电流互感器饱和对电流速断保护的影响

电流互感器饱和对电流速断保护的影响新疆昌吉电业局索涛[摘要] 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；在小电流接地系统中常见lOkV线路故障情况下电流速断保护不能正确动作，主要是电流互感器饱和问题引起，本文进行了相关理论分析,提出了相应的解决办法。

[关键词] 电流互感器的饱和电流速断保护10％误差曲线1 引言随着国民经济的发展和国家对电力系统的大力投人，系统容量迅速增大，系统结构也可能发生变化，在某些回路上将出现大的短路电流，大大地超过设计时CT变比的要求，影响继电保护的动作行为，出现保护拒动，失去选择性，保护越级跳闸，扩大停电范围，更为严重的情况是该保护拒动，而上一级保护长延时动作，在大电流下造成设备损坏及人员伤亡事故。

保护用电流互感器(CT)在特大电流下将严重饱和，二次侧输出电流发生畸变，继电保护装置采集的电流信号不能正确反映实际的短路电流，必然会影响保护的动作行为。

2 电流速断保护的理论电流速断保护是按照最大运行方式下可靠躲过线路末端母线故障的最大短路电流来整定的，以保证相邻下一级出线或变压器故障时，不致越级动作。

由于考虑电流速断保护应校核被保护线路出口短路的灵敏系数，在常见运行大方式下三相短路电流不小于1，因此在整定时没有考虑到配变投入时的励磁涌流对无时限电流速断保护的影响。

亦即励磁涌流的起始值有时远超过无时电流速断保护定值，造成一些变电站的10kV出线在检修后送不出或运行过程中频繁跳闸的情况发生。

励磁涌流是变压器所特有的电磁现象，是时间的多变量函数，仅存在于变压器某一侧，在空投变压器或外部故障排除后电压恢复时，变压器铁芯中的磁通不能突变，出现非周期分量磁通，使变压器铁芯饱和，励磁电流急剧增大而产生的。

变压器励磁涌流最大值可以达到变压器额定电流的6～8倍，并且与变压器的容量大小有关，变压器容量越小，劢磁涌流倍数越大。

励磁涌流存在很大的非周期分量，并以一定的时间常数衰减，衰减的时间常数同样与变压器的容量大小有关，容量越大，时间常数越大,涌流存在时间也越长。

通常10kV 线路上装有大量配电变压器，在线路上投入时，这些配电变压器是挂在线路上，在合闸瞬间，各变压器所产生的励磁涌流在线路上相互迭加，产生了一个复杂的电磁暂态过程，在系统阻抗较小时，会出现较大的涌流，时间常数也较大。

二段式电流保护中的无时限电流速断保护由于要兼顾灵敏度，动作电流值往往取得较小，特别在长线路或系统阻抗大时更明显,励磁涌流值可能会大于装置整定值，使保护误动。

3 电流互感器的l0％ 误差曲线电流互感器的10％误差曲线，是指当变比误差在10％时，一次电流倍数与二次负载的关系曲线。

所谓变比误差是电流互感器的额定电流比减去实测电流比．再除以实测电流比；一次电流倍数是指电流互感器一次电流与其一次额定电流的比值。

由电工基础知道，电流互感器铁芯具有一定限度的导磁能力，当铁芯未饱和时电流互感器的二次电流随着一次电流按线性变化，当电流互感器二次电流增大时，二次电势必然升高，导致铁芯饱和，一次电流中有大部分的电流通过励磁支路，形成励磁电流，而不能传变到二次侧。

即当发生短路故障时，一次电流与二次电流的变化并不是直线关系，如图1-1所示，该曲线就是电流互感器10％误差曲线，它与电流互感器二次负载和一次电流大小有关,利用10％误差曲线，对给定的电流互感器，可计算通过一次侧的短路电流与额定电流之比，找出这个倍数m1，然后从10％误差曲线上找出与m1所对应的二次负载阻抗ZY ，当实测二次负载Z<ZY 时，说明能保证此误差小于10％ ，用于继电保护装置时才能可靠动作，当实测二次负载z>ZY 时，说明变比误差超过10％ ，对继电器的正确动作有明显的影响，因此继电保护在整定时对电流互感器的10％误差曲线是必须考虑的条件，根据电流互感器的10％误差曲线确定二次负载，若二次负载大于允许阻抗时，则该电流互感器将不能使用，必须更换增大变比，确保继电保护装置的可靠动作。

4 饱和的相关概念4.1 电流互感器的稳态饱和4.1.1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I0／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：202/W Hl I式中H 为磁化力，安匝／厘米；l 为铁芯磁路长度，单位厘米；W2为二次绕组匝数。

而且H 与铁芯磁通密度成比例，)(B f H =822210*44.4/)(-+=S fW R R I B B式中f 为频率；s 为铁芯截面。

图1-14.1.2 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。

4.1.3 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)：)/()(22X b Z R N Z R n ++=式中：Zb 为变流器额定二次负载；Zx 为实际二次负载。

4.2 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。

4.2.1 铁芯中的暂态磁通根据电流互感器的等值电路图，设为励磁感抗，而b 2R R R +=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il 时，二次绕组感应的电压为：dt Ldi Ri u /222+=；磁通与感应电压的关系为: 020202Φ++==Φ⎰⎰Li dt Ri dt u t t ；式中:0Φ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δΦ代表传变工频分量需要的磁通量，t Φ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T1，和电流互感器二次回路时间常数T2的函数，可以下式表示：)12/1/1122/(]1)[(/)(12T T e e T T W K T T t t -+-=ΦΦ+Φ=--δδ 故障发生后t 时间内，铁芯尚未饱和，故有T2>>T1,这里)/(2ωe e e R I E T =，Ee Ie 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Lb 时可达2s 或以上。

因此上式可简化为一组不同T1下的kt 和t 关系曲线，也称饱和时间曲线。

4.2.2 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t K 可以从下式求得： b x t R I W E K 1/=式中E 是铁芯磁化曲线上读出的饱和电压。

根据上式计算所得的t K ，从饱和时间曲线上可以读出响应的饱和时间，如果t K 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)。

5 电流互感器饱和对电流速断保护的影响过去农村中的变电站，它们往往远离电源，系统阻抗较大，10kV 线路出口处短路电流一般都较小。

近年来，随着城、农网改造项目的不断实施，随着系统规模的不断扩大，电力系统中10kV 系统的规模也不断扩大，其系统出口短路电流亦随着增大，根据现场的测试情况，最大时可达电流互感器一次额定电流的几十倍，甚至达到几百倍，造成许多小电流接地系统的一些出线在线路故障后，自身保护不动作，而靠母联断路器或主变后备保护来切除故障。

原因就是在线路短路故障时，造成原有的线路变比较小的电流互感器在故障时严重饱和，电流互感器饱和其实就是电流互感器铁芯中磁通饱和，而磁通密度与感应电势成正比，因此，如果电流互感器二次负载阻抗大，在同样电流情况下，二次回路感应电势就大，或在同样的负载阻抗下，二次电流越大，感应电势就越大，这两种情况都会使铁芯中磁通密度大，磁通密度大到一定值时，电流互感器就会饱和。

电流互感器严重饱和时，一次电流全部变成励磁电流，二次侧感应电流很小或接近于零．不能正确反应一次侧故障电流，使保护装置拒动；另一方面，短路故障是一个暂态过程，短路电流中含有大量非周期分量，又进一步加速了电流互感器的饱和。

这样造成故障要由母联断路器或主变后备保护来切除，不但延长了故障时间，使故障范围扩大，影响供电可靠性，而且严重威胁运行设备的安全因此要避免出现运行的电流互感器出现饱和现象。

昌吉电业局2008年进行了110kV南园变电站110kV南新线，110kV南丰线电流互感器更换，具体数据如下：2007年南新、南丰线在最大短路电流的情况下满足电流互感器10%误差曲线的要求，但2008年由于系统最大短路电流可达12938A，这时变比为400/5的CT在最大短路时不能满足误差小于10%，在这种情况下，如果继续运行，当达到最大短路电流时，电流互感器将达到饱和，致使二次电流的采样出现失真，保护不能正确动作，而更换了较大变比的CT后，在准确级为10p30的绕组做保护绕阻，最大一次电流可达18000A，完全满足要求，由所做CT试验数据为依据：1、伏安特性数据2、10%误差校核如下此外，我们在选择互感器绕阻时也要对饱和度进行考虑，倘若将计量绕阻和保护绕阻混用，因为计量用绕阻的饱和度低，致使电流互感器绕阻特性很容易饱和，当线路或系统发生故障时，由于二次感应电流很小，不能正确反应一次故障电流，保护可能拒动。

某35kV 线路的电流互感器，在线路故障时保护拒动，检查发现，保护用绕阻和计量用绕阻变比相同，做通流试验不能对比出差异，做过伏安特性后，才发现绕阻用反了。

经改正后，线路再发生故障，保护正确动作。

避免电流互感器饱和主要从两方面人手，一是在选择电流互感器时，变比不能选得太小，要考虑线路短路时电流互感器饱和问题，一般线路保护电流互感器变比最好选用多抽头变比，根据短路电流大小可以进行调整。

另一方面要尽量减小电流互感器二次负载阻抗，尽量避免保护和计量共用电流互感器，缩短电流互感器二次电缆长度及加大二次电缆截面，这样能有效减少二次回路阻抗，防止电流互感器饱和。

6 结束语继电保护作为电力系统安全运行的卫兵，其可靠性是非常重要的。

而电流互感器作为继电保护的关键元件，其饱和问题带给继电保护的问题必须要可靠解决。

电流速断保护在35kV 及以下电网中的作用也是不容忽视的,尤其是直接输出给用户端的10kV线路,这也是我们企业创优质服务的一个窗口。