CT原理类型暂态特性.docx

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CT原理类型暂态特性

一、电流互感器原理

在供电用电的线路中电流电压大大小小相差悬殊从几安到几万安都有。

为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。

电流互感器就起到变流和电气隔离作用。

较早前，显示仪表大部分是指针式的电流电压表，所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的（如5A等）。

现在的电量测量大多数字化，而计算机的采样的信号一般为毫安级（0-5V、4-20mA等）。

微型电流互感器二次电流为毫安级，主要起大互感器与采样之间的桥梁作用。

微型电流互感器也有人称之为“仪用电流互感器”。

（“仪用电流互感器”有一层含义是在实验室使用的多电流比精密电流互感器，一般用于扩大仪表量程。

）

电流互感器原理线路图

微型电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作,变压器变换的是电压而微型电流互感器变换的是电流罢了。

如图绕组N1接被测电流，称为一次绕组（或原边绕组、初级绕组）；绕组N2接测量仪表，称为二次绕组（或副边绕组、次级绕组）。

微型电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比K。

微型电流互感器在额定工作电流下工作时的电流比叫电流互感器额定电流比，用Kn表示。

Kn=I1n/I2n

二、电流互感器分类

微型电流互感器大致可分为两类，测量用电流互感器和保护用电流互感器。

1、测量用电流互感器

测量用电流互感器主要与测量仪表配合，在线路正常工作状态下，用来测量电流、电压、功率等。

测量用微型电流互感器主要要求：

1、绝缘可靠，2、足够高的测量精度，3、当被测线路发生故障出现的大电流时互感器应在适当的量程内饱和（如500%的额定电流）以保护测量仪表。

2、保护用电流互感器

保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。

保护用微型电流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。

保护用互感器主要要求：

1、绝缘可靠，2、足够大的准确限值系数，3、足够的热稳定性和动稳定性。

保护用互感器在额定负荷下能够满足准确级的要求最大一次电流叫额定准确限值一次电流。

准确限值系数就是额定准确限值一次电流与额定一次电流比。

当一次电流足够大时铁芯就会饱和起不到反映一次电流的作用，准确限值系数就是表示这种特性。

保护用互感器准确等级5P、10P，表示在额定准确限值一次电流时的允许误差5%、10%

线路发生故障时的冲击电流产生热和电磁力，保护用电流互感器必须承受。

二次绕组短路情况下，电流互感器在一秒内能承受而无损伤的一次电流有效值，称额定短时热电流。

二次绕组短路情况下，电流互感器能承受而无损伤的一次电流峰值，称额定动稳定电流。

保护用电流互感器分为：

1、过负荷保护电流互感器，2、差动保护电流互感器，3、接地保护电流互感器（零序电流互感器）

三、电流互感器结构原理

1、普通电流互感器结构原理

电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。

其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数（N1）较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流（）通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流（）；二次绕组的匝数（N2）较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷（Z）串联形成闭合回路，见图5－1。

图5－1　普通电流互感器结构原理图

　　由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数，I1N1=I2N2，电流互感器额定电流比：

。

电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一个短路运行的变压器。

2　穿心式电流互感器结构原理

　　穿心式电流互感器其本身结构不设一次绕组，载流（负荷电流）导线由L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的圆形（或其他形状）铁心起一次绕组作用。

二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路，见图5－2。

图5－2　穿心式电流互感器结构原理图

　　由于穿心式电流互感器不设一次绕组，其变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定，穿心匝数越多，变比越小；反之，穿心匝数越少，变比越大，额定电流比：

。

式中I1——穿心一匝时一次额定电流；

　　n——穿心匝数。

3　特殊型号电流互感器

3.1多抽头电流互感器。

这种型号的电流互感器，一次绕组不变，在绕制二次绕组时，增加几个抽头，以获得多个不同变比。

它具有一个铁心和一个匝数固定的一次绕组，其二次绕组用绝缘铜线绕在套装于铁心上的绝缘筒上，将不同变比的二次绕组抽头引出，接在接线端子座上，每个抽头设置各自的接线端子，这样就形成了多个变比，见图5－3。

图5－3　多抽头电流互感器原理图

　　例如二次绕组增加两个抽头，K1、K2为100/5，K1、K3为75/5，K1、K4为50/5等。

此种电流互感器的优点是可以根据负荷电流变比，调换二次接线端子的接线来改变变比，而不需要更换电流互感器，给使用提供了方便。

3.2不同变比电流互感器。

这种型号的电流互感器具有同一个铁心和一次绕组，而二次绕组则分为两个匝数不同、各自独立的绕组，以满足同一负荷电流情况下不同变比、不同准确度等级的需要，见图5－4。

图5－4　不同变比电流互感器原理图

　　例如在同一负荷情况下，为了保证电能计量准确，要求变比较小一些（以满足负荷电流在一次额定值的2/3左右），准确度等级高一些（如1K1、1K2为200/5、0.2级）；而用电设备的继电保护，考虑到故障电流的保护系数较大，则要求变比较大一些，准确度等级可以稍低一点（如2K1、2K2为300/5、1级）。

3.3一次绕组可调，二次多绕组电流互感器。

这种电流互感器的特点是变比量程多，而且可以变更，多见于高压电流互感器。

其一次绕组分为两段，分别穿过互感器的铁心，二次绕组分为两个带抽头的、不同准确度等级的独立绕组。

一次绕组与装置在互感器外侧的连接片连接，通过变更连接片的位置，使一次绕组形成串联或并联接线，从而改变一次绕组的匝数，以获得不同的变比。

带抽头的二次绕组自身分为两个不同变比和不同准确度等级的绕组，随着一次绕组连接片位置的变更，一次绕组匝数相应改变，其变比也随之改变，这样就形成了多量程的变比，见图5－5（图中虚线为电流互感器一次绕组外侧的连接片）。

　　带抽头的二次独立绕组的不同变比和不同准确度等级，可以分别应用于电能计量、指示仪表、变送器、继电保护等，以满足各自不同的使用要求。

例如当电流互感器一次绕组串联时（图5－5a），1K1、1K2，1K2、1K3，2K1、2K2，2K2、2K3为300/5，1K1、1K3，2K1、2K3为150/5；当电流互感器一次绕组并联时（图5－5b），1K1、1K2，1K2、1K3，2K1、2K2，2K2、2K3为600/5，1K1、1K3，2K1、2K3为300/5。

其接线图和准确度等级标准在铭牌上或使用说明书中。

（b）一次并联（一匝）

图5－5　一次绕组匝数可调、二次多绕组的电流互感器原理图

3.4组合式电流电压互感器。

组合式互感器由电流互感器和电压互感器（详细内容本讲第四节介绍）组合而成，多安装于高压计量箱、柜，用作计量电能或用作用电设备继电保护装置的电源。

　　组合式电流电压互感器是将两台或三台电流互感器的一次、二次绕组及铁心和电压互感器的一、二次绕组及铁心，固定在钢体构架上，浸入装有变压器油的箱体内，其一、二次绕组出线均引出，接在箱体外的高、低压瓷瓶上，形成绝缘、封闭的整体。

一次侧与供电线路连接，二次侧与计量装置或继电保护装置连接。

根据不同的需要，组合式电流电压互感器分为V/V接线和Y/Y接线两种，以计量三相负荷平衡或不平衡时的电能，见图5－6（a）、（b）。

（b）三台电流互感器和电压互感器Y/Y接线

（a）两台电流互感器和电压互感器V/V接线

图5－6　组合式电流电压互感器

电流互感器的暂态饱和及应用计算

摘 要：

讨论保护用电流互感器的暂态饱和及工程应用中的问题。

互感器暂态饱和对保护装置性能有严重影响，为保证继电保护在暂态饱和条件下正确动作，工程应用中应合理选用电流互感器的类型和参数，保护装置必要时应采取减缓互感器饱和影响的措施。

文中还列举大型发电机变压器组差动保护用电流互感器的选择计算示例。

 关键词：

电流互感器；饱和；短路电流偏移；暂态特性；准确限值；继电保护

 1前言

   保护用电流互感器要求在规定的一次电流范围内，二次电流的综合误差不超出规定值。

对于有铁心的电流互感器，形成误差的最主要因素是铁心的非线性励磁特性及饱和。

电流互感器的饱和可分为两类：

一类是大容量短路稳态对称电流引起的饱和（以下称为稳态饱和）；另一类是短路电流中含有非周期分量和铁心存在剩磁而引起的暂态饱和（以下称为暂态饱和）。

这两类饱和的特性有很大不同，引起的误差也差别很大。

在同样的允许误差条件下，考虑暂态饱和要求的互感器铁心截面可能是仅考虑稳态饱和的数倍至数十倍。

因而对互感器造价及安装条件提出了严峻的要求。

以往在中低压系统和发电机容量较小的情况下，互感器暂态饱和的影响较轻，一般未采取专门对策。

而对当前的超高压系统和大容量机组，为保证继电保护的正确动作，暂态饱和已成为必须考虑的因素。

由于互感器暂态饱和的机理和计算较复杂，要求互感器暂态不饱和所需代价很高，因而在实际工程中应用情况较混乱。

本文根据国内外的标准和应用经验，提出较规范的考虑暂态饱和的互感器选择和计算方法，供工程应用参考。

作为示例，本文给出大型发电机变压器组差动保护用电流互感器的选择计算及参数选择的建议。

2电流互感器的稳态饱和特性及对策

   当电流互感器通过的稳态对称短路电流产生的二次电动势超过一定值时，互感器铁心将开始出现饱和。

这种饱和情况下的二次电流如图1所示，其特点是：

畸变的二次电流呈脉冲形，正负半波大体对称，畸变开始时间小于5ms（1/4周波），二次电流有效值将低于未饱和情况。

对于反应电流值的保护，如过电流保护和阻抗保护等，饱和将使保护灵敏度降低。

对于差动保护，差电流取决于两侧互感器饱和特性的差异。

   例如某一1200/5的电流互感器，制造部门提供的规范为［1］：

5P20，30VA。

其中5P为准确等级，30VA为二次负荷额定值，20为准确限值系数（ALF）。

电流互感器在额定负荷下的二次极限电动势Es＝（ALF）·Isn·（Rct＋Rbn），此时综合误差应不超过5%。

综合误差也可选用10%。

选择保护用电流互感器时，一般要求ALF与额定一次电流乘积大于保护校验用短路电流，二次负荷小于互感器额定负荷，实际二次电动势不超过极限二次电动势。

当前工程中经常遇到的问题是短路电流过大，ALF不满足要求，但实际负荷比额定负荷小得多。

对于低漏磁电流互感器［2］，可以在实际负荷下的二次电动势不超过极限值的条件下，适当提高ALF的可用值。

但应指出，对于某些不符合低漏磁要求的互感器，如U型电流互感器、一次多匝的互感器等，在一次短路电流倍数超过ALF时，由于铁心局部饱和可能引起二次极限电动势降低，不能在降低二次负荷时，按反比提高ALF。

有些制造厂提供的ALF与负荷的关系曲线，未认真考虑上述局部饱和影响，使用时应慎重。

3电流互感器的暂态饱和

   短路电流一般含有非周期分量，这将使电流互感器的传变特性严重恶化。

原因是电流互感器的励磁特性是按工频设计的，在传变等效频率很低的非周期分量时，铁心磁通（即励磁电流）需要大大增加。

图2表示电流互感器在完全偏移的故障电流（非周期分量幅值达100%）下铁心磁通的增长情况，互感器带电阻性负荷。

图中Φac代表传变故障电流工频分量所需的磁通，而Φdc则代表传变暂态（非周期）分量所需的磁通，其值远大于传变工频分量的Φac。

磁通暂态分量Φdc是系统一次回路时间常数Tp和电流互感器二次回路时间常数Ts的函数。

Φdc开始时是按Tp增长。

磁通达到最大值的时间和数值与Tp、Ts等有关。

   按是否考虑短路电流的暂态过程，电流互感器分为P和TP两大类。

P类电流互感器要求在Φac情况下不饱和，而TP类电流互感器则要求在整个工作循环中的总磁通Φ＝Φac＋Φdc情况下不饱和。

因此要求TP类电流互感器的铁心远大于P类电流互感器。

要求增大的倍数即暂态面积增大系数Kdc。

   由标准［2］可知，对于全偏移短路电流，在C_t_O工作循环时，所需暂态面积系数为：

 电流互感器暂态面积系数Ktd与一次时间常数Tp有密切关系，对于P级、TPS和TPX级电流互感器,TpTs，短路电流为全偏移情况下，短路后不同时间t的Ktf与Tp关系见图3（图中Ts＝10s）。

在Tp较大时，Ktd可达几十倍。

   当一次电流存在非周期分量导致互感器暂态饱和时，二次电流的波形示例如图4。

图中Tp为50ms,R2n为4Ω，R2为2Ω。

图4（a）为互感器无剩磁的情况，图4（b）为互感器有75%剩磁的情况。

       由图4可知，非周期分量导致互感器暂态饱和时二次电流波形是不对称的，开始饱和的时间较长，如图4（a）为30ms。

但铁心有剩磁时，将加重饱和程度和缩短开始饱和时间，如图4（b），饱和开始时间为6ms。

   对铁心中剩磁的影响必须给予足够的注意，因为电流互感器由于短路电流引起暂态饱和形成剩磁后，在正常运行的电流情况下，剩磁很难消除。

文献［3］列举了在一个230kV系统141组电流互感器的调查结果如表1，可见各种程度的剩磁存在概率都是很大的。

　   为了减缓暂态饱和对继电保护的影响，需要采取必要的措施。

这种措施有两类：

一类是保护装置具备减缓饱和影响的能力；另一类是选择适当的电流互感器类型和参数。

4保护装置减缓互感器暂态饱和影响的措施[BT）]

   母线外部故障时，各支路的短路电流分布可能很不均匀，饱和情况可能很不一致。

为保证母线差动保护的正确动作，要求母线差动保护装置必须采取措施减缓暂态饱和影响，并不对电流互感器提出特殊要求。

这已成为定论并得到普遍执行。

   对于其它保护，如发电机差动保护、变压器差动保护等，则未有明确规定。

当前国内生产的保护装置一般未采取专门措施，而需要在选择电流互感器时，考虑暂态饱和的影响。

某些国外产品已声明采取了相应措施，而不再对互感器提出特殊要求。

   保护装置采取的措施，使用较广泛的有高阻抗母线保护，以提高差动继电器阻抗和利用饱和互感器分流来防止区外故障误动。

还有利用互感器暂态饱和有一定时延来区别差动保护中的差电流是由内部故障产生还是由饱和产生等等。

本文不准备详细讨论保护装置防止互感器饱和引起误动的各种措施。

只想着重指出，在当前普遍应用微机保护条件下，保护装置完全有可能采用多种有效措施来减缓暂态饱和的影响，因而可对互感器选择不提出特殊要求。

这样可产生重大经济效益。

所以，希望继电保护开发制造部门能在这方面取得更积极有效的成果。

   还需要指出的是互感器暂态饱和与稳态饱和的特性有很大差别，反映在二次电流的波形也很不相同，因而采取的措施也应注意区别对待。

例如利用故障与饱和出现的时间差时，暂态饱和与故障时差可能较明显，而稳态饱和与故障时差则较小（＜5ms）。

5考虑暂态饱和的电流互感器选择原则

   电流互感器暂态饱和问题是普遍存在的，但不同情况下严重程度有所差别，所导致的后果也不同。

如普遍要求选用的电流互感器保证暂态过程中不致饱和，则将大大增加投资。

实际上，许多工程中选用的一般电流互感器虽未能完全满足暂态特性要求，但也可能有一定暂态储备，运行经验表明，很多情况下采用一般互感器也是可接受的。

因此，选择保护用电流互感器时，应根据互感器所在系统暂态问题的严重程度，所用保护装置的特性及暂态饱和可能引起的后果等因素，慎重确定。

（1）500kV系统电流互感器选择

       500kV系统和高压侧为500kV的变压器或发电机变压器组，由于一次时间常数较大（100ms以上），电流互感器暂态饱和可能较严重，由此导致保护误动或拒动的后果严重。

因此，除保护装置本身能保证不受互感器暂态饱和影响的情况外，所选电流互感器应能满足暂态性能要求。

       500kV线路一般保护宜选用带小气隙的TPY级电流互感器，按考虑重合闸的两次工作循环进行暂态特性验算。

断路器失灵保护不宜使用TPY级电流互感器，可选用TPS级或5P等电流可较快衰减的互感器，但应注意防止互感器饱和时电流检测元件拒动。

   高压侧为500kV的发电机变压器组，高压侧母线一般为一个半断路器接线，差动保护回路500kV侧宜选用TPY级电流互感器，低压侧发电机中性点及出线端空间较紧张，装设TP类电流互感器可能存在困难，但穿越故障电流较小，一般不超出3倍额定电流。

因此，为与高压侧匹配，差动保护用电流互感器在满足暂态特性要求下可选用带小气隙的5PR级电流互感器［4］。

暂态性能可按外部三相短路C-O工作循环进行验算。

   高压侧为500kV的降压变压器的差动保护回路各侧均宜选用TPY级电流互感器。

高、中压侧宜按外部线路故障C-O-C-O工作循环校验暂态特性。

低压侧为三角接线时，可按外部三相短路C-O工作循环校验。

（2）220kV系统电流互感器选择

       220kV系统的暂态问题（Tp≈60ms）及其影响后果比500kV系统相对较轻，适当降低保护用电流互感器的暂态特性要求是可以接受的。

以往在220kV系统有大量按稳态特性选用的电流互感器运行经验，但通常这些互感器的短路电流倍数和二次负荷选择留有一定裕度。

因此，220kV系统一般可按稳态特性选用P类、PR类和PX类电流互感器，但宜适当提高所选用电流互感器的准确限值系数（ALF）以减少暂态饱和影响。

根据运行经验，所选互感器的准确限值系数宜大于保护校验故障电流与互感器额定电流之比的两倍，即用户给定暂态系数K≥2。

参见IEEEStdC37.110-1996等规定。

   高压侧为220kV的发电机变压器组或主变压器，虽然外部故障穿越短路电流倍数不大，但一次时间常数可能较大（发电机和发电机变压器组的Tp可能达150～250ms），短路暂态可能较严重。

其差动保护的各侧电流互感器除参照上述220kV重要线路，在按稳态特性选用电流互感器时，适当提高所选的ALF外。

还应特别注意各侧电流互感器特性及二次负荷的协调匹配。

       （3）母线保护用电流互感器的选择

   由于高压母线短路电流很大，而且外部故障时流过各互感器的电流差别也可能很大，母线差动保护用电流互感器的选择，很难满足各种外部故障下的暂态特性要求。

一般需要保护装置采取必要的减轻互感器暂态饱和影响的措施。

工程应用中可根据保护装置的特定要求采用适当的电流互感器。

       （4）110kV及以下系统电流互感器选择

       110kV及以下系统由于暂态问题及其影响相对较轻，电流互感器一般按稳态条件选择，采用P类互感器。

对于发电机或发电机变压器组，可参照上节的原则选用适当的电流互感器。

保护用电流互感器的分类和选择

1　保护用电流互感器的分类

（1）P类：

准确限值规定为稳态对称一次电流的复合误差εe的电流互感器，对剩磁无要求。

（2）PR类：

剩磁系数有规定值（≤10%）的电流互感器，在某些情况下，也可规定二次回路的时间常数或二次绕组电阻的限值。

　　（3）PX类，TPS类，TPX类，TPY类，TPZ类。

这些类的电流互感器有其特殊要求，在我国很少使用，这里不介绍。

2　保护用电流互感器的选择

　　保护用电流互感器的性能应满足继电保护正确动作的要求，首先应保证在稳态对称短路电流下的误差不超过规定值。

对于短路电流非周期分量和互感器剩磁的暂态影响，应根据所在系统暂态问题的严重程度、所接保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行经验等因素来合理考虑。

如果保护装置具有减缓电流互感器饱和的影响功能，则可按保护装置的特点来选择适当的电流互感器。

　　按照《电流互感器和电压互感器选择及计算导则》的对电流互感器的选择规定如下：

（1）330~500Kv系统保护，高压侧为330~500Kv的变压器保护和300MW及以上的发电机变压器组保护用的电流互感器，由于时间常数大（100ms以上），暂态饱和可能较严重，由此导致保护的拒动或误动的后果严重，因此，应选用TP类电流互感器，保证在实际短路工作循环中，不会暂态饱和。

来源:

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（2）220KV系统保护，高压侧为220KV的变压器保护，100~200MW级的发变机组差动保护用的电流互感器，暂态饱和问题及其影响相对较轻，可按稳态条件进行选择计算，为了减轻可能发生的暂态饱和影响而给定适当的暂态系数，宜选用P、PR、PX类电流互感器。

PR类能限制剩磁影响，有条件应推广使用。

给定暂态系数应根据应用情况和运行经验确定。

对于100~200MW机组外部故障给定暂态系数不宜低于10;220KV系统的给定暂态系数不宜低于2。

　　（3）110KV及以下系统保护用电流互感器一般按稳态条件选择，选用P类电流互感器。

　　（4）高压母线差动保护用电流互感器的选择，由于母线故障时短路电流大，而且外部短路时流过个电流互感器的差别也可能很大，即使各侧选用特性相同的电流互感器，其暂态饱和程度也可能很不一致。

为此，母线差动保护应具有抗互感器暂态饱和能力，在工程应用中可按稳态短路电流或保护装置的要求选用适当的互感器。

（5）非直接接地系统的接地保护用电流互感器，可根据具体情况采用由三相电流互感器组成的零序滤过器，专用电缆式或母线式零序电流互感器。