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摘要：电流互感器作为各类保护的测量元件，其测量效果的好坏将直接影响保护动作的效果，而其饱和问题在实际应用中又比较突出。本文简要地分析了电流互感器产生饱和的原因和对继电保护产生的影响，并结合工作经验提出了一些实用的对策，为相关工作人员提供参考。
关键词：电流互感器；饱和；继电保护；对策
一、引言
电流互感器（Current Transformer，CT）是发电厂继电保护装置中的重要元件，对继电保护是否能够发挥保护功能起到了决定性的作用。电流互感器发挥着电流信号的传变作用，其运行效率直接关乎到电厂继电保护装置的保护动作是否快速准确。当电流互感器运行中是否存在饱和现象，与继电保护装置运行的安全可靠性密切相关。文章针对电流互感器各种饱和原因和对继电保护的影响作简要分析，并提出有效对策，对发电厂继电保护的正确动作具有实际意义。
二、电流互感器饱和的原因
（一）电流互感器的饱和过程
由于电流互感器是一个具有铁芯的非线性元件。当铁芯不饱和时，励磁阻抗Zm的数值很大且基本维持不变，因此励磁电流Im很小，可近似认为励磁支路开路，此时可认为一次电流和二次电流成正比而且误差很小。当互感器的一次主回路发生短路故障时流过互感器的大短路电流极可能使其饱和，励磁阻抗Zm迅速下降，励磁电流增大，最严重时会使一次电流全部变成励磁电流，造成二次电流为零的情况。此时一次的故障电流不能正确地反应到二次侧，从而影响继电保护不能正常动作。实际的饱和过程非常复杂，且此过程其实是一个恶性循环的过程
（二）电流互感器饱和特性
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，具体分析如下：
1.电流互感器稳态饱和特性
电流互感器稳态饱和的原因是当流过互感器一次侧的稳态对称电流大于一定值时，电流互感器二次侧产生的电动势将超过了一定值时，引起互感器铁芯出现饱和。这种饱和情况下的二次电流波形如图2所示，其特点是：畸变的二次电流正负半波大体对称，呈脉冲型。因此对于反映电流有效值的保护，如过流保护和负序电流保护等，饱和将使保护灵敏度降低。对于差动保护，差电流则取决于两侧互感器饱和特性的差异。
图2 稳态饱和曲线
2.电流互感器暂态饱和特性
电流互感器的暂态饱和与电流互感器中的剩磁以及互感器短路电流中的非周期分量密切相关。
（1）非周期分量引起电流互感器饱和
一次系统非周期分量对电流互感器传变特性影响很大，可能造成互感器铁芯严重饱和。当一次电流含有直流分量且铁芯仍是线性而又不考虑铁芯剩磁时，电流互感器励磁电流达到最大值所需时间为：
式中：T 1为一次系统时间常数，与电压等级及故障点位置有关；T2为二次系统时间常数，与互感器励磁电感及二次负荷有关。当一次电流包含有长时间的非周期分量时，可能使互感器铁芯深度饱和，但饱和出现的时间有时延，且时延大小与系统一、二次时间常数有关。这主要是因为电流互感器的励磁回路是一个大电感，故障时，按T1衰减的一次电流非周期分量（强迫分量）突然作为励磁电流，由于电感中的电流是不能突变的，二次回路必然产生自由直流分量，此自由直流分量按T2衰减，则励磁电流按一定规律延时上升。直流励磁电流不产生变化磁通，但能作为励磁电流而改变铁芯的工况。如果非周期分量存在时间长，则很容易使互感器出现暂态饱和。它是随着一次电流非周期分量时间积分作用而逐渐进入饱和的。
（2）剩磁引起的电流互感器饱和
系统发生故障时，如果断路器在断开故障电流的瞬间，故障电流正好过零点，且二次回路的负荷时纯电感性时，则此时对应电流互感器的二次感应电压为最大值，磁通为0，无剩磁；反之，如为纯阻性负载，磁通最大，剩磁也最严重。而现在普遍使用的微机型继电保护装置，保护本身的功率消耗很小，电流互感器的主要负载取决于连接电缆，因此二次回路的负载性质为电阻性负荷，使得剩磁大大增加，铁芯在正常负荷下长期处于某一极性的磁通中，电力系统再次故障时，如出现同极性的磁化现象，则铁芯饱和时间将大大增加。剩磁一旦产生，在正常工况下不易消除。正常运行时，由于电流小，磁通的变化范围不大，并不影响正常运行时电流的正确传变，当发生故障时，磁通变化的起始点是剩磁周围的小磁滞回线上。若要求磁通向着靠近饱和方向变化，则互感器就会很快进入饱和点，时间约为毫秒级。
三、电流互感器饱和对发电厂继电保护的影响
（一）对差动保护的影响
电流差动保护广泛应用于发电厂中发电机、变压器、母线和大容量电动机等重要设备，其基本原理是通过直接比较被保护设备两端电流的幅值和相位来判断是保护区内还是区外故障，在保护区内故障时动作跳闸。当正常情况时差动回路的电流近似为零；当被保护元件以外发生短路时，如果短路电流或其中的非周期分量很大，将使各侧互感器铁芯严重饱和，在差动回路中产生较大的不平衡电流；若各侧互感器铁芯饱和程度不一致较严重，则差动回路不平衡电流将更大，且该不平衡电流随外部短路电流及其非周期分量的增加而增加；尤其是母线差动保护区外故障时，故障元件的电流互感器饱和最为严重。当不平衡电流大于差动保护的整定值时，差动保护将发生误动作。例如某热电厂2014年6月出现过#1给水泵启动时差动保护误动作的情况。究其根本原因，是因两侧电流互感器暂态传变特性不一致造成二次侧差动电流增大，因而造成差动保护误动作。
（二）对电流速断保护的影响
电流速断保护判断过流是取的二次电流的有效值，电流互感器铁芯严重饱和时，二次电流的有效值将远小于实际值，速断保护可能因得到的电流有效值不够大而拒动。同样铁芯饱和也会导致反时限过流保护延时动作，当铁芯饱和时，二次电流比实际值偏小，保护装置采到的电流有效值将小于正确值。因此，动作时间将延长，错过了故障切除的最好时机。
（三）对距离保护的影响
电流互感器饱和时波形产生畸变，对电流的幅值和相位都会产生影响。对于常规输电线路的距离保护主要影响保护范围，距离保护的测量阻抗偏大，保护范围缩短。实际上尚未出现因CT轻微饱和而导致距离保护越的现象。对工频变化量阻抗有可能因相位变化导致失去方向而误动，仿真实验结果对于5ms以上线性传变的CT饱和，未见工频变化量阻抗失去方向性。
（四）对低压电动机保护的影响
在发电厂实际生产中，因低压电动机综合保护装置具有价格便宜、体积小等优点而得到了广泛的使用。但不同容量和规格的电机要配备不同的互感器，因而通用性差。再加上电气设备厂家间常用降价来增加竞争优势，这就造成了一些厂家忽视保护装置中一些器件的性能，特别是电流互感器的性能。这些问题使得电动机在负荷变化较大时，特别是在定子绕组发生故障时，很可能因短路电流过大而造成电流互感器的饱和，引起电动机综合保护装置的拒动或误动。如广州市旺隆热电厂发生过#1冲洗水泵机械卡涩引起电机过流，电机智能控制保护装置过热保护未动作，造成上一级电源取水头MCC电源一过流二段保护越级动作，导致了取水头MCC电源失压。经过现场检查和分析发现，冲洗水泵智能MCC控制保护装置配置的CT2型专用电流互感器按说明书所述的可用于1kW 以上75kW以下功率电机，电流精确测量范围为1~600A，但实际试验中发现在一次电流达到290A左右时开始趋向饱和，当时冲洗水泵因堵转电流达到380A，过热保护反时限动作时间大大延长，大于上一级电源开关保护动作时间，使得保护失去选择性，上一级电源开关保护越级动作。
四、电流互感器饱和对电厂继电保护产生影响的对策
目前，继电保护受到的社会关注度较高，同时也是电力工作开展的重点内容。电流互感器饱和在出现后，意味着继电保护本身将受到很严重的影响，如果可以通过多元化的对策来解决影响，不仅能够更好地控制电流互感器饱和问题，还可以最大限度地提高继电保护能力，为后续的电力发展，提供足够的帮助。
（一）限制短路电流
由于短路电流的幅值是引起电流互感器饱和的一个重要因素。所以，限制短路电流是有效抑止电流互感器饱和的重要措施，事实上，限制短路电流对一次设备的保护也是必要的。常见的限制短路电流的方法有如下几种：
1．合理选择发电厂和电网的接线方式，避免发电厂母线负荷过分集中。同时，可以采用部分变压器中性点不接地的运行方式，对环形供电网，发生故障时可将电网自动解列运行。
2.在新建系统中可采取串联线路电抗器，以增大系统阻抗的做法来限制短路电流。
3.在大容量发电厂中可采用低压侧带分裂组的变压器。
4.采用快速保护装置，尽快切除短路故障。
（二）选择合适的电流互感器
电流互感器的选型要考虑或注意到电流互感器的暂态饱和问题，如在高压系统或大容量电力设备高压侧普遍设计采用具有暂态特性的TPY级电流互感器，以及选用带有气隙的PR级电流互感器等。而且不能采用按负荷电流的大小确定保护级电流变比的方法，必须综合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电流互感器的变比。有条件的还可以采用传感器来代替互感器。
（三）减小电流互感器的二次负载
1.选用交流功耗小的保护装置，微机保护装置一般能满足交流功耗小的要求。
2.尽可能将继电保护装置就地安装，缩短二次接线长度，采用大截面的CT二次接线，这些措施都能很好降低CT的二次负载，避免CT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的运行能力和抗强电磁干扰的性能要好，但这两个问题都不难解决。
3.减小CT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5A降至1A，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，CT不容易饱和。
（四）增大保护级CT的变化
不能采用按负荷电流的大小确定保护级电流变化的方法，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CT的变比。增大了保护级CT变比能够有效解决电流互感器特性不理想甚至饱和。广州市旺隆热电厂#1给水泵采用增大保护级CT的变比彻底解决了差动保护误动的隐患。但增大了保护级CT的变比后会给继电保护装置的运行带来一些负面影响，主要是不利于电流互感器二次回路和继电保护装置的运行监视。
（五）采用抗饱和能力强的继电保护装置
采用对电流饱和不敏感的保护原理或保护判据。广泛使用微机保护装置是抗CT饱和的途径之一。在微机差动保护中，利用软件技术实现抗CT饱和的功能。例如在发变组成套装置中的差动保护利用各相二次电流中的综合谐波作为电流互感器饱和判据。另外，还可以采用对CT饱和不敏感的数字式保护装置，有效利用电流不饱和段的信息等方法解决抗CT饱和问题。
结束语
本文对电流互感器的饱和原因和对发电厂继电维护的影响展开讨论，并提出了相关抑止饱和的措施，保证发电厂继电保护装置动作的正确性，确保电厂的安全、稳定运行有着重要意义。以上所述措施在实际的工程应用中有一定借鉴意义。一些更有效的措施或技术，需要借助于电力科学的不断发展和对实际运行情况的不断总结。
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[4]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京：水利电力出版社，1994.
论文作者:邱亮新
论文发表刊物:《基层建设》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/13
标签：电流论文; 电流互感器论文; 互感器论文; 保护装置论文; 剩磁论文; 分量论文; 发电厂论文; 《基层建设》2017年第8期论文;