袁季修，盛和樂
(華北電力設(shè)計院，北京100011)
摘 要：討論保護用電流互感器的暫態(tài)飽和及工程應用中的問題�；ジ衅鲿簯B(tài)飽和對保護裝置性能有嚴重影響，為保證繼電保護在暫態(tài)飽和條件下正確動作，工程應用中應合理選用電流互感器的類型和參數(shù)，保護裝置必要時應采取減緩互感器飽和影響的措施。文中還列舉大型發(fā)電機變壓器組差動保護用電流互感器的選擇計算示例。
關(guān)鍵詞：電流互感器；飽和；短路電流偏移；暫態(tài)特性；準確限值；繼電保護
1前言
保護用電流互感器要求在規(guī)定的一次電流范圍內(nèi)，二次電流的綜合誤差不超出規(guī)定值。對于有鐵心的電流互感器，形成誤差的最主要因素是鐵心的非線性勵磁特性及飽和。電流互感器的飽和可分為兩類：一類是大容量短路穩(wěn)態(tài)對稱電流引起的飽和(以下稱為穩(wěn)態(tài)飽和)；另一類是短路電流中含有非周期分量和鐵心存在剩磁而引起的暫態(tài)飽和(以下稱為暫態(tài)飽和)。這兩類飽和的特性有很大不同，引起的誤差也差別很大。在同樣的允許誤差條件下，考慮暫態(tài)飽和要求的互感器鐵心截面可能是僅考慮穩(wěn)態(tài)飽和的數(shù)倍至數(shù)十倍。因而對互感器造價及安裝條件提出了嚴峻的要求。以往在中低壓系統(tǒng)和發(fā)電機容量較小的情況下，互感器暫態(tài)飽和的影響較輕，一般未采取專門對策。而對當前的超高壓系統(tǒng)和大容量機組，為保證繼電保護的正確動作，暫態(tài)飽和已成為必須考慮的因素。由于互感器暫態(tài)飽和的機理和計算較復雜，要求互感器暫態(tài)不飽和所需代價很高，因而在實際工程中應用情況較混亂。本文根據(jù)國內(nèi)外的標準和應用經(jīng)驗，提出較規(guī)范的考慮暫態(tài)飽和的互感器選擇和計算方法，供工程應用參考。作為示例，本文給出大型發(fā)電機變壓器組差動保護用電流互感器的選擇計算及參數(shù)選擇的建議。
2電流互感器的穩(wěn)態(tài)飽和特性及對策
當電流互感器通過的穩(wěn)態(tài)對稱短路電流產(chǎn)生的二次電動勢超過一定值時，互感器鐵心將開始出現(xiàn)飽和。這種飽和情況下的二次電流如圖1所示，其特點是：畸變的二次電流呈脈沖形，正負半波大體對稱，畸變開始時間小于5ms(1/4周波)，二次電流有效值將低于未飽和情況。對于反應電流值的保護，如過電流保護和阻抗保護等，飽和將使保護靈敏度降低。對于差動保護，差電流取決于兩側(cè)互感器飽和特性的差異。
例如某一1200/5的電流互感器，制造部門提供的規(guī)范為［1］：5P20，30VA。其中5P為準確等級，30VA為二次負荷額定值，20為準確限值系數(shù)(ALF)。電流互感器在額定負荷下的二次極限電動勢Es＝(ALF)·Isn·(Rct＋Rbn)，此時綜合誤差應不超過5%。綜合誤差也可選用10%。選擇保護用電流互感器時，一般要求ALF與額定一次電流乘積大于保護校驗用短路電流，二次負荷小于互感器額定負荷，實際二次電動勢不超過極限二次電動勢。當前工程中經(jīng)常遇到的問題是短路電流過大，ALF不滿足要求，但實際負荷比額定負荷小得多。對于低漏磁電流互感器［2］，可以在實際負荷下的二次電動勢不超過極限值的條件下，適當提高ALF的可用值。但應指出，對于某些不符合低漏磁要求的互感器，如U型電流互感器、一次多匝的互感器等，在一次短路電流倍數(shù)超過ALF時，由于鐵心局部飽和可能引起二次極限電動勢降低，不能在降低二次負荷時，按反比提高ALF。有些制造廠提供的ALF與負荷的關(guān)系曲線，未認真考慮上述局部飽和影響，使用時應慎重。
3電流互感器的暫態(tài)飽和
短路電流一般含有非周期分量，這將使電流互感器的傳變特性嚴重惡化。原因是電流互感器的勵磁特性是按工頻設(shè)計的，在傳變等效頻率很低的非周期分量時，鐵心磁通(即勵磁電流)需要大大增加。圖2表示電流互感器在完全偏移的故障電流(非周期分量幅值達100%)下鐵心磁通的增長情況，互感器帶電阻性負荷。圖中Φac代表傳變故障電流工頻分量所需的磁通，而Φdc則代表傳變暫態(tài)(非周期)分量所需的磁通，其值遠大于傳變工頻分量的Φac。磁通暫態(tài)分量Φdc是系統(tǒng)一次回路時間常數(shù)Tp和電流互感器二次回路時間常數(shù)Ts的函數(shù)。Φdc開始時是按Tp增長。磁通達到最大值的時間和數(shù)值與Tp、Ts等有關(guān)。
按是否考慮短路電流的暫態(tài)過程，電流互感器分為P和TP兩大類。P類電流互感器要求在Φac情況下不飽和，而TP類電流互感器則要求在整個工作循環(huán)中的總磁通Φ＝Φac＋Φdc情況下不飽和。因此要求TP類電流互感器的鐵心遠大于P類電流互感器。要求增大的倍數(shù)即暫態(tài)面積增大系數(shù)Kdc。
由標準［2］可知，對于全偏移短路電流，在C_t_O工作循環(huán)時，所需暫態(tài)面積系數(shù)為：
電流互感器暫態(tài)面積系數(shù)Ktd與一次時間常數(shù)Tp有密切關(guān)系，對于P級、TPS和TPX級電流互感器,TpTs，短路電流為全偏移情況下，短路后不同時間t的Ktf與Tp關(guān)系見圖3(圖中Ts＝10s)。在Tp較大時，Ktd可達幾十倍。
當一次電流存在非周期分量導致互感器暫態(tài)飽和時，二次電流的波形示例如圖4。圖中Tp為50ms,R2n為4Ω，R2為2Ω。圖4(a)為互感器無剩磁的情況，圖4(b)為互感器有75%剩磁的情況。
由圖4可知，非周期分量導致互感器暫態(tài)飽和時二次電流波形是不對稱的，開始飽和的時間較長，如圖4(a)為30ms。但鐵心有剩磁時，將加重飽和程度和縮短開始飽和時間，如圖4(b)，飽和開始時間為6ms。
對鐵心中剩磁的影響必須給予足夠的注意，因為電流互感器由于短路電流引起暫態(tài)飽和形成剩磁后，在正常運行的電流情況下，剩磁很難消除。文獻［3］列舉了在一個230kV系統(tǒng)141組電流互感器的調(diào)查結(jié)果如表1，可見各種程度的剩磁存在概率都是很大的。
為了減緩暫態(tài)飽和對繼電保護的影響，需要采取必要的措施。這種措施有兩類：一類是保護裝置具備減緩飽和影響的能力；另一類是選擇適當?shù)碾娏骰ジ衅黝愋秃蛥?shù)。
4保護裝置減緩互感器暫態(tài)飽和影響的措施[BT)]
母線外部故障時，各支路的短路電流分布可能很不均勻，飽和情況可能很不一致。為保證母線差動保護的正確動作，要求母線差動保護裝置必須采取措施減緩暫態(tài)飽和影響，并不對電流互感器提出特殊要求。這已成為定論并得到普遍執(zhí)行。
對于其它保護，如發(fā)電機差動保護、變壓器差動保護等，則未有明確規(guī)定。當前國內(nèi)生產(chǎn)的保護裝置一般未采取專門措施，而需要在選擇電流互感器時，考慮暫態(tài)飽和的影響。某些國外產(chǎn)品已聲明采取了相應措施，而不再對互感器提出特殊要求。
保護裝置采取的措施，使用較廣泛的有高阻抗母線保護，以提高差動繼電器阻抗和利用飽和互感器分流來防止區(qū)外故障誤動。還有利用互感器暫態(tài)飽和有一定時延來區(qū)別差動保護中的差電流是由內(nèi)部故障產(chǎn)生還是由飽和產(chǎn)生等等。本文不準備詳細討論保護裝置防止互感器飽和引起誤動的各種措施。只想著重指出，在當前普遍應用微機保護條件下，保護裝置完全有可能采用多種有效措施來減緩暫態(tài)飽和的影響，因而可對互感器選擇不提出特殊要求。這樣可產(chǎn)生重大經(jīng)濟效益。所以，希望繼電保護開發(fā)制造部門能在這方面取得更積極有效的成果。
還需要指出的是互感器暫態(tài)飽和與穩(wěn)態(tài)飽和的特性有很大差別，反映在二次電流的波形也很不相同，因而采取的措施也應注意區(qū)別對待。例如利用故障與飽和出現(xiàn)的時間差時，暫態(tài)飽和與故障時差可能較明顯，而穩(wěn)態(tài)飽和與故障時差則較小(＜5ms)。
5考慮暫態(tài)飽和的電流互感器選擇原則
電流互感器暫態(tài)飽和問題是普遍存在的，但不同情況下嚴重程度有所差別，所導致的后果也不同。如普遍要求選用的電流互感器保證暫態(tài)過程中不致飽和，則將大大增加投資。實際上，許多工程中選用的一般電流互感器雖未能完全滿足暫態(tài)特性要求，但也可能有一定暫態(tài)儲備，運行經(jīng)驗表明，很多情況下采用一般互感器也是可接受的。因此，選擇保護用電流互感器時，應根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問題的嚴重程度，所用保護裝置的特性及暫態(tài)飽和可能引起的后果等因素，慎重確定。
(1)500kV系統(tǒng)電流互感器選擇
500kV系統(tǒng)和高壓側(cè)為500kV的變壓器或發(fā)電機變壓器組，由于一次時間常數(shù)較大(100ms以上)，電流互感器暫態(tài)飽和可能較嚴重，由此導致保護誤動或拒動的后果嚴重。因此，除保護裝置本身能保證不受互感器暫態(tài)飽和影響的情況外，所選電流互感器應能滿足暫態(tài)性能要求。
500kV線路一般保護宜選用帶小氣隙的TPY級電流互感器，按考慮重合閘的兩次工作循環(huán)進行暫態(tài)特性驗算。斷路器失靈保護不宜使用TPY級電流互感器，可選用TPS級或5P等電流可較快衰減的互感器，但應注意防止互感器飽和時電流檢測元件拒動。
高壓側(cè)為500kV的發(fā)電機變壓器組，高壓側(cè)母線一般為一個半斷路器接線，差動保護回路500kV側(cè)宜選用TPY級電流互感器，低壓側(cè)發(fā)電機中性點及出線端空間較緊張，裝設(shè)TP類電流互感器可能存在困難，但穿越故障電流較小，一般不超出3倍額定電流。因此，為與高壓側(cè)匹配，差動保護用電流互感器在滿足暫態(tài)特性要求下可選用帶小氣隙的5PR級電流互感器［4］。暫態(tài)性能可按外部三相短路C-O工作循環(huán)進行驗算。
高壓側(cè)為500kV的降壓變壓器的差動保護回路各側(cè)均宜選用TPY級電流互感器。高、中壓側(cè)宜按外部線路故障C-O-C-O工作循環(huán)校驗暫態(tài)特性。低壓側(cè)為三角接線時，可按外部三相短路C-O工作循環(huán)校驗。
(2)220kV系統(tǒng)電流互感器選擇
220kV系統(tǒng)的暫態(tài)問題(Tp≈60ms)及其影響后果比500kV系統(tǒng)相對較輕，適當降低保護用電流互感器的暫態(tài)特性要求是可以接受的。以往在220kV系統(tǒng)有大量按穩(wěn)態(tài)特性選用的電流互感器運行經(jīng)驗，但通常這些互感器的短路電流倍數(shù)和二次負荷選擇留有一定裕度。因此，220kV系統(tǒng)一般可按穩(wěn)態(tài)特性選用P類、PR類和PX類電流互感器，但宜適當提高所選用電流互感器的準確限值系數(shù)(ALF)以減少暫態(tài)飽和影響。根據(jù)運行經(jīng)驗，所選互感器的準確限值系數(shù)宜大于保護校驗故障電流與互感器額定電流之比的兩倍，即用戶給定暫態(tài)系數(shù)K≥2。參見IEEE Std C37.110-1996等規(guī)定。
高壓側(cè)為220kV的發(fā)電機變壓器組或主變壓器，雖然外部故障穿越短路電流倍數(shù)不大，但一次時間常數(shù)可能較大(發(fā)電機和發(fā)電機變壓器組的Tp可能達150～250ms)，短路暫態(tài)可能較嚴重。其差動保護的各側(cè)電流互感器除參照上述220kV重要線路，在按穩(wěn)態(tài)特性選用電流互感器時，適當提高所選的ALF外。還應特別注意各側(cè)電流互感器特性及二次負荷的協(xié)調(diào)匹配。
(3)母線保護用電流互感器的選擇
由于高壓母線短路電流很大，而且外部故障時流過各互感器的電流差別也可能很大，母線差動保護用電流互感器的選擇，很難滿足各種外部故障下的暫態(tài)特性要求。一般需要保護裝置采取必要的減輕互感器暫態(tài)飽和影響的措施。工程應用中可根據(jù)保護裝置的特定要求采用適當?shù)碾娏骰ジ衅鳌＊?/p>
(4)110kV及以下系統(tǒng)電流互感器選擇
110kV及以下系統(tǒng)由于暫態(tài)問題及其影響相對較輕，電流互感器一般按穩(wěn)態(tài)條件選擇，采用P類互感器。對于發(fā)電機或發(fā)電機變壓器組，可參照上節(jié)的原則選用適當?shù)碾娏骰ジ衅鳌＊?/p>
6發(fā)電機變壓器組差動保護電流互感器的選擇示例
設(shè)發(fā)電機組容量為600MW，機端電壓為20kV，cos[WTBX]θ＝0.9。升壓變壓器組高壓側(cè)為[WTBZ]500kV，母線為一個半斷路器接線。高壓側(cè)短路時，通過機組的高壓側(cè)短路電流為2.1kA，Tp＝0.2s；系統(tǒng)供給的短路電流為38kA，Tp＝0.1s。
(1)高壓側(cè)機組額定電流為734A，電流互感器采用TPY級。考慮系統(tǒng)穿越電流大，變比選為2500/1，Kssc＝20，Tp＝0.1s，Rct＝9Ω，Rbn＝15Ω，Ts＝0.8s。保證的工作循環(huán)為C0.1s-O-0.5sC0.04s-O。根據(jù)(2)式，可求出其額定暫態(tài)面積系數(shù)Ktd如下：
由此求出電流互感器額定等效二次極限電動勢為：
系統(tǒng)供給的短路電流，Tp＝0.1s,Ts＝1.01s，由(2)式求出要求的暫態(tài)系數(shù)為27.4。
機組供給的短路電流，Tp＝0.2s，Ts＝1.01s，由(2)式求出要求的暫態(tài)系數(shù)為34.9。
要求的總等效暫態(tài)面積系數(shù)為：
對于TPY電流互感器還應按下式校驗暫態(tài)工作中勵磁電流引起的誤差，要求不超出10%
(2) 發(fā)電機變壓器組低壓回路電流互感器的選擇。低壓側(cè)額定電流為19.3kA，取低壓側(cè)互感器為25000/1，高壓側(cè)短路時流過低壓側(cè)的短路電流為2100×525/20＝55125A。設(shè)高低壓側(cè)變比誤差由差動繼電器抽頭或軟件實現(xiàn)補償。電流互感器性能按外部三相短路C-O工作循環(huán)進行校驗。如選用P類電流互感器，則其要求暫態(tài)面積系數(shù)Ktd為：
設(shè)所選互感器參數(shù)為Rct＝9Ω，Rbn＝15Ω。實際負荷Rb＝10Ω，則電流互感器的ALF需要滿足下式：
P類互感器的ALF滿足44.9是可能的。但如果考慮剩磁，由于P類互感器剩磁系數(shù)很難控制，要求保證電流互感器在暫態(tài)過程中不飽和則較困難了。較合理的方案是選用有剩磁限值的5PR電流互感器, ALF＞50。5PR已納入新的IEC標準［4］，規(guī)定其剩磁系數(shù)小于10%，這樣，低壓側(cè)互感器可以與高壓側(cè)TPY特性較好地匹配。但PR類互感器勵磁阻抗較低，即Ts值較低，需按上述TPY的類似方法校驗暫態(tài)工作中勵磁電流引起的誤差，不應超出10%。
7小結(jié)
電流互感器的暫態(tài)飽和嚴重影響其傳變特性，為保持暫態(tài)綜合誤差于規(guī)定范圍，互感器鐵心可能需要增大幾倍至幾十倍。嚴重影響造價，不利于安裝。
工程設(shè)計選擇電流互感器時是否考慮暫態(tài)飽和，應根據(jù)系統(tǒng)中暫態(tài)飽和的出現(xiàn)條件和后果的嚴重程度，區(qū)別對待。一般500kV系統(tǒng)宜要求電流互感器在短路暫態(tài)中不飽和；220kV系統(tǒng)及某些重要回路可適當提高互感器飽和電壓以減輕暫態(tài)飽和影響；其它系統(tǒng)允許不考慮暫態(tài)飽和問題。
電流互感器的剩磁嚴重影響其飽和特性，而且正常運行不易消磁。因此，對某些要求特性嚴格匹配的電流互感器(如差動保護)，宜盡量選用有剩磁限值的互感器。除TPY外，P類互感器中有剩磁限值的PR型已正式納入IEC標準［4］，可以應用。
如保護裝置本身采取了措施減緩互感器暫態(tài)飽和的影響，則電流互感器可不再考慮暫態(tài)飽和問題。在當前普遍使用微機保護的條件下，保護采取措施在很多情況下都是可行的。如母線保護已普遍設(shè)有防止互感器飽和導致誤動的措施。國外有些發(fā)電機和變壓器的差動保護也有防止互感器飽和引起誤動的措施。因此，這方面還有很大的改進潛力。
