朱忠亭,高 晶
(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司,上海 200063)
電流互感器原理上與變壓器類似,當一次側(cè)電流遠大于額定電流時可能會出現(xiàn)磁路飽和,此時電流互感器無法按照額定變比將一次側(cè)電流轉(zhuǎn)換為二次側(cè)電流,從而可能對二次側(cè)保護設(shè)備產(chǎn)生不利影響。為解決電流互感器飽和對保護設(shè)備動作的影響,一般可采取兩類措施:一是選擇抗飽和的電流互感器,當一次側(cè)電流遠大于額定電流時磁路仍然處于線性區(qū)域內(nèi);二是保護裝置采取減輕飽和影響的措施,保證電流互感器在特定飽和條件下不致影響保護性能。
抗飽和的電流互感器成本較高、體積較大,一般只用于電壓等級較高的重要電力系統(tǒng)中;而在普通的中、低壓電力系統(tǒng)中,仍廣泛采用易飽和的電流互感器。在同樣的一次側(cè)電流及不同的電流互感器情況下,飽和的電流互感器二次側(cè)電流有效值顯然應(yīng)小于未飽和的電流互感器二次側(cè)電流有效值;在同一個的電流互感器而不同的一次側(cè)電流情況下,要確定飽和后電流互感器二次側(cè)電流有效值與未飽和的電流互感器二次側(cè)電流有效值的大小關(guān)系,必須對飽和后電流互感器二次側(cè)電流有效值進行定量分析,這對于過流類有效值保護裝置具有重要意義。
在不考慮非周期分量情況下,通過分析鐵芯的飽和特性、研究電流互感器飽和時二次側(cè)電流的波形,可以得出二次側(cè)電流有效值的計算公式,再通過與電流互感器未飽和時二次側(cè)電流有效值進行比較,即可得到兩者的大小關(guān)系,從而可以判斷電流互感器飽和是否會對過流類有效值保護裝置產(chǎn)生影響。
為使鐵芯得到充分利用,電流互感器額定運行點的磁通最大值往往已經(jīng)處于鐵芯的飽和段,主磁通φ與勵磁電流If的關(guān)系呈飽和特性[1],如圖1(a)所示。鐵芯磁路除了飽和以外,還有磁滯作用。它的磁化曲線不是單一的,上升和下降特性不相重合,形成了一個磁滯回環(huán),如圖1(b)所示。
為簡化分析,假定電流互感器的磁化特性為階躍函數(shù)。這里有兩個簡化,一個是將略有上漲的飽和線簡化成完全的水平線;二是假定不飽和時鐵芯材料的磁導(dǎo)系數(shù)為無窮大,即忽略了電流的勵磁分量。在兩個假設(shè)條件下,磁化曲線如圖1(c)所示。鑒于磁滯作用只是改變一次側(cè)電流和二次側(cè)電流之間的相位關(guān)系,并不改變其比值關(guān)系,所以在計算二次側(cè)電流有效值時,可以不考慮磁滯作用的影響,磁化曲線如圖1(d)所示,后續(xù)分析及研究中均采用此種簡化后的磁化曲線。
圖1 磁化曲線
電流互感器的等值電路如圖2所示,i1為一次側(cè)電流,i2為二次側(cè)電流,e2為二次側(cè)電動勢,R為二次側(cè)等值電阻。分析計算中均不考慮非周期分量。
圖2 電流互感器等值電路圖
下面將根據(jù)圖2等值電路,對電流互感器飽和前、飽和后進行分析,并對比相應(yīng)的有效值。
電流互感器在飽和前,二次側(cè)電流隨一次側(cè)電流的增長而增長,是以額定變比為系數(shù)的線性比例關(guān)系,故電流互感器臨界飽和時的二次側(cè)電流有效值為飽和前的最大值。在圖3中,i1、i2及φ分別代表電流互感器臨界飽和時的一次側(cè)電流、二次側(cè)電流及磁通的波形。在0°~180°的半個周期內(nèi),i2為正,e2=i2R也為正。由于,故為負,磁通φ不斷減小,至180°時為負的最大值,即為負的飽和值。
若一次側(cè)電流i1'增大為i1的K倍,即,如果磁通不飽和,則磁通的波形如圖3中φ'所示,但實際上第一個周期內(nèi)只有在90°-δ~90°+δ和 270°-δ~270°+δ范圍時磁通才會處于不飽和狀態(tài),其他時間磁通均為飽和狀態(tài),實際的磁通波形如如圖3中φ''所示。δ的數(shù)值取決于K,K較大時δ較小,反之亦然。根據(jù)前面的假定條件,磁通達到飽和以后即維持不變,于是,e2' =0,i2' =0,由于二次電流為零,一次電流全部成為勵磁電流,一直維持φ''為飽和值。同樣,根據(jù)前面的假定條件,在未達到飽和時勵磁分量可以略去不計。在 90°-δ~90°+δ范圍時,在 270°-δ~270°+δ范圍時,。二次電流i'2的波形如圖3中所示。
圖3 電流和磁通波形
i2,e2及φ,e2之間的關(guān)系如式(1)和式(2):
式中N為電流互感器二次繞組的匝數(shù)。
假設(shè)i2=Imsin?t,根據(jù)式(1)和式(2)可得式(3):
在臨界飽和時,?t從0°變化到180°,φ從φm變化到-φm,可得式(4)和式(5):
當一次側(cè)電流增大K倍時,?t從90°-δ變化到 90°+δ,φ的變化量也是 2φm,可得式 (6)和式(7):
根據(jù)式(5)和式(7),可得式(8):
在電流互感器飽和以后,一次側(cè)電流i1'=Ki1,二次側(cè)電流的有效值為式(9):
在電流互感器臨界飽和時,二次側(cè)電流為正弦函數(shù),有效值為式(10):
再設(shè):
則式(11)可轉(zhuǎn)化為式(13):
f(θ)函數(shù)曲線如圖4所示。
圖4 f(θ)函數(shù)曲線
從圖 4中可以看出,在θ∈(0, π)內(nèi),f(θ)>0;即在內(nèi),f(δ)>0。
可得式(14)和式(15):
匯總式(9)、式(10)和式(15),可得出結(jié)論:I'2>I2,即在不考慮非周期分量情況下,電流互感器飽和時二次側(cè)電流有效值總是大于臨界飽和時的電流有效值,也大于未飽和時的電流有效值。當然,圖4中的曲線均對應(yīng)于理論計算值,在鐵芯飽和后電流波形將嚴重畸變,而且分散性很大,保護裝置內(nèi)計算用電流值實際還受采樣頻率的影響。只有采樣頻率滿足準確獲得二次側(cè)電流有效值的要求時,保護裝置才能適用上述“飽和值總是大于未飽和值”的結(jié)論。
隨著電流互感器一次側(cè)電流的增加,在鐵芯達到飽和前,二次側(cè)電流按照變比線性增加;在鐵芯達到飽和后,二次側(cè)電流雖然無法按照變比線性增加,但通過定量分析計算可知,其有效值仍然大于未飽和時的有效值。因此,對于過流類有效值保護裝置,在其采樣頻率滿足準確獲得二次側(cè)電流有效值要求的條件下,如果鐵芯不飽和時能正確動作,則在鐵芯飽和后仍能正確動作。