電流互感器鐵芯飽和產(chǎn)生的原因
作者：威博特鐵芯 發(fā)布時(shí)間：2019-03-30 15:01:31 瀏覽次數(shù)： 電流互感器是用于測量電力系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下一次電流的設(shè)備，電流互感器輸出的二次側(cè)電流是電力系統(tǒng)計(jì)量設(shè)備，自動(dòng)化設(shè)備，繼電保護(hù)裝置運(yùn)行的基礎(chǔ)，二次電流輸出的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在正常工作電流下，電流互感器工作在不飽和狀態(tài)，二次電流能夠正確反映一次電流的波形和幅值，為測量和保護(hù)設(shè)備提供正確的信息；但當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，故障電流遠(yuǎn)超過正常工作電流，特別是含有較大的非周期分量時(shí)，電流互感器將很快達(dá)到飽和，互感器無法正常傳變一次電流，二次電流幅值大大減小，造成保護(hù)裝置動(dòng)作性能下降，引起繼電保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。
造成電流互感器鐵芯的原因主要有以下幾方面：
第一，電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流互感器容量只考慮了當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)容量，能保證當(dāng)時(shí)的條件下發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)互感器不飽和。然而隨著近年來系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，原來電流互感器的容量已經(jīng)不能滿足新的系統(tǒng)需求，互感器設(shè)備更新速度又跟不上，就導(dǎo)致不飽和的互感器在新的情況下發(fā)生飽和。第 二，電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障電流不僅大（有可能達(dá)到正常額定電流的幾十倍），而且含有大量的非周期分量，非周期分量的存在使鐵芯被大幅度單方向勵(lì)磁，導(dǎo)致電流互感器飽和。
第三，傳統(tǒng)的電流互感器由于制造工藝的限制，無法消除故障切除時(shí)互感器的剩磁，如果恰好剩磁極性同故障電流所產(chǎn)生的磁場極性相同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致電流互感器鐵芯飽和，造成電流互感器的二次電流發(fā)生畸變。
這里結(jié)合電流互感器飽和實(shí)例，介紹了電流互感器飽和的原理和過程，分析了電流互感器飽和對(duì)相關(guān)繼電保護(hù)的影響，提出了幾種減少電流互感器飽和對(duì)繼電保護(hù)影響的方法。
1、電流互感器鐵芯的飽和實(shí)例
２０１２年３月１日１０時(shí)４５分２３秒，北方某電廠第一套保護(hù)發(fā)電 機(jī) 差 動(dòng) 保 護(hù) 動(dòng) 作，錄 波 顯 示 發(fā) 電 機(jī) Ｂ 相差動(dòng)電流超過啟動(dòng)值，發(fā)跳機(jī)指令，第二套保護(hù)運(yùn)行正常。發(fā)電機(jī)差動(dòng)動(dòng)作時(shí)的錄波如圖１～圖４所示。事故分析，事實(shí)上當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部無故障，也沒有發(fā)生發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)的區(qū)內(nèi)故障。后經(jīng)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)機(jī)端電流互感器 Ｂ相至第一套保護(hù)裝置的二次線有部分松動(dòng)，導(dǎo)致本組電流互感器的二次負(fù)載增大。
2、電流互感器鐵芯飽和產(chǎn)生的原因
電流互感器的飽和分為暫態(tài)飽和和穩(wěn)態(tài)飽和，其中暫態(tài)飽和存在的主要原因有兩個(gè)：一是故障切除后電流互感器普遍存在的鐵芯剩磁，鐵芯剩磁能使互感器在一次電流大于正常電流時(shí)很快達(dá)到暫態(tài)飽和；二是電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流中大量存在非周期分量，而電互感器是安裝工頻特性設(shè)計(jì)的，在傳變非周期分量的過程中，互感器的勵(lì)磁電流迅速增大使互感器很快達(dá)到暫態(tài)飽和。通常這種情況下的二次電流小于故障電流；穩(wěn)態(tài)飽和則是由于電流互感器設(shè)計(jì)的容量有限，發(fā)生故障時(shí)故障電流能達(dá)到幾十倍甚至上百倍的正常工作電流，此時(shí)，電流互感器已經(jīng)工作在它的飽和區(qū)域，此時(shí)電流互感器的傳變特性已經(jīng)發(fā)生改變，不能正常的反應(yīng)一次電流的實(shí)際工況。無論是暫態(tài)飽和還是穩(wěn)態(tài)飽和，電流互感器的二次電流輸出都比正常值偏小。
①、電流互感器穩(wěn)態(tài)飽和特性
引起電 流 互 感 器 穩(wěn) 態(tài) 飽 和 的 原 因 是 流 過 互 感 器一次側(cè)的穩(wěn)態(tài)對(duì)稱電流，當(dāng)電流大于一定值時(shí)，電流互感器二次側(cè)產(chǎn)生的電動(dòng)勢也將超過一定值時(shí)，引起互感器鐵芯出現(xiàn)飽和。這種飽和情況下的二次電流波形如圖５所示，其特點(diǎn)是：畸變的二次電流正負(fù)半波大體對(duì)稱，呈脈沖型。因此對(duì)于反映電流有效值的保護(hù)，如過流保護(hù)和負(fù)序電流保護(hù)等，飽和將使保護(hù)靈敏度降低。對(duì)于差動(dòng)保護(hù)，差電流則取決于兩側(cè)互感器飽和特性的差異。
剩磁引起電流互感器飽和
系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如果斷路器在斷開故障電流的瞬間，故障電流正好過零點(diǎn)，且二次回路的負(fù)荷時(shí)純電感性時(shí)，則此時(shí)對(duì)應(yīng)電流互感器的二次側(cè)感應(yīng)電壓為值，磁通為０，因此互感器不產(chǎn)生剩磁。而現(xiàn)在普遍 使用的微機(jī)型繼電保護(hù)裝置，保護(hù)本身的功率消耗很小，電流互感器的主要負(fù)載取決于連接電纜，因此二次回路的負(fù)載性質(zhì)為電阻性負(fù)荷。二次回路的負(fù)荷為電阻性，導(dǎo)致故障切除后，電流互感器中還存在大量的剩磁，并且可能接近峰值。
剩磁一旦產(chǎn)生，正常工況下不會(huì)自行消除。正常運(yùn)行時(shí)，由于電流小，磁通的變化范圍不大在剩磁周圍的小磁滯回線上工作，并不影響正常運(yùn)行時(shí)電流的正確傳變，如圖６所示。
一次系統(tǒng)非周期分量電流的存在對(duì)電流互感器傳變的影響嚴(yán)重，可能引起鐵芯高度飽和，具體過程分析如下：當(dāng)電流互感器一次電流含有直流分量且鐵芯仍是線性而不考慮剩磁時(shí)，電流互感器勵(lì)磁電流達(dá)到的時(shí)間為：
雖然直流勵(lì)磁電流不產(chǎn)生變化磁通，但是能作為勵(lì)磁電流改變鐵芯的工況。如果非周期分量存在時(shí)間 Ｔ２長，則很容易使互感器出現(xiàn)暫態(tài)飽和，其勵(lì)磁電流的Ｉｕ的上升變化如圖７所示。電流互感器的暫態(tài)飽和過程是鐵芯磁鏈隨著一次電流非周期分量的時(shí)間積分作用而逐漸進(jìn)入飽和的過程。即電流互感器一開始能夠線性傳變一次 信 息，隨 著 時(shí) 間 推 移，傳 變 特 性 越 來 越 差。該結(jié)論已被許多電流差動(dòng)保護(hù)所采用。
