電磁式電流互感器飽和特性研究 電氣工程及其自動化

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1、 題 目 電磁式電流互感器飽和特性研究 學(xué) 院 電氣工程學(xué)院 摘要 電磁式電流互感器是一種以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，具有勵磁特性，這種勵磁特性是非線性的，能夠變換電流并且普遍應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。當(dāng)出現(xiàn)較大故障電流時，特別是非周期性成分和鐵芯的剩余磁性，會導(dǎo)致明顯的磁飽和勵磁電流增加，從而使得電流互感器性能下降，這是由于繼電器針對兩次電流畸變而產(chǎn)生的保護(hù)作用而導(dǎo)致的。互感器是測量用的變壓器，又稱儀用變壓器，多數(shù)是應(yīng)用在擴大儀表的測量范圍，也分為電壓互感器和電流互感器兩種。測量大電流時，因

2、導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場會對儀表帶來附加影響，故不能采用直接式電流表，用分流器來擴大量限時，分流電阻的功耗頗大，故通常用電流互感器來擴大電流表的測量。電流互感器是工作于低磁感應(yīng)強度的鐵芯變壓器。由原、副繞組繞在鐵芯上構(gòu)成，而副繞組匝數(shù)很多，所接電流表內(nèi)電阻很小。所以電流互感器實質(zhì)上是一個短路運行的升壓變壓器，是一種將大電流轉(zhuǎn)換為小電流的升壓變壓器。電流互感器在工作時，由于電磁的影響會對電網(wǎng)工作產(chǎn)生較大的影響。 關(guān) 鍵 詞：電流互感器 傳變特性 飽和特性 Abstract Electromagnetic current transformer is a kind of excitation

3、 characteristic based on the principle of electromagnetic induction, which is non-linear, can change the current and is widely used in power system. When there is a large fault current, particularly is a periodic components and residual magnetic core, can lead to obvious magnetic saturation excitati

4、on current is added, so as to make the current transformer performance degradation, it is the result of the relay in view of the two current distortion of protection. Transformers are measurement transformers, also known as instrument transformers, most of which are used to expand the scope of measu

5、rement instruments, also divided into voltage transformers and current transformers. When measuring high current, because of the wire around the magnetic field can influence on additional instrument, therefore cannot use ammeter directly, with shunt to expand the amount limit, power consumption of t

6、he shunt resistance is rather large, so usually use current transformer to expand the current meter measurement. Current transformer is an iron core transformer with low magnetic induction intensity. It consists of primary and secondary windings wound around the iron core, while secondary windings h

7、ave many turns and the resistance of the connected ammeter is small. Therefore, the current transformer is essentially a short circuit booster transformer, which converts large current into small current. When the current transformer is working, the electromagnetic influence will have a great influe

8、nce on the work of the power grid. Key words: Electromagnetic transformer Throughout the features Saturation characteristic III 目錄 摘要 II 1 前言 1 1.1 課程題目的探討 1 1.2 課題研究現(xiàn)狀 2 1.3 論文主要內(nèi)容 2 2電流互感器 4 2.1 電流互感器的結(jié)構(gòu) 4 2.1.2 電流互感器的原理 7 2.2 電磁式電流互感器存在的問題 9 2.2.1 電磁式電流互感器存在的缺陷 9 2.2.2電流互感器

9、飽和對繼電保護(hù)的影響 10 2.2.3防止電流互感器飽和的方法與措施 11 2.3 電流互感器傳變特性 12 2.3.1 穩(wěn)態(tài)傳變特性試驗分析 12 2.3.2 暫態(tài)傳變特性試驗分析 12 2.4 小結(jié) 13 3 結(jié)論與展望 14 參考文獻(xiàn) 15 1 前言 1.1 課程題目的探討 電力工業(yè)是國家發(fā)展支柱行業(yè)，與國民經(jīng)濟健康發(fā)展息息相關(guān)。從社會利益而言，電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行意義重大。近年來，國家支持電力系統(tǒng)的發(fā)展，對其投入大量的資金、人力，但安全問題是懸掛在電力系統(tǒng)上的一把利劍，特別是電力系統(tǒng)規(guī)模在不斷發(fā)展壯大，從而是維護(hù)與檢測成為重中之重，如何穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟的運

10、行電力系統(tǒng)，是值得思考的問題。 作為最基本的電氣設(shè)備之一，電流互感器可以實時測量負(fù)載和故障電流。電力系統(tǒng)的安全可靠運行，與電流互感器在準(zhǔn)確度與可靠性上具有很強的依賴性；在電力測量、電力監(jiān)控和繼電保護(hù)等領(lǐng)域，電流互感器憑借其獨特性能有廣泛的應(yīng)用。 對一次電流的真實響應(yīng)，是繼電保護(hù)對電流互感器的基本要求。在面對故障電流之時，對電流互感器的要求是要及時且正確反應(yīng)故障電流的大小、相位和波形。電磁式電流互感器是一種核心耦合，且以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，具有非線性的勵磁特性，能夠變換電流并且普遍應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)較大故障電流時，特別是非周期性成分和鐵芯的剩余磁性，會導(dǎo)致明顯的磁飽和勵磁電流增加，從而

11、使得電流互感器性能下降，這是由于繼電器針對兩次電流畸變而產(chǎn)生的保護(hù)作用而導(dǎo)致的。據(jù)有關(guān)資料顯示，如寧夏電網(wǎng)和西北電網(wǎng)220kV及以上電網(wǎng)電流互感器均以P 級為標(biāo)準(zhǔn)配置，總數(shù)量在10000 支以上。其中以最大穩(wěn)態(tài)短路電流來確定P 類電流互感器，穩(wěn)態(tài)飽和在一定的范圍內(nèi)是可行的，保護(hù)裝置本身會產(chǎn)生暫態(tài)飽和，這樣會導(dǎo)致誤差產(chǎn)生；非周期性電流分量是電路系統(tǒng)出現(xiàn)問題時或不正常運轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生故障電流而導(dǎo)致的，在這種情況下，暫態(tài)飽和會消減傳變特性，使得繼電器常常發(fā)生保護(hù)誤動。如2010 年11月17 日19 時20 分，徐家莊330kV 變電站內(nèi)發(fā)生A 相TA 一次絕緣擊穿和母線接地故障，川徐I 線第二套主保

12、護(hù)在I 母線A 相接地故障時，差動保護(hù)動作。鑒于此電流互感器性能下降，會導(dǎo)致電網(wǎng)保護(hù)出現(xiàn)誤啟動，從而影響電網(wǎng)線路正常工作，造成較大的經(jīng)濟損失。 短路電流也伴隨著系統(tǒng)規(guī)模的日益發(fā)展，系統(tǒng)短路電流水平不斷攀升。發(fā)生的幾率在不斷的增加，飽和問題愈來愈嚴(yán)重，尤其是電磁式電流互感器經(jīng)常性的影響繼電器的正常工作，產(chǎn)生十分不利的影響。因此，對其飽和特性方面進(jìn)行研究是十分必要的。在研究電流互感器飽和特性的方法和手段中，采用物理試驗是最直接和有說服力的，但是這種方法成本高，可重復(fù)性和可控制性較差，而且由于是大電流試驗，所以存在較大的危險性。而采用計算機建模仿真則是一種即經(jīng)濟有高效的方法和手段。由于電流互感器模

13、型和實際電流互感器的傳變性能必然會在存在一定的偏差，所以如何建立一個能夠很好地模擬實際電流互感器傳變特性的電流互感器模型已成為當(dāng)務(wù)之急，因此，研討電磁式電流互感器的構(gòu)建是非常有價值的。 1.2 課題研究現(xiàn)狀 在電流互感器傳變特性和飽和特征研究方面，關(guān)于電流互感器飽和特性，國內(nèi)外已有了相關(guān)研究，重點是如何繪制電流互感器鐵磁回路曲線，常用的方法為數(shù)值分析法和現(xiàn)場試驗法，但研究成果大多停留在穩(wěn)態(tài)狀況下，主要存在以下問題： 1）數(shù)值分析法能夠繪制電流互感器的普通磁滯回線，并通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對局部（暫態(tài)）磁滯回路曲線進(jìn)行擬合，但該方法目前仍不成熟，不能建立更為精確的電流互感器暫態(tài)模型。 2）現(xiàn)場

14、試驗方法可對電流互感器的測量誤差進(jìn)行檢測，間接地分析電流互感器的飽和特性，但其常用的10%誤差特性曲線法的試驗電流遠(yuǎn)小于一次側(cè)發(fā)生短路時的電流，因此該方法不能分析電流互感器的暫態(tài)傳變特性。 3）對電流互感器在實際大電流，特別是含暫態(tài)非周期分量大電流的傳變特性研究較少。繼電保護(hù)的可靠性和故障診斷的準(zhǔn)確性受電流互感器的暫態(tài)傳變特性影響較大，當(dāng)一次側(cè)出現(xiàn)含較大非周期分量的暫態(tài)故障電流時，P級電流互感器將過飽和，其二次波形失真嚴(yán)重。 4）對差動保護(hù)兩側(cè)電流互感器的傳變一致性研究不足。以變壓器差動保護(hù)為例，兩側(cè)所配電流互感器的變比、準(zhǔn)確級、額定容量的不同都會導(dǎo)致其在暫態(tài)大電流條件下傳變特性的不一致，

15、造成區(qū)外故障誤動作時有發(fā)生。除此之外，還存在不同廠家電流互感器的負(fù)載大小、工況條件、鐵磁材料的老化差異，對互感器飽和特性的影響程度不盡相同，對互感器傳遍特性的研究也造成了困難。 1.3 論文主要內(nèi)容 現(xiàn)有文獻(xiàn)中專門針對電磁式電流互感器飽和特性和建模技術(shù)開展的研究工作還不多，本文圍繞相關(guān)的問題進(jìn)行了全面的分析和研究，主要開展了如下工作： 1）對電磁式電流互感器的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)傳變特性兩方面進(jìn)行分析研究，并且在研究其特性的同時以及分析產(chǎn)生飽和的原因，為研究電磁式電流互感器的建模方法打下基礎(chǔ)。 2）電磁電流互感器模型分為JA模型和盧卡斯模型，基于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD；且在建模理論、

16、建模方法和仿真結(jié)果上應(yīng)用普遍，分析研究了基于RTDS 的電流互感器模型的建模方法，應(yīng)用于繼電保護(hù)測試領(lǐng)域。并與實際電流互感器二次側(cè)電流波形做了對比，研究了模型的仿真準(zhǔn)確度。 （3）構(gòu)建了基于磁化軌跡隨時監(jiān)控的電磁式互感器的數(shù)字模型。對磁化軌跡等建立模型，并進(jìn)一步分析建模方面的基本原理；磁核心的彈道特征，測定磁化軌跡的方法及其表達(dá)方法等構(gòu)成了核心磁化模型建立的全過程，通過鐵心磁化模型，將全電流方程與電磁感應(yīng)方程進(jìn)行耦合，并得出一定的優(yōu)化結(jié)果；然后，計算出數(shù)字模型上的流程圖，并以此為依據(jù)，分析了電磁式電流互感器的磁流變軌跡，并進(jìn)行仿真，通過對兩種電流波形進(jìn)行仿真模擬，驗證結(jié)果的正確性。最后，比較

17、了本文提到的幾種模型所需的參數(shù)和仿真結(jié)果，為讀者在使用這幾種模型時提供了直觀的參考。 17 2電流互感器 2.1 電流互感器的結(jié)構(gòu) 1、普通電流互感器結(jié)構(gòu)原理 　??? 電流互感器的結(jié)構(gòu)相對而言比較簡單,通常情況下包含了殼體、一次繞組，還有鐵心與接線端子等等。觀察變壓的具體結(jié)構(gòu)，我們能發(fā)現(xiàn)，電流互感器與其在很大程度上具有相似性，只是電流互感器中使用的一次繞組使用的具體匝數(shù)低于變壓器，用(N1)來表示，并且該構(gòu)件一般都是與電源線路進(jìn)行非間接性的連接，如果有一次負(fù)荷電流()流經(jīng)，那么這個時候的交變磁通感應(yīng)會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，即引起二次電流()，并且在固定的范圍內(nèi)有所降低；相比而言，

18、我們能夠發(fā)現(xiàn)二次繞組則比變壓器的匝數(shù)(N2)多，同時因為儀表和變送器等各個構(gòu)件中都存在著相應(yīng)的電流線圈，并且存在著二次負(fù)荷(Z)，最終通過串聯(lián)就會產(chǎn)生完整的閉合回路，見圖1。 圖1　普通電流互感器結(jié)構(gòu)原理圖 　因為一次繞組和二次繞組有同樣的安培匝數(shù),I1N1=I2N2，在每一個電流互感器中，都會存在著固定的額定電流比：。在進(jìn)行運轉(zhuǎn)的時候，電流互感器擁有的負(fù)荷阻抗極低，并且其擁有的二次繞組一般情況下都趨向于短路，就好像此時的變壓器本身就是在進(jìn)行短路運行。 2、穿心式電流互感器結(jié)構(gòu)原理 　　穿心式電流互感器擁有的結(jié)構(gòu)有所不同，它不存在一次繞組的情況，其中安裝的載流(此時應(yīng)該確定為負(fù)荷

19、電流)導(dǎo)線通常情況下都會先通過L1，然后再經(jīng)過L2處，最終到達(dá)圓形（也有可能是其它的形狀）鐵心處，該構(gòu)件使用的材料一般為硅鋼片搟卷，通過上述的一系列過程，就能夠形成相當(dāng)于一次繞組的作用。如果要進(jìn)行二次繞組，那么首先需要以圓形鐵心為主，將其進(jìn)行均勻的纏繞，然后和儀表、變送器等其他的各個電流圈相結(jié)合，就能夠產(chǎn)生出完整的閉合電路，見圖2。 圖2　穿心式電流互感器結(jié)構(gòu)原理圖 　　由于穿心式電流互感器不設(shè)一次繞組，其變比根據(jù)一次繞組穿過互感器鐵心中的匝數(shù)確定，穿心匝數(shù)越多，變比越小；反之，穿心匝數(shù)越少，變比越大，額定電流比： 式中I1——穿心一?匝時一次額定電流； 　　n——穿心匝數(shù)。 3

20、、特殊型號電流互感器 ?3.1 多抽頭電流互感器。在該類型中，安裝的一次電阻應(yīng)該保持原有狀況，但是如果需要組裝二次繞組，那么就需要多安裝抽頭，這樣才能夠更好的得到不同變比。其安裝的一次繞組，不管是鐵心還是匝數(shù)都是固定的，并且具體為1,。至于二次繞組，則需要使用絕緣銅線，將其纏繞固定于鐵心上安裝的絕緣筒，對于那些不同變比的，這個時候就能夠準(zhǔn)確的找出并將其進(jìn)行抽頭引出，然后與接線端子座相連接，并在所有的抽頭都應(yīng)該安裝相應(yīng)的接線端子，從而形成變化，如圖3所示。 圖3　多抽頭電流互感器原理圖 　　在二次繞組中，如果多安裝了兩個抽頭，具體K1和K2可以組合成100/5，K1和K3可以組合成

21、75/5，而K3和K4則可以組合成50/5等等。在該類型的電流互感器中，存在著一個顯著的特點，即如果需要對變比進(jìn)行調(diào)整，那么就可以先掌握負(fù)荷電流變比的具體情況，然后改變二次接線端子中相應(yīng)的接線情況，就能夠達(dá)到目的，整個過程未使用電流互感器，具有很大的便利性。 ?3.2 不同變比電流互感器。在該類型的電流互感器中，其不管是鐵心還是一次繞組都是固定為1的，但是二次繞組的情況則不同，匝數(shù)為二，并且相互獨立、互不影響，這樣能夠更好的適應(yīng)當(dāng)負(fù)荷電流確定時，具體的準(zhǔn)確度和變比情況發(fā)生變化的情況，見圖4。 圖4　不同變比電流互感器原理圖 　　比如在同一負(fù)荷的情況下,為了使電能的計量更準(zhǔn)確,變比被要

22、求比較小的一些準(zhǔn)確度的等級要高一點;對于用電設(shè)備的繼電保護(hù),由于故障電流的保護(hù)系數(shù)比較大,所以它的變比較大一些,而準(zhǔn)確度的等級則可以低一點。 ?3.3 一次繞組可調(diào)，二次多繞組電流互感器。對于此類電流互感器，它自身就存在著一些去，如其實際變比量程較多，同時還能夠進(jìn)行變更，通常情況下都出現(xiàn)在高壓電流互感器中。在該類型的電流互感器中，它的一次繞組能夠被具體細(xì)分成兩段，并且對應(yīng)的貫穿于該裝置中的鐵心，在相應(yīng)的二次繞組中，存在著兩個相互獨立的繞組，它們的準(zhǔn)確度等級存在著差異，并且各帶抽頭。在每一個互感器的對應(yīng)外側(cè)，都會存在著連接片裝置，這個時候再將一次繞組與其進(jìn)行連接，適度的調(diào)整連接片位置，就能夠讓

23、裝置中的一次繞組實現(xiàn)合理串聯(lián)，還可以實現(xiàn)并聯(lián)接線，最終使得一次繞組擁有的實際匝數(shù)發(fā)生變化，產(chǎn)生出新的變比。相應(yīng)的二次繞組也能夠自動形成變比與精確度等級相異的繞組，因為一次繞組中存在的連接片會發(fā)生位置變動，所以其匝數(shù)也會發(fā)生調(diào)整，從而產(chǎn)生多量程的變比，如圖5所示(虛線表示的是電流互感器裝置中的一次繞組外側(cè)中存在的連接片)。 　　該裝置中的二次獨立繞組擁有的變比與準(zhǔn)確度等級都存在著差異，所以能夠滿足繼電保護(hù)、電能計量等多種儀器的使用。例如當(dāng)電流互感器一次繞組串聯(lián)時(圖5a)，1K1、1K2，1K2、1K3，2K1、2K2，2K2、2K3為300/5，1K1、1K3，2K1、2K3為150/5；當(dāng)

24、電流互感器一次繞組并聯(lián)時(圖5－5b)，1K1、1K2，1K2、1K3，2K1、2K2，2K2、2K3為600/5，1K1、1K3，2K1、2K3為300/5。其接線圖和準(zhǔn)確度等級標(biāo)準(zhǔn)在銘牌上或使用說明書中。 (a)一次串聯(lián)(兩匝) (b)一次并聯(lián)(一匝) 圖5　一次繞組匝數(shù)可調(diào)、二次多繞組的電流互感器原理圖 ?3.4 組合式電流電壓互感器。這種電流電壓互感器是構(gòu)成是電流互感器和電壓互感器,在高壓計量箱柜上常見,既可以為繼電保護(hù)裝置提供相應(yīng)的電源，也可以充當(dāng)計量電能。 　　所謂的組合式電流電壓互感器，其實就是把多臺（通常情況下數(shù)量為二或者三）電流互感器中存在

25、的一次繞組和二次繞組，還有鐵心裝置與相應(yīng)的電壓互感器中的相同配件都在鋼鐵構(gòu)架上進(jìn)行準(zhǔn)確的穩(wěn)固，然后再將其放置入箱體中，并且在該箱體中應(yīng)該安裝有相應(yīng)的變壓器油，接著將兩種類型的繞組出線都進(jìn)行引出，直至該箱體外側(cè)安裝的兩側(cè)瓷瓶上，區(qū)分出高低壓，最終得到一個裝置，一是處于封閉狀態(tài)，二是屬于絕緣體。在整個裝置的一次側(cè)，應(yīng)該和相應(yīng)的供電線路進(jìn)行合理的連接，在對應(yīng)的二次側(cè)，則應(yīng)該和相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置完成合理連接，或者選擇計量裝置進(jìn)行連接。因為需要會存在相應(yīng)的差異，所以能夠?qū)M合式電流電壓互感器進(jìn)行相應(yīng)的分類，一種是使用V/V接線，還有一種是使用Y/Y接線，但是不管三相負(fù)荷是處于不平衡狀態(tài)還是處于平衡狀態(tài)，

26、都能夠完成對其電能的計量，見圖6(a)、(b)。 (a)兩臺電流互感器和電壓互感器V/V接線 ? (b)三臺電流互感器和電壓互感器Y/Y接 圖6????組合式電流電壓互感器原理圖 2.1.2 電流互感器的原理 電流互感器同變壓器相似,它的結(jié)構(gòu)由一次、二次繞組、鐵芯和端子組成。二次繞組、鐵芯和端子組成。當(dāng)一次繞組兩端被接入到電路中，即形成電流，由于鐵芯的磁通效應(yīng)，二次繞組中也將存在電流，其電流大小并與一次繞組中的電流按兩個匝數(shù)的比列存在。如圖2-2 所示，所需要接的負(fù)載接入到二次繞組的兩端，與二次繞組形成回路，其電流大小主要取決于一次繞組中的電流、繞組兩者間的匝數(shù)比,其可以同

27、電流互感器的作用一樣。 和普通電流互感器相比較，直通式電流互感器存在著一定的不同，其一次繞組中不存在電流，從L1到L2通過硅鋼片制成的滾動卷輪（或其他形狀）纏繞鐵芯，兩個繞組直接纏繞在圓鐵芯上。直通式電流互感器如 2-3圖所示。 電磁式電流互感器其優(yōu)勢在于穩(wěn)定性強，安全性高，可以長時間運行。不過隨著電力需求不斷增加，給電力傳輸帶來了很大的挑戰(zhàn)，所需要傳輸?shù)碾娏α恳苍絹碓酱?，隨著增加其電壓等級。電力系統(tǒng)的額定電壓和額定電流迅速增加。現(xiàn)代電力系統(tǒng)中使用的電流互感器的工作環(huán)境已經(jīng)變得非常復(fù)雜。電磁式電流互感器也在實際運行中出現(xiàn)了一系列問題，其中最嚴(yán)重的一個問題就是存在暫態(tài)過程和飽和問題。

28、當(dāng)在實際過程中，電流互感器如果處于飽和狀態(tài)，那么此時即使負(fù)載中通過二次繞組的相應(yīng)的電流無法進(jìn)行正常的運行，并且會出現(xiàn)波形缺失或損壞的現(xiàn)象，這就會直接對繼電保護(hù)造成很大的影響，同時，也會間接地影響到電力系統(tǒng)的正常運行，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來隱患。所以,影響繼電保護(hù)的關(guān)鍵在于電流互感器飽和。 2.2、電流互感器使用注意事項 1.極性連接要正確。在對電流互感器進(jìn)行標(biāo)注的時候，通常情況下都會以其減極性為依據(jù)，為確保計量正確，應(yīng)該使極性連接處于合理狀態(tài)。如果同一線路中出現(xiàn)了幾臺電流互感器之間相互并聯(lián)的情況，那么此時往往會出現(xiàn)短路。 2.二次回路應(yīng)設(shè)保護(hù)性接地點，并可靠連接。在一、二次繞組中，可能

29、會出現(xiàn)因絕緣失效而導(dǎo)致高電壓流至相應(yīng)的低壓側(cè)，這樣不僅會破壞儀表，還會造成安全事故，所以為避免這一類現(xiàn)象的發(fā)生，需要在電流互感器中相應(yīng)的二次側(cè)安裝一個保護(hù)性的接地點，而同時距離電流互感器的所有箱體端子也應(yīng)該進(jìn)行接地處理。 3.運行中二次繞組不允許開路。否則會導(dǎo)致以下嚴(yán)重后果： （1）二次側(cè)出現(xiàn)的高電壓會危及人身和儀表安全； （2）出現(xiàn)過熱，可能燒壞繞組； （3）增大計量誤差。 4.用于電能計量的電流互感器二次回路，不應(yīng)再接繼電保護(hù)裝置和自動裝置等，以防互相影響。 2.2 電磁式電流互感器存在的問題 2.2.1 電磁式電流互感器存在的缺陷 當(dāng)電壓等級在進(jìn)行提升并且其擁有的傳輸容量

30、也在逐漸加大時，這個時候的電磁式電流互感器通常情況下會存在著幾個缺點： （1）絕緣體方式結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、造價比較昂貴以及尺寸很大。因為電壓等級在不斷的上升，所以通常情況下會選擇兩種絕緣方式，一是油紙絕緣，二是氣體絕緣，如果氣壓到達(dá)了一定的的高值，那么這個時候電磁式電流互感器就會選擇串級絕緣。通常情況下，絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與電壓等級是呈正比的，這在制造方面會帶來很多的不便，造價也會提升。隨著電壓等級的變化，價格也幾乎呈現(xiàn)出三次方趨勢的上升。 （2）不能完全達(dá)到測量準(zhǔn)確度的要求。因為存在著一次線圈等多個電位，所以二次線圈會處于相應(yīng)的低壓側(cè)，并且同時和二次低壓設(shè)備進(jìn)行連接，而此時的線圈主要是通

31、過鐵心進(jìn)行相互連接的。因為電壓等級會發(fā)生變化，所以當(dāng)其逐漸增大時，在高壓與低壓兩者間會存在著一定的絕緣距離，并且會逐漸的加大。在這種情況下,通過增大磁路來加強一、二次線圈的聯(lián)系是唯一的辦法。在進(jìn)行測量的時候，會存在著一定的誤差，主要是受互感器的影響，如果平均磁路增長，那么誤差就會變大，反之亦然。在電磁式電流互感器中，一般傳統(tǒng)類型中的二次側(cè)輸出會擁有較高的功率，通常情況下都有幾瓦值。不管是在一次側(cè)、還是在二次測，都存在著直接性的電磁聯(lián)系, 并且一次側(cè)在特定情況下還會受到來自二次側(cè)的影響，最終對電流互感器能否準(zhǔn)確的進(jìn)行測量產(chǎn)生影響。觀察電力系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)，其測量準(zhǔn)確度與電流互感器相比，往往會被限制于

32、0.3級以下。如果使用的是暫態(tài)故障電流，那么此時的測量準(zhǔn)確度還會受到因非周期分量電流而導(dǎo)致的鐵心飽和的影響。 （3)安裝、檢修的不便和維護(hù)工作量的過大。巨大的體積和過重的分量使得電磁式電流互感器的運輸安裝極為不便,除此之外,為保證它的正常運行還需要絕緣支架來進(jìn)行支撐,這樣在很大程度上不利于進(jìn)行維修。如果使用的是油浸式電流互感器，那么就需要在固定的時間里進(jìn)行絕緣油化驗工作，并處理滲漏油等各種相關(guān)問題。 (4)隱伏的危險難以避免。在使用電磁式電流互感器時，在它的一、二次兩者之間，能夠通過電磁變換原理合理的進(jìn)行能量傳遞,所以該兩者之間通常情況下都會有電磁聯(lián)系。而在二次側(cè)線圈中，如果受相關(guān)因素的影

33、響產(chǎn)生了開路，那么一次測中存在的大電流會整體轉(zhuǎn)化為勵磁電流,此時相應(yīng)的二次線圈中通過測感應(yīng)能夠產(chǎn)生一定量的高電壓，不僅會對設(shè)備造成破壞，還可能引發(fā)安全事故。與此同時，還可能因為突發(fā)性的爆炸和相應(yīng)的絕緣擊穿情況使得出現(xiàn)單相對地短路情況。 (5)除了以上所列舉的缺陷之外,鐵磁共振、磁滯效應(yīng)等不利因素也或多或少地存在于傳統(tǒng)的電磁式電流互感器之中。 2.2.2電流互感器飽和對繼電保護(hù)的影響 ?電流互感器在進(jìn)行運作的，會出現(xiàn)一定的誤差，這會不利于其實際運用，通常情況下造成這一現(xiàn)象的原因主要是因為飽和現(xiàn)象。在電流互感器中，如果其鐵心中磁通密度上升到了相應(yīng)的數(shù)值，那么就會產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，如果磁通密度持續(xù)

34、上升，那么勵磁電流也應(yīng)該相應(yīng)地進(jìn)行加大。在進(jìn)行使用的時候應(yīng)該限定于一次電流值的范圍中，同時還應(yīng)該確保二次電流中出現(xiàn)的綜合誤差低于相應(yīng)的限定值。在電流互感器中如果安裝有鐵芯構(gòu)件，那么其擁有的非線性勵磁特性和相應(yīng)的飽和值都會在一定程度上造成誤差。將電流互感器實際擁有的飽和進(jìn)行分類，主要存在著兩大類型：首先是在大容量短路穩(wěn)態(tài)的狀況下，因為對稱電流而出現(xiàn)的飽和情況；其次是在短路電流中，因為非周期分量變化與鐵心擁有的剩磁而出現(xiàn)的相應(yīng)的暫態(tài)飽和情況。上述的兩種飽和狀況在具體特性上存在著很大的差異，因此它引起的誤差會很大。在可允許的誤差范圍內(nèi)，將暫態(tài)飽和狀況與穩(wěn)態(tài)飽和狀態(tài)相比較，能夠發(fā)現(xiàn)其互感器中安裝的鐵心

35、的具體截面值在很大程度上高出后者，甚至能夠達(dá)到數(shù)十倍。 2.2.3防止電流互感器飽和的方法與措施 （1）對短路電流進(jìn)行相應(yīng)的限制。當(dāng)中壓系統(tǒng)已經(jīng)完成構(gòu)建的時候，能夠選擇比原有電壓等級更高出一級的環(huán)境中使用分列運行，從而達(dá)到對短路電流進(jìn)行實際限制的目的。在進(jìn)行了分列運行之后，會使得供電可靠性出現(xiàn)下降的情況，但是能夠通過其它的途徑進(jìn)行應(yīng)對，如電源自動投入等等。當(dāng)構(gòu)建一新系統(tǒng)的時候，往往會出現(xiàn)短路電流過高的情況，這個時候一般情況下都會選擇串聯(lián)電抗器來進(jìn)行短路電流的限制。 （2）使保護(hù)級CT擁有的變比發(fā)生變化，并且是逐漸上升，?在對保護(hù)級電流變比的具體值進(jìn)行精確時，不能以負(fù)荷電流值為依據(jù)進(jìn)行，應(yīng)

36、該通過流經(jīng)繼電保護(hù)裝置的實際最高的短路電流以及此時的互感器中存在的實際負(fù)載能力和相應(yīng)的飽和倍數(shù)值為基礎(chǔ)，從而對CT變比進(jìn)行確定。當(dāng)保護(hù)級CT變比值出現(xiàn)上升情況時，會對其相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置造成一定的不利影響，影響CT二次回路的運作，并且不利于繼電保護(hù)裝置更好的進(jìn)行監(jiān)視程序。例：對10kV系統(tǒng)進(jìn)行研究，我們能夠發(fā)現(xiàn)當(dāng)站用變壓器的相關(guān)數(shù)值確定為400?kVA，那么其在60%負(fù)荷情況下進(jìn)行運行產(chǎn)生的電流應(yīng)該精確到13.8?A,此時以最大短路電流為基礎(chǔ)進(jìn)行核算能夠發(fā)現(xiàn)其保護(hù)級電流互感器變比應(yīng)該是600/5,通過相應(yīng)的折算能夠確定其二次側(cè)處擁有的負(fù)荷電流應(yīng)該實際為0.115A。此時的額定輸入電流值也應(yīng)該確

37、定到5A的繼電器,因為這個電流實在是太小了,所以往往容易被忽略。 （3）降低電流互感器擁有的二次負(fù)載值，在安裝繼電器保護(hù)裝置的時候往往使用低交流功耗。如果選擇的電流差動繼電器為普通的電磁型，那么它擁有的交流電流功耗在各個回路基本上都能夠達(dá)到8VA,相比較而言，微機型繼電器中產(chǎn)生的所有交流電流功耗在各個回路只有很低的0.5VA,數(shù)量級之差達(dá)到了一個數(shù)量級,所以這個時候使用的繼電保護(hù)裝置不能具有較高的交流功耗。 在使用繼電保護(hù)裝置的時候，最好能夠做到就地安裝。該系統(tǒng)中的CT負(fù)載一般情況下受到的阻抗往往都是來自于二次電纜，把繼電器保護(hù)裝置科學(xué)的進(jìn)行就地安裝,二次電纜長度和互感器的負(fù)擔(dān)都會相應(yīng)的縮

38、短和減少,而且有效地避免了飽和。除這些效益之外,還對二次回路進(jìn)行了一定的簡化，這樣有利于增強供電的可靠程度。要做好就地安裝，還是存在著很大的難度性，要求較高，如果出現(xiàn)較為惡劣的天氣，就需要該裝置能夠具有很優(yōu)的抗強電磁干擾能力。 對CT擁有的二次額定電流量進(jìn)行降低。因為在CT中存在的實際功耗與相應(yīng)的電流存在著一定的聯(lián)系，并且具體表現(xiàn)為與其平方成正相關(guān)，所以把CT擁有的實際二次額定電流進(jìn)行減少，由原來的5A轉(zhuǎn)換為1A,同時使負(fù)載阻抗固定不發(fā)生改變，這個時候的二次回路功耗也會出現(xiàn)下降的情況，最高可以達(dá)到25倍，但是互感器通常情況下都難以達(dá)到飽和狀態(tài)。在設(shè)置CT的時候，如果降低了其擁有的二次額定電流

39、值，那么此時的繼電保護(hù)裝置會受到一定程度的破壞。如果二次電流量出現(xiàn)降低的情況，那么此時就應(yīng)該使繼電器擁有的靈敏度進(jìn)行提升，同時它還會與抗干擾能力以相應(yīng)的矛盾而存在。繼電保護(hù)裝置如果已經(jīng)實現(xiàn)了就地安裝，那么因為其二次電流電纜的實際長度值有限，同時電磁干擾水平又相對較好，那么這個時候在選擇互感器的時候往往會將二次額定電流值精確到5A。 （4）在選擇機電保護(hù)裝置的時候，通常都會考慮其擁有的抗飽和能力并且會選擇性能較強的，同時還會遵循一個相應(yīng)的原則，即對實際電流飽和產(chǎn)生的敏感度較低。繼電器在進(jìn)行工作的時候，因使用的原理不同而產(chǎn)生的實際工作效率也是不一樣的，如果是相位判別原理，通常情況下它的抗CT飽和

40、能力更強，當(dāng)遭遇嚴(yán)重飽和狀況時，它仍然能夠?qū)㈦娏骰謴?fù)至原來的相位。雖然使用負(fù)序電流保護(hù)會在一定程度上對CT二次回路斷線造成負(fù)面影響，也會在出現(xiàn)三相對稱故障時產(chǎn)生相應(yīng)的拒動行為等等，但是能夠通過提升附加判據(jù)來進(jìn)行應(yīng)對和調(diào)整。這種方式也存在著不足,要克服這些缺點增加附加判據(jù)是必不可少的。在前面的描述中我們能夠得出，不管是和有效值判別相比，還是和平均值判別相比，瞬時值判別擁有的抗TA飽和性能都是最強的。雖然保護(hù)具有一定的時限性，并且電流也存在著非周期分量情況，但是這并不影響動作的精確度，相比較工頻分量判別而已，使用全電流判別更有利于抗TA飽和性能的提升。 2.3 電流互感器傳變特性 2.3.1

41、穩(wěn)態(tài)傳變特性試驗分析 電流互感器的準(zhǔn)確級對電流互感器的維護(hù)，可用來檢測電力系統(tǒng)是否在正常運轉(zhuǎn)，其輸出的精度對繼電保護(hù)、監(jiān)控裝置有著直接的影響。因此，對電流互感器的保護(hù)，最基礎(chǔ)的要求是要在一次電流的額定的條件下，其電流誤差不能超出所規(guī)定的誤差范圍。其具體的誤差范圍，或者說其誤差極限值。而對于暫態(tài)情況，電子式互感器與常規(guī)互感器的特性有較大的差異，當(dāng)二次繞組接入額定負(fù)載，一次繞組內(nèi)的電流在額定電流的限值內(nèi)，其誤差不能超過誤差限值，并對電流互感器的準(zhǔn)確級和額定準(zhǔn)確限值系數(shù)作嚴(yán)格規(guī)定標(biāo)注。舉個例子， 5p30表明電流互感器是5P水平，和額定準(zhǔn)確限值系數(shù)為30，即兩倍的電流互感器連接到額定負(fù)載。主電流在

42、額定電流的30倍以內(nèi)范圍中，通過所還規(guī)定的可以得出，在此條件下其綜合誤差應(yīng)不能超過5%。穩(wěn)態(tài)傳變特性試驗主要從電流互感器的電流誤差、相位誤差及復(fù)合誤差來分析電流互感器的穩(wěn)態(tài)傳變特性。 2.3.2 暫態(tài)傳變特性試驗分析 當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時，暫態(tài)直流分量通常以指數(shù)衰減的形式存在。此刻為保證繼電保護(hù)裝置準(zhǔn)確的運作，當(dāng)電力系統(tǒng)反思故障，或是設(shè)備和故障時，繼電保護(hù)互感器此時應(yīng)該發(fā)揮作用，即發(fā)生短路時，電流互感器通過將本身的一次電流變?yōu)殡p回路，將誤差保證在誤差極限值以下，從而其起到了保護(hù)。電流互感器暫態(tài)飽以及造成的電流波形畸變將都會影響繼電保護(hù)的正確動作,從而使繼電保護(hù)動作延遲，縮短保護(hù)范圍，甚

43、至造成保護(hù)故障。在一次回路中出現(xiàn)短路現(xiàn)象時，電流就會產(chǎn)生分周期分量。傳輸過程中，在低等頻率和低頻分量時，需要的勵磁電流往往較大，這就嚴(yán)重消弱甚至破環(huán)了電流互感器的性能。在實際使用中，電力系統(tǒng)內(nèi)的故障電流主要分為穩(wěn)態(tài)工頻和衰減直流這兩個部分，衰減直流分量的積分作用是電流互感器產(chǎn)生飽和現(xiàn)象的主要原因,一旦直流方向上的分量存在飽和剩磁效應(yīng)的現(xiàn)象,那么它的飽和將變得更嚴(yán)重,甚至?xí)绊懙降碾娏鱾鞲衅?。在直流分量不斷衰減，直至消失殆盡時，其中產(chǎn)生的勵磁電流也同時逐漸減小，最終電流互感器就脫離飽和狀態(tài)，此時形成穩(wěn)態(tài)短路電流，這就是暫態(tài)飽和特性。電流互感器暫態(tài)飽和時有3 個明顯的特征：（1）在每個周期內(nèi)電流互

44、感器在線性區(qū)與飽和區(qū)之間轉(zhuǎn)換一次。在過零點附近，一次電流線性變化時，二次電流的波形出現(xiàn)畸變現(xiàn)象。（2）在發(fā)生故障后，互感器并不會一下子飽和，其飽和過程也需要時間，那么在故障開始時，直到飽和狀態(tài)，存在一個時間差。（3）電流互感器飽和之后,其有很多高次諧波和畸變的波形,并且輸出有效值減小。 2.4小結(jié) 2.4 小結(jié) 本章通過對不同類型互感器，從結(jié)構(gòu)、原理、功能上做了分析和比較，針對不同型號電流互感器（開展了穩(wěn)態(tài)傳變性能、暫態(tài)傳變性能試驗，設(shè)計了將電流互感器串聯(lián)實驗，使得其一次電流保持相同，通過實驗進(jìn)行對比，不同互感器的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性。并通過試驗取得的數(shù)據(jù)，結(jié)合鐵芯的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)態(tài)分量的大小、周期

45、分量和衰減時間常數(shù)等參數(shù)對于互感器飽和特性的影響。 3 結(jié)論與展望 由于短路電流中剩磁和非周期分量的存在使得電流互感器飽和問題日益突出，已對繼電保護(hù)裝置的動作上的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響，而飽和性是針對于電流互感器而存在的，對其進(jìn)行建模分析，進(jìn)行動態(tài)控制，意義重大。 本文的主要研究成果總結(jié)如下： 1）研究了電流互感器的原理和結(jié)構(gòu)，選取三個生產(chǎn)廠家的電流互感器。其中選用了4 支5P30 型電流互感器，2 支TPY型電流互感器；另外，還有1 支電子式電流互感器，2 支5P20 型電流互感器，一共9 支電流互感器。按照型號不同，分開進(jìn)行試驗，分析比較了各型號電流互感器的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)傳變特性。針對同

46、種型號的電流互感器，隨著一次電流增加電流互感器傳變誤差增加。針對不同型號的電流互感器由穩(wěn)態(tài)傳變特性試驗結(jié)果可知：部分P 級電流互感器試品在額定準(zhǔn)確限值一次電流下復(fù)合誤差或電流誤差超過限值要求，不同的廠家相同型號的電流互感器穩(wěn)態(tài)性能也有所不同,同一個廠家相同型號的電流互感器穩(wěn)態(tài)性能也存在著差異;穩(wěn)態(tài)傳變性能上的優(yōu)點是TPY 級電流互感器所擁有的。由暫態(tài)傳變特性試驗結(jié)果可知：暫態(tài)傳變性能也是TPY 級電流互感器自身的優(yōu)越性能之一；P 級電流互感器暫態(tài)傳變性能受故障電流穩(wěn)態(tài)分量、非周期分量及鐵芯剩磁影響，穩(wěn)態(tài)額定準(zhǔn)確限值條件下滿足誤差限值要求的P 級電流互感器，在暫態(tài)峰值的情況下，此時的電流與低于穩(wěn)

47、態(tài)峰值狀況相比，其擁有的電流互感器會處于一個暫態(tài)飽和的狀況，如果出現(xiàn)了再次故障，那么此時對其擁有的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行預(yù)測能夠通過輕重程度來進(jìn)行。 2）考察了對電流互感器產(chǎn)生飽和影響的主要因素：（1）鐵芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如鐵芯截面積、鐵芯飽和磁通密度。為了使飽和起始時間得到有效的增長，增加鐵芯的截面積以便使二次電流的畸變程度得到減輕。鐵芯材料不一樣，導(dǎo)致了鐵芯飽和磁通密度也是不一樣的。鐵芯飽和磁通密度越大，鐵芯越難以飽和。（2）對于一次電流來說，其穩(wěn)態(tài)分量的在計算上，其有效值越大，鐵芯越容易飽和。（3）一次電流非周期分量的越大，鐵芯越容易飽和。（4）一次電流對二次電流的波形也有影響，二次電流波形畸嚴(yán)重的

48、程度，也隨著非周期分量衰減時間常數(shù)與飽和時間的逐漸增大而增大。 3）電流互感器鐵芯中的剩磁。從剩磁對電流互感器飽和程度的影響來看，在首次故障時飽和效果是很小的，如果在極性方向來看，若其與短路電流是一致的，則會使鐵芯會很快達(dá)到飽和狀態(tài)。 參考文獻(xiàn) [8] 余保東.電流互感器暫態(tài)分析及其實現(xiàn)高準(zhǔn)確度的控制策略 [D].華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文，1997. [9] 張粒子，武晉輝，余保東等. 電力電流互感器鐵芯磁滯回環(huán)的擬合[J].電力系統(tǒng)自動化， 1998,22(3):6-8. [10] 余保東，張粒子，楊以涵等. 電流互感器鐵芯的暫態(tài)磁化模型及誤差計算[J].電工技術(shù)學(xué)報，199

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