，IU近似为零；铁心饱和时，U2减小，ZU减小， IU增大，误差增加；铁心

5、深度饱和时，全部流人励磁回路，TA无输出。TA饱 和时，一、二次电流的波形如图2。-一极障电潇桂形鼬正苗淀-一极障电潇桂形鼬正苗淀囹3锢御后的一，二次电葩披帝TA饱和后，二次电流波形有如下特征：饱和电流含大量高次谐波，波形畸变，输出有效值减小；二次阻抗越大，TA负荷越大，TA越容易饱和；饱和时，TA输出几乎为零(图2中BC、EF段)，可视作问断点。深度 饱和时，过零点前移，间断角增大(从36。左右增至126。)；(4)每次过零点时，TA退出饱和，过零点后23ms内仍有一段真实传变区 (图2中SA、CD段)。TA饱和波形图中的SA、CD段表明TA未饱和，输出为正弦波，随着一次电 流的增大，磁密增

6、加，导磁系数减小，励磁阻抗减小，励磁电流增加，铁心趋于 饱和；当电流进一步增加时，磁通密度达到饱和值，导磁系数极小，励磁阻抗接 近零，一次电流全部流人励磁回路，TA无输出(图2中的AB、DE段)。BC、 EF段表明；当一次电流由最大值逐渐变小，但还没有改变方向，仍维持铁心饱 和所需励磁电流，TA仍处于饱和状态。直到励磁电流改变方向，铁心才退出饱 和，TA二次电流又可真实传变一次电流，如图2中CD、FG段，直到下一次饱 和。2. 2间断角饱和识别法是通过TA饱和波形的测试与特征分析，提出的一种新的TA饱和鉴别方法。当检测出渡形存在间断角时(输出几乎为零的BC、EF段)即认为TA饱和判 据成立。基

7、于此原理，我研制成功的JLK抗饱和电流继电器具有如F功能：正 常时，TA输出正弦波电流，此时，抗饱和电流继电器与常规电流继电器特性一 致，当激励量大于整定值时动作出口，动作依据：TA二次电流有效值。定值精 度：整定误差小于3，饱和时，TA输出畸变饱和波形，此时抗饱和电流继电器 能正确识别出TA饱和并出口动作。动作判据：TA饱和间断角特征判据。定值精度：不要求，因为饱和时TA 一 次电流超过额定值几十至几百倍，远远大于动作定值。2. 3 JL-K抗饱和电流继电器电路组成以现有JI电流继电器为基础，另增设TA饱和判别回路，两者分别完成TA不 饱和与饱和时故障判别并通过逻辑或驱动出口。TA饱和判别回

8、路包括：鏊幅闭锁电路：当电流幅值较小，不会导致TA饱和时，将TA饱和判 别回路退出，电流大于阈值时才投入。饱和特征甄别电路：用于甄别过零点与问断角，输出真实饱和判据。脉冲展延电路：确认饱和判据，防止脉冲干扰误判，EMI抗干扰电路：截止并吸收窄尖峰干扰脉冲，对传导干扰有很强的抑 制作用。上电、断电暂态过程押制电路：在电源升降的暂态过程中，给台逻辑电 路逻辑关系不确定。该电路可使组台逻辑电路避开暂态过程，确保逻辑关系正确可靠。TA饱和判别回路对饱和波形问断角进行检测，当检测出饱儿波形存在36。 126。问断角时(相应于TA饱和值约几十200倍额定电流)，即认为饱和判据 成立，立即驱动出口。从JLK

9、抗饱和电流继电器原理可看出：饱和程度越深， 饱和特征越明显，动作越可靠，其抗饱和能力没有上限。为便于用户使用，JLK 抗饱和电流继电器的外部安装足寸及引脚定义与原有DL系列、JL系列电流继电 器相同，可直接代换。3 JLK抗饱和电流继电器的动模试验与应用根据本设计方案研制的样机，经浙江省电力试验研究所测试，各指标达到设 计要求：正常时，抗饱和电流继电器与常规电流继电器特性一致，整定误差小于 3 ;中度饱和且有效值小于整定值时。抗饱相流继电器能正确识别出TA饱和， 出口准确动作。深度饱和时。有效值小于整定值。抗饱和电流维电器出口正确动作。抗饱和性能稳定可靠。并通过了 4 kV快速瞬 变干扰试验。

10、共模差摸干扰试验及辐射电磁场干扰试验。在金华电业局应用现场进行的抗饱和动模对比试验中，利用录渡仅记录观察。 JI K型坑饱和电流继电器在TA中度、深度饱和时始终动作正确。而对照组 DI,电流继电器在十几倍额定值时即已不能正确动作。经过省中试所型式试验和 用户现场试验。证明JL-K抗饱和电流继电器抗饱和性能稳定可靠，现已威功地 批量应用于金华电业局、萧山电业局等单位。相比于更换TA,换JLK型抗饱和电流继电器无疑更省时省工省力，并节约 投资。以一个地区级供电局为例。若以更换TA500只计，连同测量表计配套改 造.投资约200万。这尚且不饱施工投入及停电造成的损失，若仅更换抗饱和 电流继电器.所需

11、资金不足50万。节约资金3/4。且轻松便捷.同时也实现了 电流继电器的升级换代，极受用户欢迎，随着电冈规模及容量的不断扩大，过去 不易发生的TA饱和问题日渐增多TA饱和的危害性及解决该问题的迫切性日益 凸显。抗饱和电流继电器的研制成功。提供了一个解决TA饱和问题最为简便、 经济、有效的手段。在全省、全国的推广应用将产生更为可观的经济效益与积极 的社会效益。电流互感器饱和引起的保护误动分析及试验方法近年来，广东省内多个发电厂出现过高压厂用变压器或起动-备用变压器在 区外故障时或厂用大容量电动机起动时差动保护误动作的情况。究其原因，除个 别是因为整定值的问题外，大多数是因电流互感器特性不理想甚至饱

12、和而导致的。众所周知，设计规程中对电流互感器的选型有严格的规定，要求保护用 的电流互感器在通过15倍甚至是20倍额定电流的情况下，误差不超过5%或 10%，即不出现饱和。而上面提及的出现差动保护误动的情况，无一例外地都选 用了保护级的电流互感器。经过对几个电厂的大容量电动机起动电流的核算，最 大容量的电动机起动时电流大概是变压器额定电流的35倍，远达不到电流互 感器额定电流的15倍。那为什么差动保护还会因为电流互感器饱和而误动呢？ 下面就电流互感器的工作原理、工作特性对保护的影响及其检验方法进行探 讨。1电流互感器工作原理简述电流互感器的工作原理与变压器基本相同，因此可以使用变压器的等值电路

13、分析电流互感器。电流互感器的等值电路如图1所示1。图1中，Z1为电流互 感器原方漏抗，Z2为电流互感器副方漏抗，ZL为电流互感器二次回路的负载阻 抗，其 ！，疽，/ - 次侧的参量。正常运行时，漏抗Z1和Z2很小，负载阻抗ZL也很小，而励磁阻抗Zm因为电 流互感器铁心磁通不饱和而很大。因此，可忽略励磁电流Im。根据磁势平衡原 理，原、副方电流成固定的比例关系为其中N1和N2分别为原、 副方绕组匝数。当铁心磁通密度增大至饱和时，励磁阻抗Zm会随着饱和的程度而大幅下 降。此时Im已不可忽略，即I1与I2不再是线性的比例关系。电流互感器饱和的原因有两种2:一是一次电流过大引起铁心磁通密度过 大；二是

14、二次负载（即ZL）过大，在同样的一次电流下，要求二次侧的感应电 动势增大，也即要求铁心中的磁通密度增大，铁心因此而饱和。原、副方绕组感 应电动势有效值与磁通的关系为E =4, 44/Niu-Ei - 4, 44/Ni.AT j为屯源额率函为主秘通幅值副方但藏 与饶如感应电动苗的关系为2确定电流互感器饱和点的方法要研究电流互感器的工作特性，确认其在保护外部故障通过大电流时是否会 饱和而影响保护动作的正确性，可通过一些试验方法进行检测。显然，最直接的试验方法就是二次侧带实际负载，从一次侧通入电流，观察 二次电流找出电流互感器的饱和点。但是，对于保护级的电流互感器，其饱和点 可能超过1520倍额定电

15、流，当电流互感器变比较大时，在现场进行该项试验 会有困难。除此之外，还可通过伏安特性试验测出电流互感器的饱和点。如前所述，电 流互感器饱和是由于铁心磁通密度过大造成的，而铁心的磁通密度又可通过电流 互感器的感应电动势反映出来。因此由伏安特性曲线上的饱和电压值，通过式3 可以计算出电流互感器的饱和电流。伏安特性的试验方法为：原方开路， 从副方通入电流，测量副方绕组上的电压降。由于电流互感器的原方开路，没有 原方电流的去磁作用，在不大的电流作用下，铁心很容易就会饱和。因此，伏安 特性试验并不需要加很大的电流，在现场较容易实现。3试验以一次电流互感器的试验为例，说明通过伏安特性试验确定电流互感器饱和

16、点的 方法。试验的电流互感器的额定变比为300 A /5 A,二次额定负载为0.2Q。3.1 电流互感器变比试验1用电阻约为0.2Q的导线短接电流互感器副方绕组，从原方通入电流并逐渐 加大直至副方电流明显呈饱和状态。试验中除测量原、副方电流外，同时测量副 方绕组的端口电压。试验接线如图2,其中的电压表为高内阻表。试验数据见表 1 ,图3是根据表1数据所描的曲线。表1变比试验敬据次电策A一次电流A_次电 V计克负裁5. L1.4320. 2K1，11.71(1 283(J7. E2. LIM2S4W. 2. 271. 2K25-itl牛112.52心M性HIJi2.捋l商Mil3P1 (0.2M

17、J3册i 卜 2M4Hit12.73扫i).13. 13. K70. 289L?lKS134. I lhU. 29214. 44. IU. M14.94-JjH.现15. 34. WII. 3i-l16(1-1 Mo.iinQ.Q E 111从试验数据可知，当一次电流达到800 A (2.67In)时，电流互感器开始饱 和，此时副方的端口电压为3.7 V。囹3主愤娈比/线3.2电流互感器伏安特性试验电流互感器原方开路，从副方绕组通入电流，测量副方绕组上的电压降。试 验数据见表2,图是根据表2数据所描的曲线。4in. M图日4in. M图日伏安特旌曲线从图可知，饱和电动势Esat约为V。亦即该电流互感器在带约0