第十一卷 第一期 安徽电气工程职业技术学院学报 2006年3月
V o. l 11, No . 1 J O URNAL OF AN HU I ELECTRICAL ENG I NEERI NG PROFE SS I ONAL TECHN I Q UE COLLEGE M arch 2006
继电保护用电流互感器的饱和问题
徐方林, 沈从树*
(安徽送变电工程公司, 安徽 合肥 230022)
[摘 要] 电力系统继电保护装置用的电流互感器特性之好坏是保护可靠运行的重要条件, 特别是电
流互感器在大电流或强励磁情况下所出现的饱和现象, 严重地影响着保护装置运行的可靠
性, 本文介绍了保护用电流互感器饱和的相关概念, 并就其对继电保护的影响做简单的分
析。
[关键词] 继电保护; 电流互感器; 饱和
[中图分类号] T M 774 [文献标识码] B [文章编号]1672-9706(2006) 01-0056-02
一、引言
对于电流互感器的饱和现象, 一般是用电流互感器的励磁特性试验来反映, 即检验互感器铁芯的磁化情况。在试验过程中当电流增大而电压变化不大时, 说明铁芯已饱和。在系统实际运行过程中, 电流互感器出现饱和现象, 会导致互感器的二次电流误差增大, 饱和程度越大, 误差也越大, 从而对保护装置的影响也就越大。
二、饱和的相关概念
(一) 电流互感器的稳态饱和
1. 保护用电流互感器的误差
保护用电流互感器根据其工作特性规定了两个指标, 短路电流倍数(N ) 和误差范围I 0/I2。电流互感器的误差来源于变流器的励磁电流, 励磁电流可由下式计算:
I 0=H l /2
式中H 为磁化力, 安匝/厘米; l 为铁芯磁路长度, 单位厘米; W 2为二次绕组匝数。而且H 与铁芯磁通密度成比例, H =f(B)
-8B =I 2(R 2+R b ) /4. 44W f 2S *10
式中f 为频率; S 为铁芯截面。
2. 为了提高电流互感器精度的措施, 从上述公式看可采取如下方法:(1) 用导磁系数好的定向硅钢带。(2) 用无接缝的环形铁芯。(3) 缩短磁路长度。(4) 增大铁芯面积以降低铁芯磁通密度。(5) 增加二次绕组的匝数。
3. 为了保证继电保护的正确工作, 按电流互感器实际负载校核电流互感器的允许短路电流倍数(例如过电流速断保护的整定值):n=(R 2+Z b ) N /(R 2+Z x ) 。式中:Z b 为变流器额定二次负载; Z x 为实际二次负载。
(二) 电流互感器的暂态反应
从目前国内使用的电流互感器情况来看, 随着大电机、高电压电网甚至特高压电网的出现, 对于互感器的励磁特性要求也越来越严格, 国内厂家均对电流互感器的暂态响应特性进行了研究。像我国500KV 电网中使用的具有小气隙铁芯的电流互感器就是按照这项研究成果设计的。
1. 铁芯中的暂态磁通
根据电流互感器的等值电路图, 设L 0为励磁感抗, 而R=R 2+R b 为二次绕组和负载的电阻, L 为负载的电感分量。当一次绕组流过i 1时, 二次绕组感应的电压为:u 2=R i 2+Ld i 2/d;t *收稿日期:2006-02-13
徐方林, 沈从树:继电保护用电流互感器的饱和问题
t t 磁通与感应电压的关系为: = 0u 2dt= 0R i 2dt+Li 2+ 0; 式中: 0是铁芯的剩磁。
直流偏移电流一般会使铁芯中的磁通增长到相当于传变工频电流的许多倍。一个完全偏移的电流加在带电阻性负载的电流互感器上时会发生铁芯磁通的增长现象, 其中 s 代表传变工频分量需要的磁通量, t 代表传变直流分量需要的磁通分量。磁通暂态分量的变化是一次系统时间常数T 1和电流互感器二次回路时间常数T 2的函数, 可以下式表示:
K t =( t + s ) / s =W 2T 2T 1[(e -1/T2-e -1/T1) +1]/(T2-T 1)
故障发生后t 时间内, 铁芯尚未饱和, 故有T 2>>T 1, 这里T 2=E e /(I e R e ), E e 、I e 分别是磁化曲线饱和前对应点的电压和励磁电流。常规的闭环式电流互感器, 不计负载电感L b 时可达2s 或以上。因此上式可简化为:一组不同T 1下的k t 和t 关系曲线, 也称饱和时间曲线。
2. 电流互感器饱和时间的估算
给定的电流互感器, 短路电流倍数和二次负载电阻为已知时, 饱和系数kt 可以从下式求得:
K t =E X W /I 1R b
式中E X 是铁芯磁化曲线上读出的饱和电压。
根据上式计算所得的K t , 从饱和时间曲线上可以读出响应的饱和时间, 如果K t 值的水平线高于曲线, 电流互感器为不饱和。
故障开始时电流互感器能够正确传变偏移电流, 达到饱和时间以后电流互感器传变失真, 继电保护即不能正确工作(拒动或误动) 。
三、剩磁的影响
饱和时间曲线是假设电流互感器没有初期剩磁的情况。但在超高压电网中由于故障快速切除直流分量衰减慢, 一次电流断开时电流互感器铁芯中的直流分量不可能全部衰减。如有剩磁, 铁芯在正常负荷下, 长期处于减极性的磁通密度中。电力系统再次故障时, 如果出现同极性磁化现象, 则铁芯饱和的时间将大大加速。
因此, 对于像母线、变压器的差动保护, 通过各种类型的外部故障电流后, 当电力系统再一次发生故障以后由于各个元件的铁芯剩磁的多少不一致, 即使各个元件采用同一类型的电流互感器, 也会导致各电流互感器的饱和程度不相同。
带有气隙的互感器可以解决磁通的残留问题, 对于线路上装有重合闸的情况更有必要。对于采用快速重合闸的线路, 即使铁芯带有气隙, 断路器中断瞬间的磁通量仍不能立即衰减到最小剩磁值。断路器失灵保护中的有流判别继电器一般不能接入铁芯带气隙的电流互感器而必须备用专用的无间隙铁芯的二次绕组。
对于大间隙电流互感器, 母线上具有多分支元件的母线差动保护要考虑内部故障时电流互感器励磁回路的分流作用; 零序电流保护在线路接地故障时要考虑非故障相电流互感器励磁回路的分流作用。因为励磁回路的分流将影响这些保护的灵敏度。
四、结束语
结合目前系统中运行保护装置的情况, 可以看出电流互感器的饱和效应已越来越引起各个保护厂家的重视, 像NARY 继保公司的RCS-915AB 型母线保护, 就通过软件的形式来克服互感器饱和所造成的不平衡电流增大引起保护的误动作现象。在保护装置功能改进的同时, 各互感器厂家也在研究饱和现象, 从互感器本身入手, 来提高产品的抗饱和能力, 并取得了一定的成绩。此外, 通过电网运行方式的控制, 如电网分列运行有利于降低系统短路电流, 减轻饱和程度; 从设备选型方面考虑, 放大电流互感器变比, 增大二次绕组的匝数等。
笔者认为, 互感器的饱和现象应从其引起的原因分析, 并结合电网的特点综合治理, 减少互感器饱和现象的发生几率, 提高整个系统运行的可靠性。
[责任编辑:小 吴]
第十一卷 第一期 安徽电气工程职业技术学院学报 2006年3月
V o. l 11, No . 1 J O URNAL OF AN HU I ELECTRICAL ENG I NEERI NG PROFE SS I ONAL TECHN I Q UE COLLEGE M arch 2006
继电保护用电流互感器的饱和问题
徐方林, 沈从树*
(安徽送变电工程公司, 安徽 合肥 230022)
[摘 要] 电力系统继电保护装置用的电流互感器特性之好坏是保护可靠运行的重要条件, 特别是电
流互感器在大电流或强励磁情况下所出现的饱和现象, 严重地影响着保护装置运行的可靠
性, 本文介绍了保护用电流互感器饱和的相关概念, 并就其对继电保护的影响做简单的分
析。
[关键词] 继电保护; 电流互感器; 饱和
[中图分类号] T M 774 [文献标识码] B [文章编号]1672-9706(2006) 01-0056-02
一、引言
对于电流互感器的饱和现象, 一般是用电流互感器的励磁特性试验来反映, 即检验互感器铁芯的磁化情况。在试验过程中当电流增大而电压变化不大时, 说明铁芯已饱和。在系统实际运行过程中, 电流互感器出现饱和现象, 会导致互感器的二次电流误差增大, 饱和程度越大, 误差也越大, 从而对保护装置的影响也就越大。
二、饱和的相关概念
(一) 电流互感器的稳态饱和
1. 保护用电流互感器的误差
保护用电流互感器根据其工作特性规定了两个指标, 短路电流倍数(N ) 和误差范围I 0/I2。电流互感器的误差来源于变流器的励磁电流, 励磁电流可由下式计算:
I 0=H l /2
式中H 为磁化力, 安匝/厘米; l 为铁芯磁路长度, 单位厘米; W 2为二次绕组匝数。而且H 与铁芯磁通密度成比例, H =f(B)
-8B =I 2(R 2+R b ) /4. 44W f 2S *10
式中f 为频率; S 为铁芯截面。
2. 为了提高电流互感器精度的措施, 从上述公式看可采取如下方法:(1) 用导磁系数好的定向硅钢带。(2) 用无接缝的环形铁芯。(3) 缩短磁路长度。(4) 增大铁芯面积以降低铁芯磁通密度。(5) 增加二次绕组的匝数。
3. 为了保证继电保护的正确工作, 按电流互感器实际负载校核电流互感器的允许短路电流倍数(例如过电流速断保护的整定值):n=(R 2+Z b ) N /(R 2+Z x ) 。式中:Z b 为变流器额定二次负载; Z x 为实际二次负载。
(二) 电流互感器的暂态反应
从目前国内使用的电流互感器情况来看, 随着大电机、高电压电网甚至特高压电网的出现, 对于互感器的励磁特性要求也越来越严格, 国内厂家均对电流互感器的暂态响应特性进行了研究。像我国500KV 电网中使用的具有小气隙铁芯的电流互感器就是按照这项研究成果设计的。
1. 铁芯中的暂态磁通
根据电流互感器的等值电路图, 设L 0为励磁感抗, 而R=R 2+R b 为二次绕组和负载的电阻, L 为负载的电感分量。当一次绕组流过i 1时, 二次绕组感应的电压为:u 2=R i 2+Ld i 2/d;t *收稿日期:2006-02-13
徐方林, 沈从树:继电保护用电流互感器的饱和问题
t t 磁通与感应电压的关系为: = 0u 2dt= 0R i 2dt+Li 2+ 0; 式中: 0是铁芯的剩磁。
直流偏移电流一般会使铁芯中的磁通增长到相当于传变工频电流的许多倍。一个完全偏移的电流加在带电阻性负载的电流互感器上时会发生铁芯磁通的增长现象, 其中 s 代表传变工频分量需要的磁通量, t 代表传变直流分量需要的磁通分量。磁通暂态分量的变化是一次系统时间常数T 1和电流互感器二次回路时间常数T 2的函数, 可以下式表示:
K t =( t + s ) / s =W 2T 2T 1[(e -1/T2-e -1/T1) +1]/(T2-T 1)
故障发生后t 时间内, 铁芯尚未饱和, 故有T 2>>T 1, 这里T 2=E e /(I e R e ), E e 、I e 分别是磁化曲线饱和前对应点的电压和励磁电流。常规的闭环式电流互感器, 不计负载电感L b 时可达2s 或以上。因此上式可简化为:一组不同T 1下的k t 和t 关系曲线, 也称饱和时间曲线。
2. 电流互感器饱和时间的估算
给定的电流互感器, 短路电流倍数和二次负载电阻为已知时, 饱和系数kt 可以从下式求得:
K t =E X W /I 1R b
式中E X 是铁芯磁化曲线上读出的饱和电压。
根据上式计算所得的K t , 从饱和时间曲线上可以读出响应的饱和时间, 如果K t 值的水平线高于曲线, 电流互感器为不饱和。
故障开始时电流互感器能够正确传变偏移电流, 达到饱和时间以后电流互感器传变失真, 继电保护即不能正确工作(拒动或误动) 。
三、剩磁的影响
饱和时间曲线是假设电流互感器没有初期剩磁的情况。但在超高压电网中由于故障快速切除直流分量衰减慢, 一次电流断开时电流互感器铁芯中的直流分量不可能全部衰减。如有剩磁, 铁芯在正常负荷下, 长期处于减极性的磁通密度中。电力系统再次故障时, 如果出现同极性磁化现象, 则铁芯饱和的时间将大大加速。
因此, 对于像母线、变压器的差动保护, 通过各种类型的外部故障电流后, 当电力系统再一次发生故障以后由于各个元件的铁芯剩磁的多少不一致, 即使各个元件采用同一类型的电流互感器, 也会导致各电流互感器的饱和程度不相同。
带有气隙的互感器可以解决磁通的残留问题, 对于线路上装有重合闸的情况更有必要。对于采用快速重合闸的线路, 即使铁芯带有气隙, 断路器中断瞬间的磁通量仍不能立即衰减到最小剩磁值。断路器失灵保护中的有流判别继电器一般不能接入铁芯带气隙的电流互感器而必须备用专用的无间隙铁芯的二次绕组。
对于大间隙电流互感器, 母线上具有多分支元件的母线差动保护要考虑内部故障时电流互感器励磁回路的分流作用; 零序电流保护在线路接地故障时要考虑非故障相电流互感器励磁回路的分流作用。因为励磁回路的分流将影响这些保护的灵敏度。
四、结束语
结合目前系统中运行保护装置的情况, 可以看出电流互感器的饱和效应已越来越引起各个保护厂家的重视, 像NARY 继保公司的RCS-915AB 型母线保护, 就通过软件的形式来克服互感器饱和所造成的不平衡电流增大引起保护的误动作现象。在保护装置功能改进的同时, 各互感器厂家也在研究饱和现象, 从互感器本身入手, 来提高产品的抗饱和能力, 并取得了一定的成绩。此外, 通过电网运行方式的控制, 如电网分列运行有利于降低系统短路电流, 减轻饱和程度; 从设备选型方面考虑, 放大电流互感器变比, 增大二次绕组的匝数等。
笔者认为, 互感器的饱和现象应从其引起的原因分析, 并结合电网的特点综合治理, 减少互感器饱和现象的发生几率, 提高整个系统运行的可靠性。
[责任编辑:小 吴]