電流互感器大電流飽和測試技術探究范文

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《電網與清潔能源雜志》2016年第7期

摘要：

電流互感器是電力系統中重要的采樣裝置，其飽和特性直接影響電網的安全穩定。本文通過小電流測試，推導CT的臨界飽和電流；并根據運行CT的工況條件，設計穩態、暫態大電流測試；暫態測試中，通過疊加衰減直流分量和設計重合閘的過程，模擬CT在極限峰值電流和極限剩磁水平條件下的暫態傳變特性。以某區域電網為例，設計的電流互感器串聯測試系統提高了測試效率，所得結論將為CT飽和特性評估和差動保護動作分析提供有力支撐。

關鍵詞：

電流互感器；飽和測試方案；臨界飽和電流；穩態測試；暫態測試

電流互感器是電力系統中傳變電流信號的重要元件，其可靠工作對電力系統的安全、穩定至關重要[1]。目前，電網中運行的電流互感器大多安裝于10年前，當時系統容量較小，短路電流水平相對也較低；同時，電磁式繼電保護的保護動作時間較長。因此，保護用CT的穩態響應受到重點關注，作為衡量其一、二次傳變特性的重要指標。近年來，隨著電網規模增加，系統短路電流水平不斷攀升，經核算，某地的110kV系統短路電流水平已達40kA，330kV系統也達到48kA。同時，微機保護的應用幾乎覆蓋全網，其動作速度加快，在一次系統故障后1~1.5個周波完成故障判斷并動作，因此，CT的暫態響應特性事實上對保護的動作性能起決定作用[2-4]。當系統經歷暫態故障，一次側的大短路電流使互感器勵磁飽和，二次電流就不能與一次電流滿足線性關系，由于二次波形畸變產生的誤差極有可能影響繼電保護裝置不正確動作[5-6]。

1本文擬開展的工作

目前，國內外對電流互感器飽和特性的研究，關鍵在于電流互感器鐵磁回路曲線的繪制，常用的方法為數值分析法和現場試驗法，但研究成果大多停留在穩態狀況下，主要存在以下問題：

1）數值分析法能夠繪制電流互感器的普通磁滯回線，并通過人工神經網絡對局部（暫態）磁滯回路曲線進行擬合，但該方法目前仍不成熟，不能建立更為精確的電流互感器暫態模型[7-8]。

2）現場試驗方法可對電流互感器的測量誤差進行檢測，間接地分析電流互感器的飽和特性，但其常用的10%誤差特性曲線法的試驗電流遠小于一次側發生短路時的電流，因此該方法不能分析電流互感器的暫態傳變特性。

3）對CT在實際大電流，特別是含暫態非周期分量大電流的傳變特性研究較少。繼電保護的可靠性和故障診斷的準確性受CT的暫態傳變特性影響較大，當一次側出現含較大非周期分量的暫態故障電流時，P級CT將過飽和，其二次波形失真嚴重[9]。

4）對差動保護兩側CT的傳變一致性研究不足。以變壓器差動保護為例，兩側所配CT的變比、準確級、額定容量的不同都會導致其在暫態大電流條件下傳變特性的不一致，造成區外故障誤動作時有發生。除此之外，還存在不同廠家電流互感器的負載大小、工況條件、鐵磁材料的老化差異，對互感器飽和特性的影響程度不盡相同，對互感器傳遍特性的研究也造成了困難。綜上所述，電流互感器一、二次傳變特性，特別是暫態飽和傳變特性，對電力系統的安全、穩定和經濟運行有著重要影響。為更精確、深入研究電流互感器的飽和傳變特性，本文提出按照CT的實際運行工況，設計穩態、暫態測試的通流水平；疊加衰減的非周期分量來模擬短路故障電流；控制重合閘時機獲得最大剩磁；采用實際電纜、保護和故障錄波裝置反映真實的負載狀況；運用數據采集系統、保護和故障錄波裝置對CT一、二次側電流進行多路、同步采樣。

2電流互感器的暫態運行特性

為獲得更為準確的CT飽和傳變特性，需進行穩態、暫態大電流測試，試驗環境需模擬CT的實際運行工況，因此首先分析P級電流互感器的暫態運行特性。對保護用P級電流互感器，著重考慮的是穩態大電流誤差，而其暫態傳變特性較差。本文根據上述對短路電流的數學描述，設計含衰減直流分量的暫態大電流，使第一個周期內出現最大暫態峰值電流。由分析得知，影響電流互感器飽和特性的關鍵因素為負載、剩磁和通流情況。因此，本試驗的總體思路為：

1）通過設置不同大小的二次負載，模擬負載對電流互感器飽和程度的影響。由于現有繼電保護裝置大多采用主后一體化，且雙套保護接入不同的電流互感器繞組，電流互感器所承擔二次負載較輕，一般不到2VA，遠小于電流互感器額定負載。因此，電流互感器的實際飽和倍數較理論值偏高，但是否滿足系統短路電流水平的要求，還需進行通流測試。

2）通過人為模擬磁滯效應，評估剩磁對電流互感器鐵芯飽和的影響程度，同時，采取可行的去磁手段，降低剩磁對大電流通流測試的影響。

3）通過穩態和暫態通流來校核電流互感器一、二次傳變特性。穩態通流代表正常運行時電網較大的負荷電流；暫態通流代表電網發生短路故障，并考慮瞬時故障的重合閘過程。

3P級電流互感器飽和特性測試方案

本文以某區域電網330kV變電站為例，研究線路光差、母線差動、變壓器差動P級CT在大電流下的傳變特性及其對繼電保護裝置動作特性的影響。所采用的測試系統，能夠發生實際工況條件下的穩態短路電流，并可疊加峰值為其80%左右的衰減直流分量，時間常數可調。故障發生的時間間隔，即重合閘的過程可調節。不僅對330kV站內330kV、110kV的P級電流互感器開展大電流飽和測試研究，還對傳統站向智能站改造所安裝的電子式電流互感器開展大電流物理試驗，全面對比分析2種電流互感器的穩態、暫態傳變性能[10]。本試驗對多只電流互感器線圈進行串聯測試，試驗通流一次完成，能模擬差動保護所接多組電流互感器的實際工況；同時，多組電流互感器線圈的試驗數據一次采集完成，提升了試驗效率，電流互感器串聯試驗系統如圖3所示。

3.1被試電流互感器的選擇

對所選定的某區域電網潮流控制斷面處330kV變電站的CT進行調研，并核算該區域的短路電流水平，該區域330kV系統的最大短路電流為48kA，110kV系統最大短路電流為40kA。經篩查，該區域內330kV、10P20和110kV、5P202種CT的飽和倍數普遍超標，存在暫態飽和的風險，可能造成差動保護不正確動作。因此，本文選取上述2種CT作為測試對象，參數見表1。

3.2試驗接線設計

整體試驗的接線設計見圖4，圖中對互感器進行了編號。1~5V•A范圍內的負載，均設計為實際裝置構成的回路用以模擬真實工況，見表2。此外，根據表1中被試CT的額定負荷為30VA，二次側額定電流為1A，確定額定負載阻抗為30Ω。為全面模擬由實際負載到額定負載范圍內CT的飽和特性，特增加由純無感電阻構成的1/4額定負載（7.5Ω）和額定負載（30Ω）。

3.3采集回路設計

圖4中，數據采集裝置能同時采樣CT一、二次側的電流（一次側電流峰值最高達86kA），其回路設計如圖5所示。數據采集裝置運用阻值為0.001Ω的標準電阻分流器，將一次側的大電流信號轉換為電壓信號；二次側采樣負載兩側的電壓值；將CT一、二次側電壓信號轉換為光信號，同步輸入暫態誤差測量裝置進行對比分析。為確保數據采樣裝置在強電磁環境中錄波的準確性和穩定性，CT3、CT4二次側用精度更高的DL850采樣（采樣頻率為3200Hz），采樣光纖長10m，確保與強電磁環境的物理隔離。

3.4保護系統的模擬

根據圖4，得大電流試驗所模擬的保護系統如圖6所示。試驗共采用了4套保護裝置：

1）CSC-103B線路差動保護2套，分別接CT2和CT7，通過光纖通道進行通信，模擬線路縱差；

2）PST-1200變壓器差動保護1套，接CT3#和CT8#，其高\中壓側A相電流通道模擬變壓器差動；

3）BP-2B母線差動保護1套，接CT3#和CT8#。

4大電流穩態、暫態測試

4.1小電流測試

臨界飽和電流的核算在進行大電流測試前，需確定通流取值的范圍，過大將受設備條件的限制，費用較高；過小將使CT未能進入飽和狀態，測試所得數據無意義。本文通過小電流測試，獲得CT的內阻、拐點電壓、伏安特性曲線，進而反推核算出CT的臨界飽和電流。同時，選取額定負載為50VA的CT，與表1第一類CT進行對比，研究負載對CT飽和特性的影響。小電流伏安特性測試的結果見表3。按下式計算CT在不同輸出負載下的臨界飽和電流I=E2N（R1+Z2cos）2+（X1+Z2姨sin）2（3）式中：Z2為二次輸出負載阻抗；cos為輸出負載的功率因數，取0.8；R1為二次回路內電阻，取表中平均內電阻；X1為二次回路內電抗，取表中平均內電抗；E2為平均拐點電壓；N為電流互感器變比。將式（3）繪制曲線，如圖7所示。在該區域電網中，5P20和10P20互感器均接微機保護，負載較輕，因此，1~5V•A負載所對應的試驗結果較能體現實際情況，結論分析如下：

1）1200/1電流互感器的拐點電壓高于600/1電流互感器，其抗飽和能力更強，飽和電流值更高。

2）變比和準確級相同時，提高額定負載容量，可提升電流互感器的拐點電壓與抗飽和能力。

3）1200/1互感器在1~2VA輕載情況下，飽和電流較額定負載（30VA）下提升4.92倍，而600/1互感器提升了7.01倍。因此，輕載能有效提升互感器的飽和倍數，且變比越小，提升效果越好。

4）通過核算，CT在1~5VA負載情況下，一次側臨界飽和電流均大于該區域電網的最大短路容量48kA，所以，在穩態大電流試驗中，電流互感器應不發生飽和。小電流測試均采用變頻升壓的方法，通過獲取CT的單值磁化曲線，建立CT的數學模型，模擬CT在穩態大電流下的傳變特性。綜上，根據小電流試驗的測試結論，確定穩態大電流測試的最大峰值電流為48kA，暫態峰值電流在此基礎上疊加80%的衰減直流分量，重點驗證輕載穩態通流時CT不發生飽和；重點研究CT暫態通流時的特殊傳變規律。由于該方法獲得的磁化曲線為單值曲線，未考慮剩磁的影響；拐點電壓的尋找基于穩態通流，未考慮鐵磁材料在暫態環境下的影響因素。因此，需設計穩態、暫態大電流測試方案，對CT大電流下實際的鐵磁環境予以模擬，該方案應能表征真實的二次回路情況，且通流方式簡便，易于操作。

4.2通流的選擇

根究CT的臨界飽和電流和極限暫態短路電流，設計出大電流試驗分穩態試驗和暫態試驗兩部分，通流大小和通流方式如下。

1）穩態大電流試驗共進行4次，電流有效值為6~48kA，每次通流持續時間為200ms。

2）暫態通流試驗共進行4次，與穩態通流試驗相比，暫態通流試驗有以下特點：1）暫態通流試驗中的工頻分量有效值同樣為6~48kA，但暫態通流試驗中電流疊加直流分量，直流分量為80%穩態分量峰值，衰減時間常數為100ms；2）暫態通流中進行重合閘，通流順序為150ms通流—600ms無電流—150ms通流，用以模擬剩磁對暫態飽和的影響。

4.3大電流測試結果

按照上述步驟實施穩態、暫態測試，并疊加每個互感器回路一、二次側的所有波形，顯示在一張圖中，測試結論如下：

1）所有測試CT在4.4Ω及以下負載，均未發生穩態飽和，穩態誤差為5%~10%。因此，對于本文所構建的4.4Ω及以下負載，10P20、1200/1和5P20、600/1兩種電流互感器適應該區域電網的所有正常運行方式。

2）穩態通流24kA、負載7.7Ω時，9#CT二次側波形發生穩態的飽和畸變，見圖8，并隨負載增加和通流升高，飽和效應更加嚴重。所以，當負載大于7.5Ω（1/4額定負載），穩態通流高于24kA時，該區域電網CT將發生飽和，實際中，若不考慮CT二次回路接觸不牢靠的問題，CT實際負載不會大于7.5Ω，即24kA為該區域電網中CT的極限穩態飽和電流值。

3）暫態通流試驗中，負載僅為1.4Ω，暫態通流為12kA時，3號CT就發生了暫態飽和，見圖9。短路情況下，區域電網很容易達到該門檻值，十分易于進入暫態飽和。若差動保護兩側CT的飽和特性不一致，將會引發保護誤動作。

4）圖9中BP-2B母差保護的錄波數據，較DL850幅值低很多，因此，在保護動作行為分析時，還需考慮保護裝置中小電流變換器與大CT飽和特性的不一致問題。5）48kA暫態測試中，電子式CT二次波形未發生飽和畸變，但電子式CT的采集器受電磁兼容影響，二次錄波會有跳點。

5結論

1）本文在總結目前單一CT飽和特性研究的基礎上，提出對區域電網中不同變比、不同額定飽和倍數、不同負載的CT進行統籌分析，模擬出區域電網的差動保護系統，真實的還原了CT在大電網中的安裝位置及所受極限暫態電流等運行工況。

2）提出依據臨界飽和電流計算，選擇大電流穩態、暫態測試的通流大小。同時，通過模擬非周期分量、重合閘過程中電流互感器的暫態傳變特性，得到了極限剩磁水平條件下，電流互感器的暫態傳變波形。本文所得的穩態測試結論能夠指導該區域電網中CT二次負載的選擇，避免因負荷電流過大造成CT的穩態飽和。

3）本文提出的電流互感器串聯同步測試方法，通過一次通流測試，能夠采集多組CT的測試結果，提升了測試效率，解決了差動保護CT錄波的時間同步問題。

4）本文將CT一、二次側，所接保護、故障錄波的測試數據予以疊加，該方法能對比分析CT本體的傳變特性，以及保護裝置內部變送器的傳變特性，為研究CT飽和的具體發生環節提供思路。

5）進一步，依據本文中CT的大電流實測數據，由B-H曲線方程，反推CT的勵磁曲線，優化CT的磁滯模型，建立基于CT一、二次電流波形和結構參數的CT仿真評估系統，該系統將能夠解決現場測試接線復雜、測試成本較高等問題。

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作者:張小慶 張宜陽 薛建 左寶峰 雷陽 朱大銳 張文超 單位:國網陜西省電力公司電力科學研究院 西安理工大學