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    電流互感器鐵芯飽和產生的原因

    作者:威博特鐵芯   發布時間:2019-03-30 15:01:31 瀏覽次數:
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        電流互感器是用于測量電力系統正常運行和故障狀態下一次電流的設備,電流互感器輸出的二次側電流是電力系統計量設備,自動化設備,繼電保護裝置運行的基礎,二次電流輸出的準確與否,直接關系到電力系統的安全穩定運行。在正常工作電流下,電流互感器工作在不飽和狀態,二次電流能夠正確反映一次電流的波形和幅值,為測量和保護設備提供正確的信息;但當電力系統發生故障,故障電流遠超過正常工作電流,特別是含有較大的非周期分量時,電流互感器將很快達到飽和,互感器無法正常傳變一次電流,二次電流幅值大大減小,造成保護裝置動作性能下降,引起繼電保護拒動或誤動。
        造成電流互感器鐵芯的原因主要有以下幾方面:
        第一,電力系統設計的電流互感器容量只考慮了當時的系統容量,能保證當時的條件下發生系統故障時互感器不飽和。然而隨著近年來系統規模的擴大,原來電流互感器的容量已經不能滿足新的系統需求,互感器設備更新速度又跟不上,就導致不飽和的互感器在新的情況下發生飽和。第    二,電力系統發生故障時,故障
    電流不僅大(有可能達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磁,導致電流互感器飽和。
        第三,傳統的電流互感器由于制造工藝的限制,無法消除故障切除時互感器的剩磁,如果恰好剩磁極性同故障電流所產生的磁場極性相同時,也會導致電流互感器鐵芯飽和,造成電流互感器的二次電流發生畸變。
        這里結合電流互感器飽和實例,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相關繼電保護的影響,提出了幾種減少電流互感器飽和對繼電保護影響的方法。

     
    1、電流互感器鐵芯的飽和實例
        
    2012年3月1日10時45分23秒,北方某電廠第一套保護發電 機 差 動 保 護 動 作,錄 波 顯 示 發 電 機 B 相差動電流超過啟動值,發跳機指令,第二套保護運行正常。發電機差動動作時的錄波如圖1~圖4所示。事故分析,事實上當時發電機內部無故障,也沒有發生發電機差動保護范圍內的區內故障。后經仔細檢查發現,發電機機端電流互感器 B相至第一套保護裝置的二次線有部分松動,導致本組電流互感器的二次負載增大。

        電流互感器的飽和實例圖
    電流互感器的飽和實例圖
        
    2、電流互感器鐵芯飽和產生的原因
        
    電流互感器的飽和分為暫態飽和和穩態飽和,其中暫態飽和存在的主要原因有兩個: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很快達到暫態飽和;二是電力系統發生短路故障時,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計的,在傳變非周期分量的過程中,互感器的勵磁電流迅速增大使互感器很快達到暫態飽和。通常這種情況下的二次電流小于故障電流;穩態飽和則是由于電流互感器設計的容量有限,發生故障時故障電流能達到幾十倍甚至上百倍的正常工作電流,此時,電流互感器已經工作在它的飽和區域,此時電流互感器的傳變特性已經發生改變,不能正常的反應一次電流的實際工況。無論是暫態飽和還是穩態飽和,電流互感器的二次電流輸出都比正常值偏小。
        ①、
    電流互感器穩態飽和特性
        引起電 流 互 感 器 穩 態 飽 和 的 原 因 是 流 過 互 感 器一次側的穩態對稱電流,當電流大于一定值時,電流互感器二次側產生的電動勢也將超過一定值時,引起互感器鐵芯出現飽和。這種飽和情況下的二次電流波形如圖5所示,其特點是:畸變的二次電流正負半波大體對稱,呈脈沖型。因此對于反映電流有效值的保護,如過流保護和負序電流保護等,飽和將使保護靈敏度降低。對于差動保護,差電流則取決于兩側互感器飽和特性的差異。
    互感器鐵芯穩態飽和曲線
        ②、電流互感器的暫態飽和特性
          
    剩磁引起電流互感器飽和
        
    系統發生故障時,如果斷路器在斷開故障電流的瞬間,故障電流正好過零點,且二次回路的負荷時純電感性時,則此時對應電流互感器的二次側感應電壓為值,磁通為0,因此互感器不產生剩磁。而現在普遍 使用的微機型繼電保護裝置,保護本身的功率消耗很小,電流互感器的主要負載取決于連接電纜,因此二次回路的負載性質為電阻性負荷。二次回路的負荷為電阻性,導致故障切除后,電流互感器中還存在大量的剩磁,并且可能接近峰值。
        
    剩磁一旦產生,正常工況下不會自行消除。正常運行時,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,并不影響正常運行時電流的正確傳變,如圖6所示。
    主磁滯回線和小磁滯回線
        剩磁的大小可用剩磁系數 Kr 表示,其為剩磁通密度Br 和飽和磁通密度Bs 之比,即 Kr=Br/Bs.文獻列舉了一個230kV 系統141組電流互感器的調查結果如表1所示??梢姼鞣N程度的剩磁存在概率都是很大的。當發生故障時,磁通變化的起始點在剩磁周圍的小磁滯回線上,若要求磁通向著靠近飽和方向變化,則互感器很快進入飽和點,時間約為毫秒級。降低剩磁的方法有兩類:一類是繼電保護裝置具備減緩保護影響的能力;另一類是選擇新型的電流互感器。
    剩磁調查結果表
          非周期分量引起電流互感器飽和
        
    一次系統非周期分量電流的存在對電流互感器傳變的影響嚴重,可能引起鐵芯高度飽和,具體過程分析如下:當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,電流互感器勵磁電流達到的時間為:
        由表達式(1)可知:當一次電流包含長時間的非周期分量時,電流互感器發生飽和的時間與與 T1,T2 有關。式中:T1 為一 次 系 統 時 間 常 數;T2 為 二 次 系 統 回路時間常數。這主要是由電流互感器的勵磁回路是一個大電感決定 的,故 障 發 生 時,按 T1 衰減的一次電流非周期分量突然作為勵磁電流,為滿足電流互感器勵磁電感中電流不能突變的要求,二次回路必產生自由直流分量,來保 證 電 感 電 流 不 能 突 變。此自由直流分量按T2 衰減,于是出現了勵磁電流按一定規律延時上升的現象。
        
    雖然直流勵磁電流不產生變化磁通,但是能作為勵磁電流改變鐵芯的工況。如果非周期分量存在時間 T2長,則很容易使互感器出現暫態飽和,其勵磁電流的Iu的上升變化如圖7所示。電流互感器的暫態飽和過程是鐵芯磁鏈隨著一次電流非周期分量的時間積分作用而逐漸進入飽和的過程。即電流互感器一開始能夠線性傳變一次 信 息,隨 著 時 間 推 移,傳 變 特 性 越 來 越 差。該結論已被許多電流差動保護所采用。
    一次電流和磁通,二次電流和勵磁電流的波形

     




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