磁閥式電流互感器暫態(tài)特性研究

劉召杰 衛(wèi)思明 陳柏超 張哲璇 吳煜文

摘要：電流互感器（CT）飽和是保護(hù)裝置誤動的原因之一，現(xiàn)基于傳統(tǒng)電流互感器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種新型磁閥式電流互感器（MVCT），MVCT輸出不依賴于電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且不受剩磁的影響。仿真與實驗結(jié)果表明，MVCT可以測量短路電流、勵磁涌流與和應(yīng)涌流等可能導(dǎo)致保護(hù)誤動作的瞬態(tài)電流。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù);磁閥式電流互感器（MVCT）;剩磁;短路電流;勵磁涌流;和應(yīng)涌流

中圖分類號：TM930.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.001

0? ? 引言

電流互感器的傳變性能對繼電保護(hù)具有非常重要的影響。保護(hù)用電流互感器飽和的主要原因包括：含有衰減緩慢的直流分量的暫態(tài)短路電流和變壓器勵磁涌流導(dǎo)致的電流互感器飽和以及斷開故障電流及重合閘過程在鐵芯殘留的剩磁導(dǎo)致的電流互感器飽和[1]。故電流互感器的飽和補償方法與新型電流互感器的研究仍是廣受關(guān)注的熱點。

本文在已有的研究基礎(chǔ)[2-3]上詳細(xì)分析了MVCT的工作原理與工作狀態(tài)，并通過一系列的仿真與實驗研究了MVCT在測量短路電流、勵磁涌流與和應(yīng)涌流時的暫態(tài)特性。

1? ? MVCT基本原理

如圖1與圖2所示，MVCT主要由含磁閥結(jié)構(gòu)的鐵芯、一次繞組N1、二次繞組N2、二次負(fù)載R2、磁場傳感器與信號處理單元組成[2]。其中，MVCT鐵芯包括截面積保持不變的主鐵芯與截面積較小的磁閥鐵芯，主鐵芯高度為h，平均長度為lm，磁閥鐵芯高度為kh，平均長度為lv;磁場傳感器放置在鐵芯切口中，用于測量切口中的磁場強度Hi，并將磁場強度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號;二次負(fù)載為純阻性負(fù)載，連接至二次繞組。MVCT的信號處理單元將去除直流偏置信號后的磁場傳感器輸出信號進(jìn)行比例放大，再與二次負(fù)載電壓信號進(jìn)行相加;信號處理單元的輸出即MVCT的總輸出。i1、i2分別代表一次電流、二次電流，Bm、Hm分別代表主鐵芯的磁感應(yīng)強度與磁場強度，Bv、Hv分別代表磁閥鐵芯的磁感應(yīng)強度與磁場強度，Bi、Hi分別代表切口的磁感應(yīng)強度與磁場強度，μr、μ0分別代表相對磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率。

當(dāng)N1=1時，根據(jù)安培環(huán)路定理得：

Hmlm+Hvlv=i1-N2i2（1）

根據(jù)磁通連續(xù)性得：

Bm=kBv+（1-k）Bi（2）

根據(jù)磁勢連續(xù)性得：

Hvlv=Hilv（3）

本文使用如圖3所示基本磁化曲線表示磁感應(yīng)強度B與磁場強度H的關(guān)系：

Bm=μr μ0Hm（4）

Bv=μr μ0Hv（5）

Bi= μ0Hi（6）

聯(lián)立式（1）～式（6）得：

i1=N2i2+klm

+lm+lvHi（7）

其中，A=klm+lm+lv為補償系數(shù)。

式（7）中，N2、i2、lm、lv與k均為已知;相對磁導(dǎo)率μr可通過實驗測得，也可由生產(chǎn)廠家給出;切口磁場強度Hi可以通過磁場傳感器檢測到。故當(dāng)磁場傳感器誤差較小且靈敏度較高時，MVCT較傳統(tǒng)電磁式電流互感器可以更精確地測得一次電流i1。即使當(dāng)磁閥鐵芯進(jìn)入飽和從而使二次電流發(fā)生畸變時，經(jīng)磁場傳感器輸出的補償信號補償后的MVCT依然可以測得全電流。

2? ? 仿真分析

本文使用COMSOL建立有限元模型仿真研究MVCT的工作原理與特性。其中，MVCT鐵芯磁化曲線使用實測數(shù)據(jù)，忽略漏感與鐵芯損耗并將二次負(fù)載設(shè)置為純阻性負(fù)載。具體仿真參數(shù)如表1所示，仿真模型如圖4所示。切口氣隙與磁閥鐵芯中磁感應(yīng)強度與磁場強度選擇相應(yīng)的體中心點數(shù)據(jù)。

2.1? ? 暫態(tài)短路電流仿真分析

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路一次電流瞬時值如下：

ip=Ipe

cos θ-cos（ωt+θ）（8）

實際中，影響電流互感器暫態(tài)特性的參數(shù)主要是短路時初始電壓的相角θ、一次系統(tǒng)時間常數(shù)Tp與剩磁Br等[4]。

2.1.1? ? 全偏移電流

當(dāng)θ=0，短路電流全偏移，對CT的影響最嚴(yán)重。取Ip=370 A，Tp=100 ms，f=50 Hz，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5中，二次電流在一次電流達(dá)到峰值前已發(fā)生畸變;而經(jīng)補償信號補償過的MVCT輸出信號已可以較好地跟蹤一次電流的變化。

2.1.2? ? 時間常數(shù)Tp

我國生產(chǎn)并使用的300～600 MW汽輪發(fā)電機組時間常數(shù)高達(dá)300 ms[4]，故保持其他參數(shù)不變，Tp=300 ms時的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6中，二次電流相對于時間常數(shù)Tp=100 ms時的畸變更為嚴(yán)重。經(jīng)補償信號補償過的MVCT的輸出信號依然可以較好地跟蹤一次電流的變化。

2.1.3? ? 剩磁Br

當(dāng)故障發(fā)生使得保護(hù)裝置動作后，鐵芯中將會存在大量的剩磁，剩磁一旦產(chǎn)生并不會顯著降低。如果再發(fā)生第二次故障，且非周期分量產(chǎn)生的瞬態(tài)磁通與剩余磁通的方向一致，CT將更迅速地飽和。在超高壓系統(tǒng)中，保護(hù)加斷路器動作時間一般為40 ms[4]。采用重合閘時，一次短路電流從切斷起到其重復(fù)出現(xiàn)時的時間間隔約為400 ms，故取t′=0.04 s，tfr=0.4 s，其他參數(shù)保持不變，仿真結(jié)果如圖7所示。

如圖7所示，當(dāng)鐵芯中含有剩磁時，電流互感器二次電流畸變程度加重。但在兩次針對短路電流的測量過程中，MVCT輸出波形均與一次電流波形保持一致，未受到剩磁的影響。

面對時間常數(shù)較大的發(fā)電機系統(tǒng)或考慮重合閘的二次工作循環(huán)時，工程上常常通過成倍地增加互感器鐵芯截面積來提高暫態(tài)面積系數(shù)，以防止其暫態(tài)飽和。但MVCT可以補償因鐵芯暫態(tài)飽和導(dǎo)致畸變的二次電流，故使用MVCT可以在一定程度上減小保護(hù)用電流互感器的體積。

2.2? ? 浪涌電流仿真分析

當(dāng)空載變壓器接通電源時，浪涌電流可能達(dá)到變壓器標(biāo)稱電流的數(shù)倍，與變壓器內(nèi)部故障電流一樣高?？胀队苛髦械姆侵芷诜至苛鬟^系統(tǒng)電阻，導(dǎo)致公共節(jié)點上電壓的非周期波動，會引起相鄰變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流。勵磁涌流與和應(yīng)涌流特性復(fù)雜，不容易被預(yù)測且難以量化分析[5]。故本文首先按照圖8在MATLAB中搭建了仿真模型，再將仿真得到的相關(guān)電流作為一次電流導(dǎo)入COMSOL中進(jìn)行仿真分析。

2.2.1? ? 勵磁涌流

電流互感器的傳變特性影響變壓器差動保護(hù)的勵磁涌流識別判據(jù)是否有效。當(dāng)一次電流為勵磁涌流ie時，仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，受勵磁涌流直流含量的影響，傳統(tǒng)電磁式電流互感器的鐵芯進(jìn)入飽和;二次電流在第一個周期內(nèi)未發(fā)生明顯畸變，但在第二個周期開始發(fā)生明顯畸變;但經(jīng)補償信號補償過的MVCT輸出信號可以較好地跟蹤一次電流的變化。

2.2.2? ? 和應(yīng)涌流

和應(yīng)涌流主要分為兩種：并聯(lián)和應(yīng)涌流與串聯(lián)和應(yīng)涌流，本文只討論并聯(lián)和應(yīng)涌流。當(dāng)一次電流為和應(yīng)涌流is時，仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，二次電流在前七個周期內(nèi)未發(fā)生明顯畸變，但第八個周期開始發(fā)生明顯畸變;經(jīng)補償信號補償過的MVCT輸出信號已可以較好地跟蹤一次電流的變化。

工程實際中，對勵磁涌流與和應(yīng)涌流的識別依然主要是利用波形對稱判據(jù)、二次諧波含量判據(jù)與間斷角判據(jù)等，但電流互感器暫態(tài)飽和導(dǎo)致的二次電流畸變會影響上述判據(jù)的可靠性[6]，進(jìn)而可能導(dǎo)致保護(hù)裝置特別是變壓器差動保護(hù)的誤動作。而MVCT輸出信號在一定范圍內(nèi)可以很好地還原一次電流，從而使得保護(hù)系統(tǒng)對涌流識別的可靠性有所增加。

3? ? 實驗結(jié)果與分析

3.1? ? 暫態(tài)短路電流測量實驗

為了進(jìn)一步驗證MVCT測量暫態(tài)短路電流的能力，本文搭建了如圖11所示的實驗平臺以模擬線路接地短路故障。其中電阻R阻值為1 Ω，電感L值為65 mH，負(fù)載阻值為45 Ω。閉合開關(guān)Ⅱ后的實驗結(jié)果如圖12所示。

如圖12所示，二次負(fù)載電壓在短路故障發(fā)生后的七個周期內(nèi)發(fā)生明顯畸變，而磁場傳感器輸出的補償信號恰在鐵芯飽和二次電流發(fā)生畸變時“驟升”。MVCT輸出信號可以較好地跟蹤一次電流信號。

3.2? ? 含有剩磁的暫態(tài)短路電流測量實驗

限于實驗條件，在實驗中使用圖13所示電路產(chǎn)生剩磁。其中，交流回路中，電阻阻值為1 Ω，電感值為10 mH;直流回路電源電壓為5 V，電阻R2阻值為1 Ω，匝數(shù)為1匝。合閘開關(guān)Ⅲ并通電較長時間;在斷開開關(guān)Ⅲ的同時，依次合閘開關(guān)Ⅰ與開關(guān)Ⅱ，觀察電流信號波形。

圖14中，二次電流相對于圖12時的畸變更為嚴(yán)重。經(jīng)磁閥補償信號補償過的MVCT的輸出信號依然可以較好地跟蹤一次電流的變化。

3.3? ? 勵磁涌流測量實驗

本文搭建了如圖15所示的實驗平臺以驗證MVCT測量勵磁涌流的性能。其中采樣電阻阻值均為1 Ω，變壓器Ⅰ容量為1 kVA，變壓器Ⅱ容量為2.3 kVA，一次側(cè)額定電壓均為220 V，變比均為1：1，實際市電電壓有效值為240 V。

閉合開關(guān)以產(chǎn)生勵磁涌流。如圖16所示，測量勵磁涌流時，電流波形偏向于坐標(biāo)軸的一側(cè)，直流含量較高，二次電流在合閘后發(fā)生嚴(yán)重畸變，但MVCT輸出依然可以較好地還原一次電流。

4? ? 結(jié)語

本文提出的MVCT克服了傳統(tǒng)CT存在電磁飽和的問題，具備良好的暫態(tài)傳變特性，可以實現(xiàn)故障電流全波形的測量。MVCT原理簡單，成本較低，有望在繼電保護(hù)領(lǐng)域得到較好的推廣應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 黃楊明，林浩勤，吉宏浩，等.電流互感器飽和的校核方法及應(yīng)用[J].機電信息，2016（15）：20-23.

[2] 吳煜文，田翠華，吳凡，等.磁閥式電磁型電流互感器[J].高電壓技術(shù)，2020，46（9）：3154-3163.

[3] 官瑞楊，魏新勞，王永紅，等.鐵芯電抗器氣隙邊緣效應(yīng)計算及影響因素[J].電機與控制學(xué)報，2018，22（4）：81-88.

[4] 袁季修，盛和樂，吳聚業(yè).保護(hù)用電流互感器應(yīng)用指南[M].北京：中國電力出版社，2004.

[5] FONSECA W S，LIMA D S，LIMA A K F，et al.Analysis of structural behavior of transformers winding under inrush current conditions[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2018，54（3）：2285-2294.

[6] 張運馳，高厚磊，杜士昌.基于綜合形態(tài)算法的變壓器勵磁涌流識別方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2021，45（24）：165-173.

收稿日期：2021-12-31

作者簡介：劉召杰（1980—），男，上海人，高級工程師，研究方向：新型控制系統(tǒng)。