淺談繼電保護互感器技術(shù)的應(yīng)用與不足

張良武，胡 帥，金 龍，王廷旺，袁煥炯

（1國網(wǎng)新疆電力有限公司檢修公司 新疆 烏魯木齊 830000）（2國網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院 新疆 烏魯木齊 830000） （3廣州市仟順電子設(shè)備有限公司 廣東 廣州 510000）

1 引言

隨著科技的發(fā)展，人們對電力的需求和質(zhì)量要求都在不斷提升，導(dǎo)致電網(wǎng)輸配變?nèi)萘坎粩嘣黾?，電網(wǎng)的安全保護工作壓力也越來越大。作為電力系統(tǒng)檢測、繼電保護的基礎(chǔ)，互感器技術(shù)成為電網(wǎng)運行中不可或缺的重要組成部分。

2 互感器技術(shù)原理

互感器在原理上類似于變壓器，是利用電磁感應(yīng)原理將一次電壓、電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電壓、電流的測量設(shè)備。繼電保護及測量儀表都是通過互感器二次側(cè)電壓、電流來判斷二次側(cè)運行狀況，繼而實現(xiàn)對被測電路的測量和保護工作?；ジ衅靼搭愋头譃殡妷夯ジ衅骱碗娏骰ジ衅鲀煞N。

電壓互感器是將一次側(cè)高電壓轉(zhuǎn)變成二次側(cè)低電壓，用來測量被測電路電壓的設(shè)備。電壓互感器的一次線圈并聯(lián)在被測回路上，并且二次回路電壓較高，阻抗很大，工作電流小，如果電壓互感器二次回路短路，將產(chǎn)生很大的短路電流，損壞電壓互感器甚至危害工作人員安全[1]。因此電壓互感器的二次回路不允許短路，可裝設(shè)熔斷保護。

電流互感器是將一次側(cè)高電流轉(zhuǎn)變成二次側(cè)低電流，用來測量被測電路輸送的電流、電能等數(shù)據(jù)。電流互感器一次線圈串聯(lián)在被測回路上，并且起二次回路電壓很低，阻抗很小。起二次回路電流取決于一次線圈的電流大小，與其所帶負荷無關(guān)。電流互感器二次回路開路，會使一次電流全部轉(zhuǎn)化為勵磁電流，導(dǎo)致互感器磁心飽和發(fā)熱損壞，二次側(cè)產(chǎn)生高壓危害人身安全。因此電流互感器二次回路不允許開路，且不能裝設(shè)熔斷保護[2]。

3 互感器技術(shù)繼電保護的應(yīng)用

3.1 電壓保護

電壓保護是指電壓互感器并聯(lián)在被測電流中，測量被測電路電壓峰值、有效值、零序電壓、相位、頻率等因數(shù)，間接控制對電壓峰值過高、過電壓、低電壓、相位異常和頻率偏高等電壓異常情況進行保護切斷[3]。目前通常電壓保護有過電壓保護、低電壓保護等。

過電壓是指任何峰值大于正常運行下穩(wěn)態(tài)電壓的相應(yīng)最大峰值的電壓。過電壓保護分為瞬態(tài)過電壓和暫態(tài)過電壓，瞬態(tài)過電壓是指持續(xù)時間極短，如雷擊、開關(guān)操作、靜電放電等。瞬態(tài)過電壓主要通過防雷裝置保護。而暫態(tài)過電壓持續(xù)時間比較長，在0.1～1000 ms之間，主要有諧振過電壓、甩負荷過電壓、中性點漂移導(dǎo)致的過電壓和轉(zhuǎn)移過電壓等。這些過電壓故障嚴重時可能導(dǎo)致電器設(shè)備損壞，電器絕緣被擊穿等，危害極大，嚴重威脅電網(wǎng)及用電用戶安全。因此，過電壓保護是繼電保護中的重要項目之一。

電壓保護使用電壓互感器并聯(lián)在被測回路中，用較低的變壓互感器的二次回路電壓替代被測電壓，以達到安全、有效的繼電保護工作。

3.2 過電流保護

過電流保護是指當(dāng)電流超過預(yù)定最大值時，保護裝置動作切斷隔離過電流回路的保護。過電流保護分為短路速斷保護和過負荷保護，短路速斷保護是指發(fā)生相間短路或接地短路時，短路回路產(chǎn)生極大故障電流，保護裝置動作切斷被測回路的過程，過負荷短路是指線路所掛負荷容量超過了線路允許最大值，導(dǎo)致線路電流過高，從而使保護裝置動作的過程。

過電流保護通常是使用電流互感器串聯(lián)在被測回路中，監(jiān)測被測回路電流峰值和有效值，當(dāng)被測回路出現(xiàn)電流大小超過設(shè)定的允許值時，互感器二次回路電流使保護裝置動作，達到切斷和隔離故障回路的效果。

3.3 零序保護

零序保護是指在大短路電流接地系統(tǒng)中發(fā)生接地故障，導(dǎo)致線路產(chǎn)生零序電流、零序電壓，利用這些電氣量構(gòu)成保護原理的接地短路保護裝置。

零序電流保護的原理，是在三相線路或N線上安裝電流互感器（CT），利用這些CT來檢測三相的電流，由此計算零序電流大小。當(dāng)線路上所接的三相負荷完全平衡時，線路無接地，可正常運行；當(dāng)線路上所接的三相負荷不平衡，電路產(chǎn)生不平衡電流，不平衡電流達到了預(yù)設(shè)的動作值時使控制繼電保護裝置動作，從而達到零序保護的目的。同時，當(dāng)三相發(fā)生接地故障時，接地相產(chǎn)生一個很大的接地短路電流，此時的零序電流是三相不平衡電流與接地短路電流的矢量和，因此零序電流大小劇增，使零序保護動作，達到接地短路保護目的。

3.4 差動保護

差動保護是輸入設(shè)備或線輪兩端電流矢量差，當(dāng)電流矢量差達到設(shè)定的動作值時驅(qū)動保護裝置動作，被測線路兩端之間的設(shè)備。

差動保護是反映被保護設(shè)備或區(qū)域兩側(cè)電流差而動作的保護裝置。依照基爾霍夫定理，電路中流入同一個節(jié)點的所有電流的矢量和等于零。把被保護的電氣設(shè)備看成是一個節(jié)點，那么正常時流進被保護設(shè)備的電流和流出的電流相等，差動電流等于零。當(dāng)變壓器、電動機發(fā)電機等設(shè)備出現(xiàn)故障時，流進被故障設(shè)備的電流和流出的電流不相等，即存在差動電流。使用電流互感器（CT）檢測故障設(shè)備兩端電流，則流入CT電流互感器的兩端電流存在一個矢量差即差動電流，當(dāng)差動電流達到了設(shè)定的動作值時，使差動保護裝置動作，繼而達到切斷故障設(shè)備和回路的效果[4]。差動保護通常作為變壓器主保護，是繼電保護中最重要的保護之一。

4 現(xiàn)有互感器技術(shù)的不足

當(dāng)前主流互感器技術(shù)，即電磁式互感器技術(shù)仍有很多缺陷和不足之處，使得互感器在保護工作上事故頻發(fā)。

（1）互感器誤差?；ジ衅魅菀资芴囟ㄒ蛩赜绊?，如線圈匝數(shù)、磁芯橫截面積、電流頻率等因素影響，導(dǎo)致互感器二次回路誤差較大。二次回路的小誤差，則算到一次回路就是一個較大的誤差，容易導(dǎo)致繼電保護裝置誤動作和拒動，對電網(wǎng)的安全運行危害極大。

電力系統(tǒng)中存在大量的感性負荷和容性負荷，這些感性負荷和容性負荷在一定條件下會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，引起諧振過電壓；在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，導(dǎo)致非故障相電壓升高、引起發(fā)生位移；單相接地電弧熄滅后，容易導(dǎo)致電壓互感器的鐵芯飽和。諧振現(xiàn)象、單相接地故障、積極單相接地短路電流電弧熄滅等，均可能引起電壓互感器嚴重誤差。在中性點不接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地時非故障相對地電壓上升到根號三倍，因單相短路接地時可帶故障運行兩小時，電壓互感器不但誤差很大而且導(dǎo)致過熱損壞。

（2）電流互感器誤差。正常運行中的電流互感器產(chǎn)生剩磁是一種普遍存在的現(xiàn)象。正常工況下，剩磁不會自動消失，滯留在磁心中產(chǎn)生磁滯。對于長期運行的電流互感器，磁滯對測量和保護電流互感器的性能都會產(chǎn)生影響，使電流互感器的誤差，嚴重時，將導(dǎo)致電能計量錯誤、繼電保護誤動和拒動等事故。

（3）鐵磁諧振。鐵磁諧振是由于鐵磁心的非線性特性等原因，電壓互感器磁芯飽和之后發(fā)生持續(xù)性的諧振過電壓現(xiàn)象。如果線路所帶負荷呈較大感性負荷，同時帶有大容量的深井泵。當(dāng)系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動或持續(xù)性諧波，電路中電流或電壓發(fā)生突變，可能導(dǎo)致電壓互感器鐵心迅速飽和、感抗減小，當(dāng)感抗小于容抗時，就有可能產(chǎn)生鐵磁諧振。鐵磁諧振會導(dǎo)致電壓互感器產(chǎn)生很大的激磁電流和電壓突變。嚴重時，將導(dǎo)致磁心的溫度迅速升高，導(dǎo)致電壓互感器燒壞。

5 互感器技術(shù)的發(fā)展趨勢

近年來，一種新型的光電式互感器(OCT)技術(shù)引起關(guān)注，國內(nèi)外的高等院校，科研單位、制造商投入大量的資金和科研人員在不斷地開發(fā)和研制各種電壓等級的光電式電流互感器。光電式互感器是利用法拉第磁光效應(yīng)，即當(dāng)線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時，其偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角與平行于光線方向的磁場有線性關(guān)系，利用這一原理來測量被測短路電流等信息[5]。

光電互感器具有以下優(yōu)點：體積小，絕緣結(jié)構(gòu)簡單；無鐵芯、無磁飽和及鐵磁諧振引發(fā)的問題；具有良好的抗電磁干擾性，不會有低壓側(cè)開路出現(xiàn)高電壓的危險；頻率響應(yīng)范圍寬，動態(tài)范圍大，測量準確度高；不充油，無燃燒、爆炸等危險；光電式互感器是能順應(yīng)電力計量與保護的數(shù)字化、微機化和自動化的新型互感器技術(shù)。

但是光電式互感器技術(shù)仍有很多不足之處。其一，測量小電流時，法拉第旋轉(zhuǎn)角非常小，而傳感器的靈敏度有限，測信號被噪聲所淹沒，導(dǎo)致光電式互感器輸出讀數(shù)波動較大，線性度較差，準確度也略超出計量要求；其二，溫度應(yīng)力等外界因素引起的光在介質(zhì)中產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，也是降低了檢測靈敏度的一大因素；其三，機械振動溫度變化等因素都會引起輸出光強的變化，以及傳輸輸入光信號的光纖所表現(xiàn)出的偏振特性受到應(yīng)力溫度等因素影響，而產(chǎn)生部分偏振，使輸入光信號進入偏振器后因為消偏而引起光強波動，導(dǎo)致互感器測量誤差。

可以看出，光電式互感器將是未來互感技術(shù)的主流，但是互感器存在不足之處，需要繼續(xù)投入分析和研究。

6 結(jié)語

互感器技術(shù)是繼電保護的基礎(chǔ)，在繼電保護工作中占據(jù)重要地位。但由于現(xiàn)有的互感器仍有很多不足之處，致使繼電保護工作事故時有發(fā)生，或需要投入大量運檢人工，才能確保電網(wǎng)保護正常運行。新型電子式互感器因其線性特性好、誤差小、受環(huán)境影響低等優(yōu)點，將會是電磁式互感器技術(shù)的理想替代品。本文意在給廣大電力工作者和相關(guān)專業(yè)講述現(xiàn)有互感器技術(shù)在繼電保護工作中的應(yīng)用，討論了電磁式互感器的不足，介紹了新式光電互感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，呼吁廣大技術(shù)人員積極投入互感器技術(shù)的研究和創(chuàng)新，為智能電網(wǎng)發(fā)展提供支持。