淺談電流互感器飽和問題與母線保護(hù)處理

劉金莉　李振玲　董麗麗　王玉喜

隨著我國用電規(guī)模和用電需求不斷增加，這不僅使得供電電壓也相對提高，同時也導(dǎo)致供電系統(tǒng)的短路容量和實際常數(shù)隨之大幅度增加。這樣使得電流互感器（TA）飽和問題逐漸成為供電系統(tǒng)的研究熱點之一，而TA飽和容易使得母線保護(hù)出現(xiàn)一定的誤動作，因此加強(qiáng)母線區(qū)外出現(xiàn)故障且TA處于飽和狀態(tài)時母線保護(hù)的誤動作以及對母線保護(hù)性能影響的相關(guān)研究意義重大。

一、電流互感器（TA）的飽和原理分析

TA轉(zhuǎn)換等效電路如圖1所示，通過等效電路可以對TA的工作特性進(jìn)行合理有效分析。其中R1、L1是TA一次繞組的電阻和電抗；R2、L2是TA的二次繞組的電阻和電抗；RL、LL是TA二次回路負(fù)載的電阻和電抗；而Rμ、Lμ是勵磁回路的電阻和電抗。通過電路圖可以得到相應(yīng)的一次、二次電流與勵磁電流的作用聯(lián)系。同時勵磁電流可使得TA傳變出現(xiàn)一定的誤差，勵磁電流數(shù)值主要由TA鐵芯飽和狀態(tài)判定和相應(yīng)的飽和程度導(dǎo)致的，但TA鐵芯是一種非線性元件，這可使得電流互感器產(chǎn)生一定的飽和現(xiàn)象。通常TA鐵芯的飽和特性決定于基本磁化曲線以及磁滯回線共同作用。而基本磁化曲線則是磁性材料在多次磁化作用下，并根據(jù)磁中性狀態(tài)作為出發(fā)點，測量得到磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）與磁場強(qiáng)度（H）之間的關(guān)系，具體如圖2所示。這種關(guān)系相對復(fù)雜，如將其簡化可得到TA鐵芯的簡化磁化曲線，可根據(jù)該曲線對TA在磁化條件下的傳變特性進(jìn)行有效分析。

圖1 TA等效電路圖 圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度關(guān)系曲線

當(dāng)鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度沒有達(dá)到相應(yīng)飽和狀態(tài)前，其磁場強(qiáng)度數(shù)值為零，這種條件下整個鐵芯的磁導(dǎo)率相對較大。而與TA勵磁回路關(guān)聯(lián)性較大的勵磁電感數(shù)值相對較大，其可看作是勵磁回路開路，一次側(cè)電流完全轉(zhuǎn)至二次回路。當(dāng)鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到相應(yīng)飽和狀態(tài)時，磁導(dǎo)率以及TA勵磁電感數(shù)值較小，使得勵磁支路電流出現(xiàn)大幅度增加，進(jìn)而導(dǎo)致二次回路電流產(chǎn)生一定的缺損情況，而此時TA正處于飽和階段。通常一次側(cè)電流沿著TA飽和方向下降至數(shù)值為零或者負(fù)值時，整個TA鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢，直到強(qiáng)度數(shù)值降至飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度以下，此時TA使得一次側(cè)電流傳至二次回路中，進(jìn)而導(dǎo)致其處于不飽和狀態(tài)。實際TA運行過程中，供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)一定的短路故障時，一次側(cè)的故障電流暫態(tài)狀態(tài)具有幅值相對較大的非周期性直流分量，而TA勵磁電流和二次電流也同時產(chǎn)生相應(yīng)幅值較大的非周期分量，這導(dǎo)致鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度可在短時間內(nèi)達(dá)到飽和狀態(tài)，并使得勵磁阻抗相對降低而勵磁電流則大幅度上升，而一次電流主要轉(zhuǎn)換為勵磁電流，這使得二次電流出現(xiàn)大幅度的下降，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的缺損情況。因此根據(jù)周期分量和非周期分量相互作用對TA的飽和狀態(tài)的嚴(yán)重影響，可將TA的飽和狀態(tài)大致歸納為以下兩種類型。一種是穩(wěn)態(tài)飽和，其基本去除非周期分量對故障暫態(tài)過程的一次側(cè)電流的影響，主要對一次電流周期性分量的幅值大小和改變TA二次負(fù)載對其二次電流的影響作為主要考慮因素。另一種是暫態(tài)飽和，其主要基于TA飽和程度與故障暫態(tài)過程中非周期性衰減直流分量的相互作用關(guān)系，同時需要分析分析TA二次電流的主要特點。這是由于TA鐵芯線圈傳變直流分量的能力相對較弱，使得直流分量完全進(jìn)入勵磁支路成為勵磁電流，這樣容易導(dǎo)致TA出現(xiàn)快速飽和情況，甚至可以進(jìn)行到深度飽和狀態(tài)。

二、TA飽和對母線保護(hù)的影響

母線保護(hù)主要建立在電流差動保護(hù)的基礎(chǔ)上，而這種保護(hù)動作主要依據(jù)基爾霍夫定律，其具體以母線作為主要的有效節(jié)點，而當(dāng)母線處于正常運行狀態(tài)或者區(qū)外故障時進(jìn)入到母線的整個電流總和數(shù)值為零。但當(dāng)母線出現(xiàn)故障時進(jìn)入母線的相應(yīng)電流總和可作為總體短路電流大小。這種原理使用的重要基礎(chǔ)是母線相應(yīng)支路的TA均可對一次電流進(jìn)行精準(zhǔn)有效傳送。這種TA飽和狀態(tài)主要由母線差動保護(hù)導(dǎo)致的，其主要作用為大幅度增加母線差動保護(hù)出現(xiàn)誤動作的概率。因此考慮和使用一些有效措施避免TA飽和導(dǎo)致母線差動保護(hù)出現(xiàn)誤動作，這是母線差動保護(hù)可進(jìn)行快速精準(zhǔn)動作的前提條件，通?？梢栽谀妇€區(qū)外故障TA飽和時以及故障由區(qū)外向區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)化過程中，安全、精準(zhǔn)和有效的進(jìn)行閉鎖差動保護(hù)。

三、針對TA飽和以及母線保護(hù)的處理措施

3.1中阻抗母線差動保護(hù)處理措施

這種保護(hù)處理措施主要基于TA飽和時勵磁阻抗大幅度下降的基礎(chǔ)上，其可避免差動保護(hù)引起的誤動作問題。通常對于數(shù)百歐的保護(hù)裝置而言，其自身的差動回路電流繼電器的阻抗可以對TA飽和以及相應(yīng)不平衡電流有良好的分流作用，并減少流入差動回路的電流量，同時這種差動保護(hù)具有良好的制動作用，其可避免外部故障導(dǎo)致TA飽和時進(jìn)行相應(yīng)的誤動作保護(hù)。當(dāng)產(chǎn)生內(nèi)部故障TA飽和時，通常需要未達(dá)到飽和便根據(jù)差動保護(hù)的快速性完成跳閘動作，只有做到上述工作才能避免拒動情況。

3.2數(shù)字式保護(hù)抗TA飽和的措施

當(dāng)前這種差動保護(hù)大多用于低阻抗母線差動保護(hù)，而這種保護(hù)動作精準(zhǔn)性主要考察因素是TA飽和問題。而采用這種母線差動保護(hù)動作以及抗TA飽和的相關(guān)措施主要可依據(jù)6種原理。

3.2.1比率制動特性

通常TA飽和相對較輕微時，可基于比率制動特性進(jìn)行有效限制母線差動保護(hù)的誤動作行為，而TA飽和處于較為嚴(yán)重程度時，采用這種特性卻不能成功限制相關(guān)的保護(hù)誤動作行為，這時需要使用其他的專業(yè)抗TA飽和的有效措施。

3.2.2TA線性區(qū)

通常TA達(dá)到飽和時，每個周波包括一次電流過零點附近的不飽和段，而TA線性區(qū)母線差動保護(hù)方法是依據(jù)這種特性而形成的。該種方式可以有效避免TA飽和區(qū)，并使得差動保護(hù)在每個TA周波脫離飽和的線性區(qū)范圍內(nèi)，這些可以精準(zhǔn)判斷出現(xiàn)母線故障的實際情況。而在實際運行過程中，為了保證整個運行過程母線差動保護(hù)不出現(xiàn)嚴(yán)重的誤動作行為，需要對單一波周內(nèi)TA飽和和退出飽和的時間進(jìn)行精確檢測和控制。特別需要重視的是TA的線性轉(zhuǎn)變區(qū)的范圍以及辨別問題，這是該方法的關(guān)鍵使用基礎(chǔ)條件之一。因此對于TA飽和時電流波形相對復(fù)雜的情況，不僅需要對TA飽和以及退出飽和的時間進(jìn)行精準(zhǔn)掌握，同時也要考慮TA的線性轉(zhuǎn)變范圍的辨別和判定。

3.2.3同步識別法

如果母線區(qū)外產(chǎn)生一定的故障問題，通常這種故障不和TA故障初始瞬間的未飽和狀態(tài)以及故障電流數(shù)值存在相互關(guān)聯(lián)性。這種故障使得TA飽和前的差電流相對較小，從而避免相應(yīng)保護(hù)元件的誤動作行為。但利用母線電壓制造差動保護(hù)的啟動元件，這種元件可在故障發(fā)生瞬間就可做出反應(yīng)動作，而這種動作與誤動作發(fā)生存在一定的時間差。而當(dāng)母線區(qū)域產(chǎn)生一定的故障過程中，通常會使得差電流相對增加且母線電壓減小的情況，而這種情況則是TA飽和采用同步識別法的相關(guān)原理基礎(chǔ)。TA運行過程中，需要保證母線區(qū)內(nèi)、區(qū)外相應(yīng)故障的同時有效區(qū)分。當(dāng)母線區(qū)外發(fā)生故障且TA飽和狀態(tài)時，常采用閉鎖母線差動保護(hù)的措施進(jìn)行有效解決。通常這種TA飽和具有周期性出現(xiàn)的特征，這主要是系統(tǒng)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)過程中母線轉(zhuǎn)換性故障的相關(guān)影響因素引起的。

3.2.4基于差動電流變化率判斷TA是否飽和

這種方式主要利用差電流對TA是否飽和進(jìn)行有效監(jiān)測，這通常會出現(xiàn)以下兩種情況：一種是TA已發(fā)生飽和，此時接近飽和點區(qū)域內(nèi)的二次電流變化率出現(xiàn)大幅度增加，并導(dǎo)致二次側(cè)電流產(chǎn)生一定的波形缺損情況。而當(dāng)母線區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，支流電流會集中進(jìn)入到母線中，此時差電流呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律，并且在區(qū)外故障TA飽和條件下，差電流可避免出現(xiàn)突變情況。另一種是TA由不飽和轉(zhuǎn)變到飽和狀態(tài)需要一定的時間，而當(dāng)TA飽和過程中，通常不飽和時間段會出現(xiàn)單個周波臨近一次電流過零點，在這個時間段內(nèi)，差電流變化幅度相對較小，其可使得TA基于不失真的前提下進(jìn)行相應(yīng)的電流轉(zhuǎn)變動作。而TA飽和狀態(tài)檢測可利用這個特點制作相應(yīng)的檢測模塊，這樣可使得檢測模塊在短路初始瞬間以及TA飽和后的單一周波內(nèi)的不飽和時段都可安全可靠的進(jìn)行閉鎖保護(hù)行為。

3.2.5波形對稱性

這個方法主要基于波形對稱性程度對TA飽和狀態(tài)進(jìn)行明確判斷。其主要是由于在TA飽和狀態(tài)下，二次側(cè)電流波形的一周波波形的對稱性遭到相應(yīng)破壞，進(jìn)而產(chǎn)生一定的畸變情況。通常對于不對稱的措施相對較多，其中較為基礎(chǔ)有效的措施是根據(jù)電流相隔半周波導(dǎo)數(shù)的模值相等與否的判斷進(jìn)而確定相應(yīng)的對稱性。

3.2.6諧波制動原理

通?？苫赥A處于飽和狀態(tài)過程中差電流波形相對失真的前提條件，并通過差電流中諧波分量的波形特點進(jìn)行TA飽和狀態(tài)的有效檢測。而區(qū)外故障并且TA飽和狀態(tài)過程中，其差電流的波形實質(zhì)等效于飽和TA勵磁支路的電流波形。首先差電流會產(chǎn)生較多數(shù)量的高次諧波，當(dāng)TA飽和為常規(guī)輕微狀態(tài)時，使得故障支路的二次電流會出現(xiàn)一定的波形破損情況。其次是TA飽和處于輕微狀態(tài)發(fā)展到深度飽和狀態(tài)過程中，此時使得二次電流波形上的破損量也相對增大。而在內(nèi)部故障時，差電流波形與工頻電流基本一致且諧波含量相對較少。因此這種方法可用來快速差動保護(hù)判定，其主要依據(jù)保護(hù)區(qū)外變換為區(qū)內(nèi)故障過程中，故障電流中諧波分量相對減少這一特征。

四、結(jié)語

通過本文對電流互感器的飽和原理、TA飽和對母線保護(hù)的影響、針對TA飽和以及母線保護(hù)的處理措施的分析來看，通過對TA飽和以及母線保護(hù)的處理措施，不僅可通過相應(yīng)的檢測方法有效提高抗飽和性能，同時也可大幅度降低TA飽和對母線差動保護(hù)誤動作的影響，這樣可以有效保障母線運行的穩(wěn)定性和可靠性，也可為新型母線保護(hù)裝置研究開發(fā)提供一定的參考和借鑒。