电流互感器饱和

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——间断角饱和判别法，介绍了根据此原理研制的JL—K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；JL—K抗饱和电流继电器
电流互感器（TA）广泛应用于电力系统，供测量及保护装臵采样用。

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TA饱和方案：
（1）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。

（2）局部测算法：利用过零点后2～3ms真实传变区采点计算，推算电流有效值。

（3）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。

（4）国外有采用中阻抗原理或“饱和发生器”抗TA 饱和，避免装臵在TA 饱和时误动，如ABB公司及瑞典ASEA公司部分保护装臵。

（5）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臵的启动元件，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 JL—K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。

正常时，励磁阻抗很大，I‘U近似为零；铁心饱和时，U2减小，Z‘U减小，I‘U增大，误差增加；铁心深度饱和时，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。

TA 饱和后，二次电流波形有如下特征：
（1）饱和电流含大量高次谐波，波形畸变，输出有效值减小;
（2）二次阻抗越大，TA 负荷越大，TA 越容易饱和；
（3）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2～3ms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。

基于此原理，我研制成功的JL—K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 饱和判别回路包括：（1）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。

（2）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。

（3）脉冲展延电路：确认饱和判据，防止脉冲干扰误判，
（4）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。

（5）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JL—K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，JL—K 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 JL—K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。

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一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JL—K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3～5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
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
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15～20倍额定电流，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]（1）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0.2Ω。

3.1电流互感器变比试验
用电阻约为0.2Ω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。

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。

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。

从图可知，饱和电动势Esat约为V。

亦即该电流互感器在带约0.3Ω负载时，未计电流互感器内阻Z2，其饱和电流倍数约为4 V/(0.3Ω×5 A)=2.76。

此计算的饱和倍数与电流互感器变比试验的数据是吻合的，伏安特性试验饱和时的端口电压比变比试验的饱和电压略高是因为后者有电流互感器内阻（Z2）分压导致的。

由上述试验可知，通过伏安特性试验找到电流互感器的饱和电势E2后，可由式（1）算出饱和电流，此时ZL为电流互感器二次回路上实际的负载阻抗，Z2可近似看成是电流互感器的内阻。

该内阻数据可由生产厂家提供，也可按变压器短路阻抗的试验方法测得。

显然，对于同样的电流互感器参数，负载阻抗越大。