电流互感器饱和对继电保护影响的分析及对策

摘　要： 介绍了中压电力系统中引起各种电流继电器误动的原因，分析了电流互感器饱和对电磁式电流继电器、晶体管或集成电路构成的模拟式电流继电器和微处理机构成的数字式电流继电器动作行为的影响。论述了几种防止和抗御电流互感器饱和的方法和对策，如在较高一级的电压等级中的供电侧采取分列运行的方式以减少短路电流等。给出了选择合适的保护装置和在新建系统中选择电流互感器的一些原则。
关键词： 继电保护； 电流互感器； 饱和
分类号： TM 77
INFLUENCE OF THE CURRENT TRANSFORMER SATURATION ON RELAY UNIT AND ITS COUNTERMEASURES IN MEDIUM VOLTAGE POWER SYSTEMS
Chen Jianyu　Meng Xianmin
（Nanjing Automation Research Institute, Nanjing 210003, China）
Zhang Zhenqi　Wang Zhihua
（Zhuhai Electric Power Bureau, Zhuhai 519000, China）
Abstract：The cause of misoperation of different type current relays in medium voltage system is introduced. The influence of current transformer saturation on the operation of current relays, including electromagnetic relay, analog IC relay and microprocessor based digital relay is analyzed. Some preventive measures for the system have been put into service, such as splitting at supply side of higher medium voltage to reduce short circuit current. Some principles for choosing appropriate type of protective device, and some guides for selecting current transformer of new designed substation are given.
Keywords：protective relaying; current transformer; saturation▲
0　引言
　　在中压(110 kV以下)系统中，电流互感器(TA)的饱和问题并不突出。但是随着农网、城网改造，系统短路电流急剧增加和新型继电保护装置的大量采用，中低压系统中电流互感器的饱和问题日益突出，已影响到继电保护装置动作的正确性。
　　1998年11月18日，某220 kV变电站的10 kV馈线出口短路，馈线保护因电流互感器饱和而拒动，主变后备保护电磁型过流继电器因短路电流太大，动触点冲过头而卡死不返回，导致延时Ⅱ段动作，造成主变三侧开关全部跳闸。事后根据故障录波数据分析，短路电流达到馈线单元电流互感器额定值的64.3倍。
1　TA饱和时的二次电流特性
　　假定TA的磁化特性如图1所示。

图1　电流互感器饱和点计算的图解说明
Fig.1　Schematic diagram of the principle of
current transformer saturation
　　在忽略一次电流的直流分量时，二次电流的饱和点(饱和角θ)可以用式(1)近似地算出：
　　　(1)
2　TA饱和对各种电流继电器的影响
2.1　对电磁式电流继电器的影响
2.1.1　感应型电流继电器
　　对于感应型继电器，在其自身磁路不饱和情况下，其等效动作特性可近似地写为［1］：
　　　(2)
式中　IK为流入感应型继电器的短路电流二次值；I∞为感应型继电器磨擦阻力等效的制动电流；A为感应型继电器的动作特性整定值，等效于扇形轮上升距离。
　　当电流互感器饱和后，忽略各次谐波转动力矩的差异，其等效短路电流为：
　　　　(3)
可见饱和角越小，流入继电器的电流也越小。
2.1.2　电磁型电流继电器
　　其等效动作判据为：
I2J＞I2P　　　　(4)
式中　IJ为流入电磁型继电器的短路电流二次值；IP为等效于弹簧拉力和磨擦系数的动作电流。
　　根据式(3)，在电流互感器饱和后，其二次侧等效动作电流变小。
2.2　对模拟式电流继电器的影响
　　模拟式电流继电器按照实现方法主要有晶体管型和集成电路型2种，按照工作原理可分为峰值比较式和平均值比较式2种。
2.2.1　峰值比较式电流继电器

图2　峰值比较式电流继电器框图
Fig.2　Block diagram of overcurrent relay
(checking peak current)
　　峰值比较式继电器是将整流后的脉动信号与启动电平比较，当电流峰值达到启动电平的时间超过t后，继电器动作。引入t，一是为了抗干扰，二是为了减小动作值的离散度。若t满足式(5)，则峰值比较式电流继电器方能正确动作，若θ太小，则式(5)难以满足：

学习，学习。

学习学习{:soso_e179:}

3.4　采用抗饱和能力强的继电保护装置
3.4.1　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。
3.4.2　采用对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。
3.4.3　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做出判断（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。
4　结语
　　两网(城网、农网)建设和改造，目的是为了增强供电可靠性，但也造成了系统短路电流的增加，由于资金限制和经济性原因，不可能把正在运行并且还能继续运行的断路器、电流互感器和继电保护装置都更换掉，因此有必要重新计算系统的短路电流、校验电流互感器的饱和倍数以及分析继电保护装置的抗饱和能力，以便采取合理的对策，达到提高供电可靠性的目的。■
作者简介：陈建玉，男，高级工程师，主要从事电力系统继电保护的研究。
　　　　　孟宪民，男，高级工程师，主要从事电力系统继电保护的研究。
　　　　　张振旗，男，高级工程师，副总工程师，主要从事电力系统技术管理工作。
作者单位：陈建玉（电力自动化研究院， 南京 210003）
　　　　　孟宪民（电力自动化研究院， 南京 210003）
　　　　　张振旗（珠海电力工业局， 珠海 519000）
　　　　　王志华（珠海电力工业局， 珠海 519000）
参考文献：
［1］张方元(Zhang Fangyuan).GL型感应式电流继电器时限特性分析(Analysis on the Time Characteristic of GL Inductive Type Current Relay).继电器(Relay)，1998,26(6)
　(本站)

　　　　(5)
式中　IP为电流继电器整定动作电流；If为假如TA不饱和时的短路电流二次值；θ为短路电流的饱和角。
2.2.2　平均值比较式电流继电器

图3　平均值比较式电流继电器框图
Fig.3　Block diagram of overcurrent relay
(checking average current)
　　若平均值比较式电流继电器中没有采用工频带通滤波器，则在电流互感器饱和时继电器检测到的电流相对于不饱和时检测到的电流的系数K如式(6)所示：
　　　　(6)
可见在TA饱和后，饱和角小，其二次侧等效电流变小，可能拒动。
2.3　对数字式电流继电器的影响
　　数字式继电器采用微计算机(一般为单片机)实现，由于其主工作电源仅有5 V，数据采集部分的有效电平范围也仅有10 V，能有效处理的信号范围更小，电流互感器的饱和对数字式继电器的影响就更大。
　　a.对辅助判据的影响
　　有的微机保护中采用IA IB IC=3I0(自产零序电流等于外接零序电流)作为电流互感器回路断线和数据采集回路故障的辅助判据，这作为正常运行时的闭锁措施是非常有效的，但在故障且TA饱和时，就会使保护误闭锁，引起拒动。
　　b.对基于工频分量算法的影响
　　在TA饱和时，由上一节的分析可知，工频分量与饱和角有关，故数字式继电器的动作将受到影响。
　　c.对不同的数据采集方法的影响
　　在微机保护中，数据采集有2种比较典型的方法：VFC法和A/D法。
　　由于VFC方法采集到的数据是信号在2个读数间隔中的平均值，若输入信号大于VFC的最高转换电平，则产生截顶饱和。
　　若保护算法中需连续5次的故障电流数据才能可靠动作，电流的饱和角为60°，则采样频率必须高达1 800 Hz，即每周期进行36点采样，做到这一点在中压电力系统的保护装置中是不经济的。
3　已建成和新设计中压系统中防止TA饱和的方法与对策
3.1　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就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。
3.2　增大保护级TA的变比
　　不能采用按负荷电流的大小确定保护级电流变比的方法，必须用保护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10 kV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0.115 A，对于额定输入电流为5 A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。
3.3　减小电流互感器的二次负载
3.3.1　选用交流功耗小的继电保护装置
　　电磁型的电流差动继电器的交流电流功耗每回路可达8 VA，而微机型继电器（如MDM—B1系列）的交流电流功耗每回路仅0.5 VA，相差一个数量级，应选用交流功耗小的继电保护装置。
3.3.2　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。
3.3.3　减小TA的二次额定电流
　　由于功耗与电流的平方成正比，将二次额定电流从5 A降至1 A，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5 A的互感器为好。