P类电流互感器铁心饱和问题探析

时间：2024-05-04

荣先伟　国网山东省电力公司宁阳县供电公司　山东泰安　271400

P类电流互感器铁心饱和问题探析

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【文章摘要】

用于保护装置的电流互感器，对其性能的基本要求是在限定应用条件下的误差比例应在规定的范围之内，但是电流互感器在应用过程突出的问题就是系统出现故障后，电流会通过短路电路引起铁心饱和，从而导致互感器中激励电流磁通量增加，从而影响到电流互感器的传变误差，因此，在进行电路工程设计选择使用保护类电流互感器时，需要采用合适的设计措施，降低铁心饱和所带来了的误差影响。

【关键词】

保护用电流互感器；铁心饱和问题；探究

电流互感器的主要作用是将回路中的一次大电流成正比例的转变为二次小电流的保护装置，电流转化后供测试仪器、仪表和继电保护装置测量。与普通变压器不同的是，其输出的容量比较小，通常情况下电流不会超过10安培。在电路设计过程中，对于保护用电流互感器的基本要求是在规定应用条件下，将误差限制在规定的范围下，这些装置在应用过程中突出的问题就是铁心饱和问题，这种问题的出现就显著增加了电流互感器传变误差，因此，在保护用电流互感器时，应采取好保护措施降低铁心饱和所带来的影响。保护用电流互感器通常情况下应用于中压系统中。在应用过程中，在不考虑暂态饱和问题的前提下，继电器保护装置必须采取措施，防治互感器暂态饱和引起电路保护装置出现不正确的制动。

1　保护用电流互感器铁心饱和问题分析

1.1稳态饱和

图1　磁通的变化

保护用电流互感器铁心饱和是由其所选用的铁心的磁电特性所决定的，在保护用电流互感器剩磁为零的基础上，会产生如图1的变化。但是在实际应用过程中，保护用电流互感器励磁曲线是由上述图简化而来。在实际应用过程中，如果增加保护用电流互感器中的一次大电流，则其有效的二次电压也需要适当增加，这样才能保证互感器输出相对应的二次电流。而当二次电压高出一定标准之后，就会出现保护用电流互感器铁心饱和的问题。

1.2保护用电流互感器的剩磁现象

任何有铁心的电气设备，即使在励磁灯电流下降为0值的前提下，也会出现余磁现象。而剩磁对保护用电流互感器的影响也是十分显著的，剩磁是随着保护用电流互感器二次电流以及负载阻抗而确定的。而剩磁对瞬态磁通的效应是呈现增加还是减少，取决于剩磁和磁通量的变化方向是否一致，剩磁越高则保护用电流互感器铁心饱和现象越严重。

1.3饱和时间分析

保护用电流互感器铁心饱和的起始时间通常保护装置结构原理和内部结构的电气元件有密切联系，因此，起始时间对继电保护装置的设计和应用效果影响十分大，一般情况下保护用电流互感器起始饱和时间与以下几个因素有关：首先，一次电流产生偏移的程度。电流系统X/R和故障初始相位决定了一次电流波形偏移程度，直流分量会持续增加磁通量，一次电流的偏移程度越高，铁心饱和时间越短；其次，故障电流值。当电流程度相同时，偏移电正比与电力正弦分量的数值越大，磁通量达到饱和的时间也会越短；再次，铁心的剩磁量。剩磁量增加或者减少是由其它机理产生的磁通影响，取决于它们之间相对的特性，当总的磁通量增加时，铁心饱和的时间就会缩短，磁通量达到足够标准后，铁心在较短时间内就会达到饱和；最后，饱和电动势。保护用电流互感器中二次励磁阻抗取决于铁心的大小和铁心的材质，其横截面积越大，达到饱和要求的磁通量就会越大，饱和电动势就会越高，在其它因素不变时，达到饱和所用的时间也就会越长。

2　防治保护用电流互感器铁心饱和的对策和方法

2.1应用气隙式电流互感器

一般的电流互感器的气隙较小，剩磁可以达到饱和程度的九成以上，但是专门的气隙式电流互感器的铁心其剩磁量很少，大概为饱和密度的一成左右，因此，在电路设计过程中应用气隙式电流互感器可以显著改善稳态饱和问题，但是在应用气隙式电流互感器过程中，除了其电流比误差以及相角误差比较严重之外，当一次电流断开之后，气隙式电流互感器的剩磁衰减速度比较慢，持续时间大概为1s左右，这段时间可以引起二次电流出现缓慢衰减的情况，这种问题会严重影响到继电器正常的使用。应用气隙式电流互感器过程中，可能是会引起短路失灵或者继电器错误制动，因此，现阶段电力系统中应用气隙式电流互感器并不是十分普遍。

2.2使用电子式的电流互感器

采用法拉第原理等磁光变化原理制成的电子式电流互感器应用到电力系统是一种不错的选择。这种电流互感器直接应用光照进行信息交换和信号传输，与高电压电路完全隔离，其不会受到电磁干扰，具有不饱和、测量范围广、效应频率宽、体积小以及重量轻、方便进行数字传输等优点，其二次输出的不是电流，而是与一侧瞬间电流成正比的模拟电压。

2.3限制短路电流

对于已经建设完成的中压电力系统中，可以在较高一级的电压等级中采取一定措施限制短路电流的大小，可以应用分裂运行的模式，限制短路电流。分列运行后可能会造成电力系统可靠性降低，这时可以采用备用电源自动投入等方式来进行弥补，而对于新建的中压电力系统短路电流可以通过多串联几个电抗器等方法来降低短路电流。

2.4积极用用抗饱和能力强的继电保护装置

首先，采用对电流饱和程度不敏感保护原理设计电路，通常情况下，采用相位判别原理的继电器比采用幅值判断原理的继电器的抗电流互感器铁心饱和能力要好的多；其次，采用对电流互感器铁心饱和不敏感的微型保护装置。在判别过程中，瞬时值判别比平均值判别或者有效值判别的铁心保护性能要好的多。对于电力系统中带有限制的保护装置，电流的非周期分量对继电保护装置的动作是否准确和稳定影响不是很大，因此，采用全电流判别比采用其它判别方式抗电流互感器铁心饱和性能要更好；最后，有效使用电流不饱和段的信息。电流互感器在电流转换方向后一段时间内处于不饱和状态，在短路开始的1/4周期内也是不饱和的，可以有效的利用这些不饱和电流，采用快速判断等方式，在电流饱和之前做出迅速的判断。