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电流互感器铁芯饱和产生的原因

作者:威博特铁芯   发布时间:2018-08-10 17:13      浏览次数:
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    电流互感器是用于测量电力系统正常运行和故障状态下一次电流的设备,电流互感器输出的二次侧电流是电力系统计量设备,自动化设备,继电保护装置运行的基础,二次电流输出的准确与否,直接关系到电力系统的安全稳定运行。在正常工作电流下,电流互感器工作在不饱和状态,二次电流能够正确反映一次电流的波形和幅值,为测量和保护设备提供正确的信息;但当电力系统发生故障,故障电流远超过正常工作电流,特别是含有较大的非周期分量时,电流互感器将很快达到饱和,互感器无法正常传变一次电流,二次电流幅值大大减小,造成保护装置动作性能下降,引起继电保护拒动或误动。
    造成电流互感器铁芯的原因主要有以下几方面:
    第一,电力系统最初设计的电流互感器容量只考虑了当时的系统容量,能保证当时的条件下发生系统故障时互感器不饱和。然而随着近年来系统规模的扩大,原来电流互感器的容量已经不能满足新的系统需求,互感器设备更新速度又跟不上,就导致不饱和的互感器在新的情况下发生饱和。第    二,电力系统发生故障时,故障
电流不仅大(有可能达到正常额定电流的几十倍),而且含有大量的非周期分量,非周期分量的存在使铁芯被大幅度单方向励磁,导致电流互感器饱和。
    第三,传统的电流互感器由于制造工艺的限制,无法消除故障切除时互感器的剩磁,如果恰好剩磁极性同故障电流所产生的磁场极性相同时,也会导致电流互感器铁芯饱和,造成电流互感器的二次电流发生畸变。
    这里结合电流互感器饱和实例,介绍了电流互感器饱和的原理和过程,分析了电流互感器饱和对相关继电保护的影响,提出了几种减少电流互感器饱和对继电保护影响的方法。

 
1、电流互感器铁芯的饱和实例
    
2012年3月1日10时45分23秒,北方某电厂第一套保护发电 机 差 动 保 护 动 作,录 波 显 示 发 电 机 B 相差动电流超过启动值,发跳机指令,第二套保护运行正常。发电机差动动作时的录波如图1~图4所示。事故分析,事实上当时发电机内部无故障,也没有发生发电机差动保护范围内的区内故障。后经仔细检查发现,发电机机端电流互感器 B相至第一套保护装置的二次线有部分松动,导致本组电流互感器的二次负载增大。
    电流互感器的饱和实例图
电流互感器的饱和实例图
    
2、电流互感器铁芯饱和产生的原因
    
电流互感器的饱和分为暂态饱和和稳态饱和,其中暂态饱和存在的主要原因有两个:一是故障切除后电流互感器普遍存在的铁芯剩磁,铁芯剩磁能使互感器在一次电流大于正常电流时很快达到暂态饱和;二是电力系统发生短路故障时,短路电流中大量存在非周期分量,而电互感器是安装工频特性设计的,在传变非周期分量的过程中,互感器的励磁电流迅速增大使互感器很快达到暂态饱和。通常这种情况下的二次电流小于故障电流;稳态饱和则是由于电流互感器设计的容量有限,发生故障时故障电流能达到几十倍甚至上百倍的正常工作电流,此时,电流互感器已经工作在它的饱和区域,此时电流互感器的传变特性已经发生改变,不能正常的反应一次电流的实际工况。无论是暂态饱和还是稳态饱和,电流互感器的二次电流输出都比正常值偏小。
    ①、
电流互感器稳态饱和特性
    引起电 流 互 感 器 稳 态 饱 和 的 原 因 是 流 过 互 感 器一次侧的稳态对称电流,当电流大于一定值时,电流互感器二次侧产生的电动势也将超过一定值时,引起互感器铁芯出现饱和。这种饱和情况下的二次电流波形如图5所示,其特点是:畸变的二次电流正负半波大体对称,呈脉冲型。因此对于反映电流有效值的保护,如过流保护和负序电流保护等,饱和将使保护灵敏度降低。对于差动保护,差电流则取决于两侧互感器饱和特性的差异。
互感器铁芯稳态饱和曲线
    ②、电流互感器的暂态饱和特性
      
剩磁引起电流互感器饱和
    
系统发生故障时,如果断路器在断开故障电流的瞬间,故障电流正好过零点,且二次回路的负荷时纯电感性时,则此时对应电流互感器的二次侧感应电压为最大值,磁通为0,因此互感器不产生剩磁。而现在普遍 使用的微机型继电保护装置,保护本身的功率消耗很小,电流互感器的主要负载取决于连接电缆,因此二次回路的负载性质为电阻性负荷。二次回路的负荷为电阻性,导致故障切除后,电流互感器中还存在大量的剩磁,并且可能接近峰值。
    
剩磁一旦产生,正常工况下不会自行消除。正常运行时,由于电流小,磁通的变化范围不大在剩磁周围的小磁滞回线上工作,并不影响正常运行时电流的正确传变,如图6所示。
主磁滞回线和小磁滞回线
    剩磁的大小可用剩磁系数 Kr 表示,其为剩磁通密度Br 和饱和磁通密度Bs 之比,即 Kr=Br/Bs.文献列举了一个230kV 系统141组电流互感器的调查结果如表1所示。可见各种程度的剩磁存在概率都是很大的。当发生故障时,磁通变化的起始点在剩磁周围的小磁滞回线上,若要求磁通向着靠近饱和方向变化,则互感器很快进入饱和点,时间约为毫秒级。降低剩磁的方法有两类:一类是继电保护装置具备减缓保护影响的能力;另一类是选择新型的电流互感器。
剩磁调查结果表
      非周期分量引起电流互感器饱和
    
一次系统非周期分量电流的存在对电流互感器传变的影响严重,可能引起铁芯高度饱和,具体过程分析如下:当电流互感器一次电流含有直流分量且铁芯仍是线性而不考虑剩磁时,电流互感器励磁电流达到最大的时间为:
    由表达式(1)可知:当一次电流包含长时间的非周期分量时,电流互感器发生饱和的时间与与 T1,T2 有关。式中:T1 为一 次 系 统 时 间 常 数;T2 为 二 次 系 统 回路时间常数。这主要是由电流互感器的励磁回路是一个大电感决定 的,故 障 发 生 时,按 T1 衰减的一次电流非周期分量突然作为励磁电流,为满足电流互感器励磁电感中电流不能突变的要求,二次回路必产生自由直流分量,来保 证 电 感 电 流 不 能 突 变。此自由直流分量按T2 衰减,于是出现了励磁电流按一定规律延时上升的现象。
    
虽然直流励磁电流不产生变化磁通,但是能作为励磁电流改变铁芯的工况。如果非周期分量存在时间 T2长,则很容易使互感器出现暂态饱和,其励磁电流的Iu的上升变化如图7所示。电流互感器的暂态饱和过程是铁芯磁链随着一次电流非周期分量的时间积分作用而逐渐进入饱和的过程。即电流互感器一开始能够线性传变一次 信 息,随 着 时 间 推 移,传 变 特 性 越 来 越 差。该结论已被许多电流差动保护所采用。
一次电流和磁通,二次电流和励磁电流的波形