電流互感器鐵心剩磁影響因素仿真分析

鄧成林 蔡新景 付丁丁

電流互感器鐵心剩磁影響因素仿真分析

鄧成林 蔡新景 付丁丁

（沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，沈陽 110870）

本文通過Matlab中的Simulink仿真軟件對不同影響因素下的電流互感器鐵心剩磁進行仿真分析，驗證電流互感器鐵心剩磁在不同影響因素下的變化規(guī)律。研究表明，電流互感器鐵心剩磁在暫態(tài)非周期分量、故障電流的開斷時間、一次回路時間常數(shù)、故障短路電流大小及二次負載阻抗值的影響下都有明顯的變化；影響因素的作用越強，其產生的剩磁就越大。

電流互感器；剩磁；變化規(guī)律；暫態(tài)非周期分量；仿真

0 引言

電流互感器對電力系統(tǒng)的測量、保護及計量設備的運行有很重要的作用，其作為電力系統(tǒng)的主要設備之一，是保障整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經濟運行的關鍵設備。電流互感器如果在實際的工作中發(fā)生突然斷開的現(xiàn)象，鐵心就可能出現(xiàn)類似暫態(tài)剩磁的情況，從而導致鐵心的磁導率降低，致使測量結果與實際數(shù)值產生很大的差距，難以到達技術要 求[1-3]。剩磁的存在對于電流互感器的安全穩(wěn)定運行有很大的影響，尤其是暫態(tài)剩磁的影響更大，會導致電流不平衡現(xiàn)象，造成互感器保護誤動作[4-5]。

針對電流互感器鐵心剩磁的問題，研究人員做了大量研究并取得一定進展。梁仕斌等通過對電流互感器進行充磁、退磁試驗得出了剩磁對電流互感器的影響[6]。文峰和譚寧介紹了電流互感器產生剩磁的原因，并基于剩磁產生機理研究了剩磁對電流互感器穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)性能的影響[7]。周遷從原理上分析電流互感器誤差和剩磁產生的原因，針對運行過程中的電流互感器，結合現(xiàn)場工作經驗，歸納產生剩磁的因素，闡述剩磁對電流互感器誤差的影響，并提出了減少剩磁的措施[8]。但這些研究都沒有從剩磁的產生機理出發(fā)分析影響剩磁的因素和對影響因素下的剩磁進行定量的分析。崔迎賓等應用電磁暫態(tài)仿真程序ATP對電流互感器暫態(tài)剩磁產生的原因及不同因素對剩磁的影響進行了系統(tǒng)的計算分 析[9]?？梢?，通過計算機仿真軟件對電流互感器鐵心剩磁的影響因素進行仿真分析得出其變化規(guī)律是至關重要的，這為以后對電流互感器鐵心的剩磁抑制提供了理論基礎。

本文采用Matlab中的Simulink仿真軟件對電流互感器鐵心剩磁的影響因素進行仿真分析，通過仿真軟件搭建電流互感器的仿真模型，繪制具體的勵磁曲線并選取合適的參數(shù)，對不同影響因素下鐵心剩磁的大小進行定量分析。

1 電流互感器鐵心剩磁影響因素分析

1.1 電流互感器一次側故障時短路電流分析

電流互感器一次側故障時的簡化電路如圖1所示。電路中串聯(lián)的電感和電阻可以等效電流互感器的一次側?；ジ衅饕淮蝹鹊碾娫词且粋€交流電壓源m，其數(shù)值等于sin(+)。在此通過控制交流電壓源的相位來模擬電流互感器運行的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)狀態(tài)，電路中會產生穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)的短路電流。

圖1 電流互感器一次側故障時的簡化電路

設故障在0時發(fā)生，則此時的電路方程為

其通解為

式中：m為一次側故障短路電流周期分量幅值；為短路故障后功率因數(shù)角；為一次時間常數(shù)；為積分常數(shù)；為電流電壓初相位[10]。

由于電路中的電感電流不能突變，則短路前后電流瞬時值相等[11]，常數(shù)為

由于故障前負荷電流較小，故設m(0)=0，則短路電流公式可以簡化為

由式（4）可知，故障短路電流由兩部分組成：穩(wěn)態(tài)短路電流與暫態(tài)短路電流。當=90°時，非周期分量很小接近于零，電流互感器處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。當=0°時，非周期分量達到最大值，鐵心中的磁通快速增加直到飽和。當暫態(tài)短路電流中時間常數(shù)不變時，非周期分量會隨時間逐漸減小，鐵心中的磁通增加量也逐漸減小直到飽和。

1.2 影響剩磁的因素

電流互感器鐵心中剩磁的大小主要由電流互感器一次側開斷瞬間鐵心中的磁通決定。鐵心中的磁通與暫態(tài)非周期分量、故障短路電流的大小、二次負載的阻抗值相關[12]。暫態(tài)非周期分量的大小還與故障短路電流開斷時間和一次回路時間常數(shù)有關。

綜上所述，剩磁的影響因素主要有：

1）暫態(tài)非周期分量

由式（4）分析可知，非周期分量越大，暫態(tài)短路電流就越大，鐵心中磁通增加的速率就越快，鐵心中的磁通就越多，則剩磁就越多。

2）故障短路電流開斷時間

3）一次回路時間常數(shù)

4）故障短路電流大小

從上文可知一次故障短路電流是由穩(wěn)態(tài)分量與暫態(tài)分量構成。由式（4）可知，它的大小主要由m和cos決定。一次短路電流越大，mcos就越大，非周期分量就越大，則剩磁就越多。

5）二次負載的阻抗值

電流互感器鐵心中的磁通與電流互感器二次側回路的阻抗值有直接的關系。如果二次側接的是純電感，電流互感器鐵心中幾乎不存在剩磁。若電流互感器二次側接的是純電阻，電流互感器就會存在很大的剩磁[10]。在電流互感器正常運行中，為避免大量剩磁應選二次負載阻抗小的電流互感器。

2 電流互感器仿真模型分析

在Simulink仿真軟件中可以選用飽和變壓器元件來作電流互感器仿真模型。根據文獻[13]的公式可以計算飽和變壓器中的參數(shù)：繞組阻抗2、2和勵磁阻抗m。電流互感器鐵心剩磁影響因素仿真模型如圖2所示。

圖2 電流互感器鐵心剩磁影響因素仿真模型

電流互感器參數(shù)設定：匝數(shù)比=1/200，電流比=1 000A/5A，額定容量b=50kA，二次負載b=1W。

本文根據鐵心磁化曲線和飽和磁通的定義計算出飽和點（0.1, 2）（標幺值）。通過Powergui中的Hysrersis Design軟件畫出所需的勵磁曲線如圖3 所示。

圖3 勵磁曲線

電流互感器鐵心中的磁通是通過萬用表來測量的，為標幺值（p.u.）。通過設置斷路器開斷時間模擬故障電流的開斷時間。在仿真中，當斷路器斷開時，鐵心中的瞬時磁通就是剩磁[14]。

3 剩磁影響因素的計算分析

在仿真中，假設電流互感器鐵心中沒有初始剩磁?？焖俦Ｗo裝置要求在短路故障發(fā)生后2～3個周期內動作，因此設置仿真時間為0.08s。

3.1 暫態(tài)非周期分量

設m=1.2kA，0.06s，二次負載b=1W，=0.06s時斷路器斷開，非周期分量與剩磁之間的關系如圖4所示。

圖4 非周期分量與剩磁之間的關系

圖4給出了=90°（非周期分量最小）、= 60°和=0°（非周期分量最大）時，鐵心磁通的變化曲線，可以看出，在前期，=0°時鐵心中磁通的增長速度比=60°和=90°時的要快，隨著時間的增加，磁通逐漸累積，這是勵磁電流中非周期分量作用的結果。在=0°、=0.055s時，鐵心中磁通飽和。在=0.06s斷開時，可以看出=90°的磁通在這一時刻并沒有停止變化，這是由于系統(tǒng)故障時，短路電流在過零點時，斷路器才會動作，電路才會斷開。在斷路器斷開后，鐵心中磁通會從這一刻開始逐漸減弱，這個過程稱為動態(tài)剩磁。

由前面分析可知，剩磁的大小與斷路器開斷時鐵心中的瞬時磁通量相同，從圖4可以看出非周期量越大，剩磁越大。

3.2 故障短路電流開斷時間

設m=1.2kA，0.06s，二次負載b=1W，= 0°，短路電流的開斷時間為仿真時間0.08s。將以上參數(shù)代入仿真模型，故障短路電流開斷時間與剩磁之間的關系如圖5所示。

圖5 故障短路電流開斷時間與剩磁之間的關系

由圖5可知，圖中曲線上有4個點，每個點代表斷路器開斷時間為0.01s、0.03s、0.05s和0.07s時鐵心中瞬時磁通。從圖5可以看出，每個點的磁通量要比斷路器開斷瞬間的磁通量大，這是由于短路電流過零點時斷路器才能開斷，斷路器斷開的瞬間，短路電流尚不為零，磁通仍在不斷累積。相鄰兩點之間有一段磁通值是下降的，這是勵磁電流非周期分量負向去磁作用大的結果。

總體上看，剩磁隨故障電流開斷時間增加而增大。若要電流互感器發(fā)生故障時鐵心中的剩磁小，就要減小短路電流的開斷時間。電流互感器的一次側應采用快速動作的繼電保護裝置，縮短自動重合閘的時間。

3.3 故障短路電流的大小

設0.06s，二次負載b=1W，=0.06s時斷路器斷開，故障短路電流分別取1 200A、1 000A、800A。在=90°和=0°兩種情況下分析不同短路電流與剩磁的關系分別如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，在其他條件不變的情況下，不管非周期分量是最大或最小，增大故障短路電流，鐵心中的剩磁隨之增加。當非周期分量最大時（=0°）時，可以看出剩磁隨著一次短路電流的增加而增加直至飽和。非周期分量最小（=90°）時剩磁隨一次短路電流增加而增加，但增加的很小，這是由于非周期分量快接近于零，電流互感器在穩(wěn)定運行，鐵心中產生的是穩(wěn)定剩磁。盡管一次短路電流增加很大，但剩磁增加很少，基本不會變化。

圖6 a=0°時不同短路電流與剩磁之間的關系

圖7 a=90°時不同短路電流與剩磁之間的關系

3.4 一次回路時間常數(shù)

設=0°，m=1.3kA，二次負載b=1W，=0.06s時路器斷開，將以上參數(shù)代入仿真模型，一次回路時間常數(shù)與剩磁之間的關系如圖8所示。

圖8 一次回路時間常數(shù)與剩磁之間的關系

由圖8可知，一次時間常數(shù)越大，剩磁越大。一次時間常數(shù)與非周期分量增長的速率相關，一次時間常數(shù)越大，非周期分量增長越快，鐵心中的磁通積累越多，導致鐵心中產生大量剩磁。

3.5 二次負載的阻抗值

設=0°，m=1.2kA，0.06s，二次負載b分別為1W、0.8W和0.6W，=0.06s時斷路器斷開。二次負載與剩磁的關系如圖9所示。

圖9 二次負載與剩磁之間的關系

由圖9可知，在其他條件不變的情況下，在=0.06s時斷開，剩磁隨著二次負載的增大而增大。當二次負載b=1W時，=0.06s鐵心磁通飽和。在電流互感器正常運行中，為避免大量剩磁應選二次負載阻抗小的電流互感器。

4 結論

本文采用計算機仿真軟件Matlab中的Simulink對電流互感器鐵心剩磁的影響因素進行了仿真分析。電流互感器鐵心中剩磁在暫態(tài)非周期分量、故障電流的開斷時間、一次回路時間常數(shù)、故障短路電流大小及二次負載的阻抗值等不同因素影響下都有其變化規(guī)律。在以上影響因素的作用下，影響因素作用越強，產生的剩磁就越大。分析得知暫態(tài)非周期分量越大，剩磁越大；故障電流的開斷時間越長，剩磁越大；一次回路時間常數(shù)越大，剩磁越大；故障短路電流越大，剩磁越大；二次回路阻抗值越大，剩磁越大。

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Simulation analysis of factors affecting remanence of current transformer core

DENG Chenglin CAI Xinjing FU Dingding

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

In this paper, Simulink software in Matlab is used to simulate and analyze the remanence of current transformer core under different influence factors and verify that the remanence of current transformer core has its changing law under different influence factors. The results show that the remanence in the current transformer core changes obviously under the influence of the transient aperiodic component, the breaking time of the fault current, the time constant of the primary circuit, the amplitude of the fault short circuit current and the impedance of the secondary load. The stronger the influence factors, the greater the remanence will be.

current transformer; remanence; variation law; transient aperiodic component; simu- lation

2021-01-19

2021-03-21

鄧成林（1995—），男，遼寧遼陽人，碩士研究生，主要研究方向為高壓電器。