淺談電流互感器飽和對電流保護的影響

李宗，朱述川，呂現(xiàn)傳，古鋒

（兗礦集團有限責任公司機電管理部，山東 鄒城 273500）

我國發(fā)電廠、井工煤礦、鐵礦等大型用電單位，受供配電環(huán)境復(fù)雜性的影響，發(fā)生供電系統(tǒng)短路故障時有發(fā)生，同時，也常伴隨有保護誤動作、拒動作問題，一直是困擾電力系統(tǒng)維護人員的難題。通過對保護整定值的校驗和常規(guī)的電氣預(yù)防性試驗，并不能對誤動問題給予合理的解釋。

對電流保護，一般認為，速斷保護反映的是故障電流超過動作電流的情況，只需用動作電流加可靠系數(shù)來考量即可，至于超過故障電流后互感器產(chǎn)生的誤差，一般并不影響速斷保護的動作。對于大多數(shù)用戶，為便于保護整定和減少測量誤差，通常根據(jù)饋出線路的負荷電流大小來選擇電流互感器的額定一次電流。

1 事故案例

2019年，某煤礦110kV變電所2#主變低壓側(cè)—10kVⅡ段母線進線開關(guān)10213#發(fā)生兩次越級跳閘事故。故障點分別在10kVⅡ段10206柜（供排水泵）及10217柜（供后級變電所）饋出側(cè)電纜終端頭處，經(jīng)查閱相關(guān)微機保護裝置后臺數(shù)據(jù)，短路電流分別為9344A和9332A。經(jīng)檢查現(xiàn)場設(shè)備定值及電流互感器選型情況如下。

1.1 2#主變低壓側(cè)

（1）電流互感器：變比：2000/5，準確等級：5P20，額定準確限值一次電流：40000A。（2）保護裝置定值：方向過流Ⅰ段定值4.85A(1940A)，延時1.5s（跳本側(cè)）。

1.2 10kV段10206柜

（1）電流互感器：變比：100/5，準確等級：5P10，額定準確限值一次電流：1000A。（2）保護裝置定值：過流Ⅰ段59A（1180A），Ⅰ段時間：0s；過流Ⅲ段：10A(200A)，Ⅲ段時間：0.5s。

1.3 10kV段10217柜

（1）電流互感器：變比：600/5，準確等級：5P10，額定準確限值一次電流：6000A。（2）保護裝置定值：過流Ⅰ段：64.66A（7759A），Ⅰ段時間：0s；過流Ⅱ段：27.82A（3338A），Ⅱ段時間：0.3s；過流Ⅲ段：11.72A（1406A），Ⅲ段時間：1.1s。故障跳閘后，對10kV線路10206、10217柜保護裝置進行了保護試驗，線路保護裝置均能正常動作。

2 電流互感器的工作原理

電流互感器是一種變換電流的電氣設(shè)備，它的主要功能是向二次系統(tǒng)提供電流信號以反映一次系統(tǒng)的工作情況。電流互感器一次側(cè)繞組串接于電網(wǎng)，二次側(cè)繞組與測量儀表或繼電器的電流線圈相串聯(lián)。其模擬原理圖如圖1，其中I1、I2表示電流互感器一次、二次電流，Ij為勵磁電流，Zj為激磁阻抗。

圖1 電流互感器T型網(wǎng)路等效電路圖

3 磁通密度B與勵磁電流Ij關(guān)系曲線分析

對于理想電流互感器：I1×N1＝I2×N2，I1：I2＝N2：N1。為便于推算，取N1=N2，即正常工作時鐵芯的磁通密度B很低，勵磁電流Ij很小，故I2＝I1－Ij≈I1，I2與I1的誤差極小。當發(fā)生短路時電流互感器一次側(cè)短路電流將變得很大，使磁通密度B大大增加，Ij也相應(yīng)增加。在磁通密度B不大時，Ij基本與B成線性增長，但B增加到一定程度后將出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，磁通增加將變得困難，這時增加Ij并不能使磁通成線性增加，而是增加Ij時B增加越來越少。磁通密度B與勵磁電流Ij的關(guān)系曲線如圖2，當B增加到一定程度后將出現(xiàn)飽和，這時Ij將急劇增大，于是I2＝I1－Ij就會出現(xiàn)較大誤差。

“唉！這個二狗子，石油系統(tǒng)還按照工齡，為他辦理了退休，拿著退休金。單位可憐他，讓他看小區(qū)大門，就這樣，還在那里亂收過路費，都打了幾架了。你沒發(fā)現(xiàn)門房后面還堆滿了他撿來的破爛，準備賣錢的嗎？看來他和他那幾個孩子還有癮。”母親講到這里，食指環(huán)繞，放到嘴邊，做了一個吸的姿勢。

4 激磁電壓Uj與勵磁電流Ij關(guān)系曲線分析

根據(jù)磁感應(yīng)定律，線圈的感應(yīng)電壓U與磁通的變化率成正比，在固定頻率的交流磁場中，激磁電壓Uj與B成正比，故Uj與Ij的關(guān)系曲線即描述的是B與Ij的關(guān)系曲線，也就是說根據(jù)此測試方法測得的伏安特性曲線描述的就是B與Ij的關(guān)系曲線。可得Uj與Ij的關(guān)系曲線如圖3。

圖2 磁通密度B與勵磁電流Ij的關(guān)系曲線

圖3 Uj與Ij的關(guān)系曲線

由圖3可知，激磁阻抗Zj=Uj/Ij=cosα。即隨著電流互感器飽和程度的增加，激磁阻抗Zj不斷減小，而線圈電阻Z1、Z2基本不變。

由公式I2＝I1－Ij=I1-I2(Z2+Zl)/Zj得

I2=Zj/(Z1+Z2+Zj)×I1。即I2、I1的比值除跟一次側(cè)、二次側(cè)線圈扎數(shù)有關(guān)外，還在一定程度上與Z1+Z2及Zj有關(guān)。

但當I1增加到電流互感器準確限值后，磁通B越飽和，這時Zj=cosα急劇減小，從而越發(fā)突顯出Z1+Z2對二次輸出電流I2的影響。

當電流互感器磁通B越飽和后，I2、I1將失去正常的線性關(guān)系，因1＞Zj/(Z1+Z2+Zj)＞0，是否可以證明I2仍隨I1的增加呈上升趨勢？筆者認為，互感器二次側(cè)負荷阻抗的性質(zhì)不同，受畸變電流及磁通變化的影響不同，在Zj/(Z1+Z2+Zj)式中，Z1、Z2、Zj數(shù)值亦可能發(fā)生了非線性變化。假設(shè)Z2無窮大時或Zj無限小時，電流互感器二次側(cè)接近于開路，I1全部轉(zhuǎn)化為勵磁電流，即I2≈0。同時，因保護裝置類型及其對二次電流的采樣方式、周期采樣點的不同，對過飽和狀態(tài)下采集的二次側(cè)電流曲線特性也略有不同。

綜上可得，在電流互感器過飽和狀態(tài)下，并不能保證保護裝置所采集到的I2隨I1的增加一直呈上升趨勢，但可以證明電流互感器所帶回路越多，即Z1+Z2越大，電流互感器越易提前進入飽和區(qū)，且飽和后產(chǎn)生的誤差也會越大。

5 案例分析

根據(jù)上述事故煤礦10kVⅡ段10206柜及10217柜電流互感器的參數(shù)，可知電流互感器精確度10倍時復(fù)合誤差是5%。通過二次極限感應(yīng)電動勢來判別，電流互感器是否滿足誤差要求：

5.1 根據(jù)經(jīng)驗公式（1）

二次極限感應(yīng)電動勢：

其中：電流互感器二次負載:ZII+ZF

額定容量S=15VA,cosφ=1時，二次負載阻抗小于等于取0.3歐姆,二次繞組阻抗取ZII= 0.1Ω。

則 2 ×ZII+ZF=2 × 0.1 + 0.3 = 0.5Ω；繼 電 保 護 系 數(shù)

二次極限感應(yīng)電動勢

5.2 根據(jù)驗證公式（2）

其中：主變低壓側(cè)最大三相短路電流Ipm=9629.05A；CT一 次 電 流Ipn= 600A；CT二 次 電 流Isn=5A；取

可以判斷出當發(fā)生短路時電流互感器滿足不了復(fù)合誤差5%的要求。

5.3 電流互感器10%誤差校驗，圖4為復(fù)合誤差曲線圖

通過CT伏安特性拐點參數(shù)計算故障電流容許倍數(shù)最小

CT漏抗Zfh,取其中m是線路電流與CT一次電流比值；

故障電流容許倍數(shù)最小

圖4 復(fù)合誤差曲線圖

當最大三相短路電流9629.05A時，倍數(shù)為

則說明CT一次側(cè)短路時,CT不滿足要求復(fù)合誤差5%的要求。即發(fā)生短路時，電流互感器二次側(cè)輸出電流發(fā)生畸變，保護裝置不能正確采集故障電流，未能保護動作。同時，兩次短路電流均小于2#主變低壓側(cè)電流互感器額定準確限值一次電流40000A，且大于方向過流Ⅰ段定值一次電流1940A，延時1.5s后2#主變低壓側(cè)保護裝置具備動作條件，發(fā)生本側(cè)跳閘。

6 結(jié)語

保護定值小于電流互感器準確限值一次電流的情況下，電流互感器二次電流與一次電流成函數(shù)關(guān)系，當故障電流達到保護定值時，保護即可動作，切除故障點。

當故障電流大于電流互感器準確限值一次電流，互感器發(fā)生磁通飽和，電流互感器二次側(cè)輸出電流曲線發(fā)生畸變，造成電流互感器二次側(cè)輸出電流不滿足復(fù)合誤差要求。此時，即使故障電流大于保護整定值，電流互感器二次輸出電流也可能因電流曲線發(fā)生畸變而小于整定值，造成保護裝置不動作。

結(jié)合磁通密度B與勵磁電流Ij關(guān)系曲線分析和激磁電壓Uj與勵磁電流Ij關(guān)系曲線分析，CT的二次負載阻抗大小對CT準確度有很大影響。CT二次負載阻抗超出所容許的二次負載阻抗時，勵磁電流的數(shù)值就會大大增加，使鐵芯更容易進入飽和狀態(tài)，在這種情況下，一次電流很大一部分將用來提供勵磁電流，從而使互感器的誤差大為增加。同樣，當一次電流I1增大時，誤差也會越大。筆者認為，電流互感器準確極限系數(shù)并不是固定不變的，復(fù)合誤差也會受一次電流I1、負載阻抗Zl及外界環(huán)境的影響而不同。同時，較大的勵磁電流Ij將會產(chǎn)生很大的功率Ij×U1，這個功率會使CT產(chǎn)生較高的熱量，達到一定程度就會導(dǎo)致電流互感器燒毀。

綜上所述，為提高電流互感器的準確性，保證復(fù)合誤差滿足要求，同時，避免短路電流導(dǎo)致電流互感器燒毀，發(fā)生機電事故，在選擇和使用保護用電流互感器應(yīng)符合以下要求：

（1）應(yīng)滿足一次回路的額定電壓、最大負荷電流及短路時的動、熱穩(wěn)定電流的要求。（2）為滿足保護裝置動作可靠性的要求，電流互感器額定準確限值一次電流應(yīng)不小于饋出線路最大短路電流及保護整定一次電流。（3）測量級電流互感器實際二次負載應(yīng)在電流互感器額定負載的25%～100%。