电流互感器饱和问题

电流互感器饱和引起的保护误动分析及试验方法

近年来，广东省内多个发电厂出现过高压厂用变压器或起动-备用变压器在区外故障时或厂用大容量电动机起动时差动保护误动作的情况。究其原因，除个别是因为整定值的问题外，大多数是因电流互感器特性不理想甚至饱和而导致的。 众所周知，设计规程中对电流互感器的选型有严格的规定，要求保护用的电流互感器在通过15倍甚至是20倍额定电流的情况下，误差不超过5%或10%，即不出现饱和。而上面提及的出现差动保护误动的情况，无一例外地都选用了保护级的电流互感器。经过对几个电厂的大容量电动机起动电流的核算，最大容量的电动机起动时电流大概是变压器额定电流的3～5倍，远达不到电流互感器额定电流的15倍。那为什么差动保护还会因为电流互感器饱和而误动呢？

下面就电流互感器的工作原理、工作特性对保护的影响及其检验方法进行探讨。 1电流互感器工作原理简述

电流互感器的工作原理与变压器基本相同，因此可以使用变压器的等值电路分析电流互感器。电流互感器的等值电路如图1所示[1]。图1中，Z1为电流互感器原方漏抗，Z2为电流互感器副方漏抗，ZL为电流互感器二次回路的负载阻抗，其 次侧的参量。

正常运行时，漏抗Z1和Z2很小，负载阻抗ZL也很小，而励磁阻抗Zm因为电流互感器铁心磁通不饱和而很大。因此，可忽略励磁电流Im。根据磁势平衡原理，原、副方电流成固定的比例关系为其中N1和N2分别为原、副方绕组匝数。

当铁心磁通密度增大至饱和时，励磁阻抗Zm会随着饱和的程度而大幅下降。此时Im已不可忽略，即I1与I2不再是线性的比例关系。

电流互感器饱和的原因有两种[2]：一是一次电流过大引起铁心磁通密度过大；二是二次负载（即ZL）过大，在同样的一次电流下，要求二次侧的感应电动势增大，也即要求铁心中的磁通密度增大，铁心因此而饱和。原、副方绕组感应电动势有效值与磁通的关系为 

2确定电流互感器饱和点的方法 要研究电流互感器的工作特性，确认其在保护外部故障通过大电流时是否会饱和而影响保护动作的正确性，可通过一些试验方法进行检测。

显然，最直接的试验方法就是二次侧带实际负载，从一次侧通入电流，观察二次电流找出电流互感器的饱和点。但是，对于保护级的电流互感器，其饱和点可能超过15～20倍额定电流，当电流互感器变比较大时，在现场进行该项试验会有困难。

除此之外，还可通过伏安特性试验测出电流互感器的饱和点。如前所述，电流互感器饱和是由于铁心磁通密度过大造成的，而铁心的磁通密度又可通过电流互感器的感应电动势反映出来。因此由伏安特性曲线上的饱和电压值，通过式[3]（1）可以计算出电流互感器的饱和电流。伏安特性的试验方法为：原方开路，从副方通入电流，测量副方绕组上的电压降。由于电流互感器的原方开路，没有原方电流的去磁作用，在不大的电流作用下，铁心很容易就会饱和。因此，伏安特性试验并不需要加很大的电流，在现场较容易实现。

3试验

以一次电流互感器的试验为例，说明通过伏安特性试验确定电流互感器饱和点的方法。 试验的电流互感器的额定变比为300 A /5 A，二次额定负载为0.2Ω。 3.1电流互感器变比试验

用电阻约为0.2Ω的导线短接电流互感器副方绕组，从原方通入电流并逐渐加大直至副

方电流明显呈饱和状态。试验中除测量原、副方电流外，同时测量副方绕组的端口电压。试验接线如图2，其中的电压表为高内阻表。试验数据见表1，图3是根据表1数据所描的曲线。

从试验数据可知，当一次电流达到800 A（2.67In）时，电流互感器开始饱和，此时副方的端口电压为3.7 V。

3.2电流互感器伏安特性试验

电流互感器原方开路，从副方绕组通入电流，测量副方绕组上的电压降。试验数据见表2，图是根据表2数据所描的曲线。

从图可知，饱和电动势Esat约为 V。亦即该电流互感器在带约0.3Ω负载时，未计电流互感器内阻Z2，其饱和电流倍数约为4 V/(0.3Ω×5 A)=2.76。此计算的饱和倍数与电流互感器变比试验的数据是吻合的，伏安特性试验饱和时的端口电压比变比试验的饱和电压略高是因为后者有电流互感器内阻（Z2）分压导致的。

由上述试验可知，通过伏安特性试验找到电流互感器的饱和电势E2后，可由式（1）算出饱和电流，此时ZL为电流互感器二次回路上实际的负载阻抗，Z2可近似看成是电流互感器的内阻。该内阻数据可由生产厂家提供，也可按变压器短路阻抗的试验方法测得。显然，对于同样的电流互感器参数，负载阻抗越大，其饱和电流的倍数就越小。 4结论

为了避免变压器差动保护的电流互感器在区外故障时或大容量电动机起动时因电流过大出现饱和而导致差动保护误动作，除了在设备选型上要确保选用容量足够的保护级电流互感器外，还可根据电流互感器的伏安特性曲线和现场实测的电流互感器二次回路负载阻抗计算出电流互感器的饱和点，以此推算出在最大可能出现的穿越电流作用下，电流互感器是否会饱和以及差动保护是否会误动作。如计算结果显示电流互感器确会因较大穿越电流而饱和，则应更换更大容量的电流互感器，或将电流互感器二次回路的电缆截面加粗，以减小二次负载的阻抗，保证差动保护的可靠性。

1. 电流互感器的饱和

前面我们讲到电流互感器的误差主要是由励磁电流Ie引起的。正常运行时由于励磁阻抗较大，因此Ie很小，以至于这种误差是可以忽略的。但当CT饱和时，饱和程度越严重，励磁阻抗越小，励磁电流极大的增大，使互感器的误差成倍的增大，影响保护的正确动作。最严重时会使一次电流全部变成励磁电流，造成二次电流为零的情况。引起互感器饱和的原因一般为电流过大或电流中含有大量的非周期分量，这两种情况都是发生在事故情况下的，这时本来要求保护正确动作快速切除故障，但如果互感器饱和就很容易造成误差过大引起保护的不正确动作，进一步影响系统安全。因此对于电流互感器饱和的问题我们必须认真对待。 互感器的饱和问题如果进行详细分析是非常复杂的，因此这里仅进行定性分析。 所谓互感器的饱和，实际上讲的是互感器铁心的饱和。我们知道互感器之所以能传变电流，就是因为一次电流在铁芯中产生了磁通，进而在缠绕在同一铁芯中上的二次绕组中产生电动势U＝4.44f*N*B*S×10-8。式中f为系统频率，HZ；N为二次绕组匝数；S为铁芯截面积，m2；B为铁芯中的磁通密度。如果此时二次回路为通路，则将产生二次电流，完成电流在一二次绕组中的传变。而当铁芯中的磁通密度达到饱和点后，B随励磁电流或是磁场强度的变化趋于不明显。也就是说在N,S,f确定的情况下，二次感应电势将基本维持不变，因此二次电流也将基本不变，一二次电流按比例传变的特性改变了。我们知道互感器的饱和的实质是铁芯中的磁通密度B过大，超过了饱和点造成的。而铁芯中磁通的多少决定于建立该磁通的电流的大小，也就是励磁电流Ie的大小。当Ie过大引起磁通密度过大，将使铁芯趋于饱和。而此时互感器的励磁阻抗会显著下降，从而造成励磁电流的再增大，于是又进一步加剧了磁通的增加和铁芯的饱和，这其实是一个恶性循环的过程。从图1中我们可以看到，Xe的减小和Ie的增加，将表现为互感器误差的增大，以至于影响正常的工作。

铁芯的饱和我们可以一般可以分成两种情况来了解。其一是稳态饱和，其二为暂态饱和。

对于稳态饱和，我们可以借助图一进行分析。在图中我们可以知道，Ie和二次电流Is是按比例分流的关系。我们假设励磁阻抗Ze不变。当一次电流由于发生事故等原因增大时，Ie也必然会按比例增大，于是铁芯磁通增加。如果一次电流过大，也会引起Ie的过大，从而又会走入上面我们所说的那种循环里去，进而造成互感器饱和。

暂态饱和，是指发生在故障暂态过程中，由暂态分量引起的互感器饱和。我们知道，任何故障发生时，电气量都不是突变的。故障量的出现必然会伴随着或多或少的非周期分量。而非周期分量，特别是故障电流中的直流分量是不能在互感器一二次间传变的。这些电流量将全部作为励磁电流出现。因此当事故发生时伴有较大的暂态分量时，也会造成励磁电流的增大，从而造成互感器饱和。

4.1. 我们以5P20，30VA说明常见的对互感器的标识方法，其中5为准确级（误差极限为5％），P为互感器形式（保护级），20为准确 限值系数（20倍的额定电流），30VA表示额定二次负荷（容量）。简单的说就是互感器额定二次负荷为30VA,额定电流下允许二次负载Zb＝Sb/I2n2。二次额定电流为5A时，Sb＝25Zb；二次额定电流为1A时，Sb＝Zb。5P20表示，在20倍的额定电流下互感器误差不超过5％。

互感器二次额定电流有1A、5A两种。根据4.6的分析我们可以定性的分析得知相同条件下二次额定电流为1A的互感器允许的二次负载比5A的互感器大。因此对于新建设备有条件时宜选用二次额定电流为1A的互感器。尽量避免一个变电站内同一电压等级的设备出现不同的二次额定电流，以免引起公共保护（比如母线差动保护）整定的困难。

防止电流互感器饱和的方法与措施

一)限制短路电流

在已建成中压系统中可在较高一级的电压等级中采取分列运行的方式以限制短路电流。分列运行后造成的供电可靠性的降低可通过备用电源自动投入等方式补救。在新建系统中短路电流过大可采取串联电抗器的做法来限制短路电流。

(二)增大保护级TA的变比

不能采用按负荷电流大小来确定保护级电流变比,必须用继电保护装置安装处可能出现的最大短路电流和互感器的负载能力与饱和倍数来确定TA的变比。

增大了保护级TA的变比后会给继电保护装置的运行带来一些负面影响,主要是不利于TA二次回路和继电保护装置的运行监视。例如:在10kV系统中,一台400 kVA的站用变压器(这个容量已相当大了),带60%负荷运行时的电流为13.8 A,按最大短路电流核算选取的保护级电流互感器变比为600/5,则折算到二次侧的负荷电流仅有0.115A。对于额定输入电流为5A的继电器来讲,这个电流实在太小了,若发生二次回路断线是难以监视和判断的。

(三)减小电流互感器的二次负载 1. 选用交流功耗小的继电保护装置

一般的电磁型的电流差动继电器的交流电流功耗每回路可达8VA,而微机型继电器(如MDM-B1系列)的交流电流功耗每回路仅0.5VA,相差一个数量级,应选用交流功耗小的继电保护装置。

2. 尽可能将继电保护装置就地安装

TA的负载主要是二次电缆的阻抗,将继电保护装置就地安装,大大缩短了二次电缆长度,减小了互感器的负担,避免了饱和。另外,就地安装后,还简化了二次回路,提高了供电可靠性。就地安装方式对继电保护装置本身有更高的要求,特别是在恶劣气候环境下运行的能力和抗强电磁干扰的性能要好。

3. 减小TA的二次额定电流

由于TA的功耗与电流的平方成正比,因此将TA二次额定电流从5A降至1A,在负载阻抗不变的情况下,相应的二次回路功耗降低了25倍,互感器不容易饱和。

减小了TA的二次额定电流也会对继电保护装置产生负面影响。二次电流减小后,必须提高继电器的灵敏度,而灵敏度和抗干扰能力是一对矛盾。对于就地安装的继电保护装置,由于二次电流电缆的长度很短,现场的电磁干扰水平又比较高,仍以选用二次额定电流为5A的互感器为好。

(四)采用杭饱和能力强的继电保护装置

1. 采用对电流饱和不敏感的保护原理或保护判据

例如,采用相位判别原理的继电器比采用幅值判别原理的继电器的抗TA饱和的性能要好,因为即使在严重饱和状态,正确地恢复电流的相位还是比较容易的;又如,采用负序过电流判据比采用正相过电流判据的抗饱和性能要好,因为饱和状态下剩余电流的负序分量相对于灵敏的负序电流整定值是足够大的。当然,负序电流保护存在着TA二次回路断线时容易误动作、三相对称故障时会拒动、不易整定配合的缺点,要增加附加判据来克服。

2. 用对TA饱和不敏感的数字式保护装置

如前所述,瞬时值判别比平均值判别或有效值判别的抗TA饱和的性能要好。对于带时限的保护,电流的非周期分量对继电器的动作正确性和准确性的影响不大,采用全电流判别比采用工频分量判别的抗TA饱和性能要好。

3. 有效地利用电流不饱和段的信息

TA在电流换向后的一段时间内不饱和,在短路开始的1/4周期内也不饱和,可以有效地加以利用。采用快速保护判据,在电流饱和前就正确地作出判断(例如高阻抗电流差动继电器)是一种典型的抗TA饱和做法。采用贮能电容或无源低通滤波器对饱和电流波形进行削峰填谷以缩小电流波形的间断角也是一种简单有效的办法。

电流互感器饱和对保护的影响

1、对电流保护的影响

电流保护的判据：Ij大于Iz

式中Ij为流入继电器的短路电流二次值，Iz为电流继电器的定值

电流互感器饱和后，二次等效动作电流Ij变小，可能会引起保护拒动，这一点在电流速断保护中尤为显著。电流互感器严重饱和后，一次电流全部转化为励磁电流，二次感应电流为零，则流过电流继电器的电流为零，保护装置拒动。

2、对母线差动保护的影响

根据电流互感器饱和的特征，可知出现故障时，由于铁芯中的磁通不能发生突变，电流互感器不能立即进入饱和区，而是存在一个3—5ms的线性传递区。当母线上故障，差动元件中的差流与故障电压和故障电流同时出现；当母线保护区外故障，而某组电流互感器饱和时，差动元件中的差流比故障电压和故障电流晚出现3—5ms。

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