如何在工程应用中判断电流互感器是否符合保护的要求-上海电

如何在工程应用中判断电流互感器是否符合保护的要求HuangWenqing(OMICRONelectronicsAsiaLtd.Shanghaioffice)摘要：在工程应用中，经常需要判断现场的电流互感器特性是否满足保护装置的要求。基于此，试图通过对电流互感器的稳态特性、暂态特性及差动保护用电流互感器特性要求分析，以得到现场快速简洁判断保护用电流互感器的实用方法。关键词：电流互感器；稳态；暂态；差动；保护目录第1章引言-------------------------------------------------------3第2章电流互感器的稳态特性及现场分析-----------------------------42．1稳态误差---------------------------------------------------52．2误差限值---------------------------------------------------52．3误差校核---------------------------------------------------8第3章电流互感器的暂态特性及现场分析----------------------------103．1暂态特性--------------------------------------------------103．2误差限值--------------------------------------------------123．3误差校核--------------------------------------------------12第4章差动保护用电流互感器的特性要求及现场分析------------------144．1稳态差流--------------------------------------------------144．2暂态饱和时间----------------------------------------------174．3暂态衰减差流----------------------------------------------194．4综合说明--------------------------------------------------21第5章结论------------------------------------------------------22参考文献---------------------------------------------------------23第1章引言继电保护装置通过电流互感器反应被保护元件所通过的电流。在系统故障时，继电保护的动作正确性在很大程度上取决于故障电流传变的准确性，微机继电保护装置的广泛使用大大提高了保护动作的可靠性、灵敏性、速动性。同时电流互感器的特性对保护动作的影响也在不断增大。在超高压500KV电力系统中，由于一次时间常数较大，故障时电流突变产生的非周期分量容易使电流互感器饱和，将降低电流传变的准确度。而对于差动保护用电流互感器，由于电流来自于不同的安装点或不同厂家的电流互感器，在不同的工况下由于特性的不一致都会造成一定的差流。在实际工程应用中，我们可能会将仪表用电流互感器绕组错用于继电保护装置，在故障状态下，错用的绕组将过早饱和导致保护装置误动。也可能在进行工程改造时增大了电流互感器的二次负载阻抗，使电流互感器的特性发生了变化影响到保护装置的正确动作。也可能遇到在区外发生故障时差动保护发生误动，如下例：某厂的一台发电机组在线路AB相间短路故障时，发电机A相差动保护误动作，将发电机退出运行。经检查继电保护装置、整定值、二次回路并模拟试验均正常，后对机组A相差动保护用CT进行试验，并录制了发电机两侧CT的伏安特性曲线，数据如表1-1：表1-1伏安特性Tab.1-1V-Adata二次电流(A)0.20.40.8123468机端CT电压(V)185190192198200202205210214中性点CT电压(V)161718.519.22224.5273237可以看出，发电机两侧差动保护用CT伏安特性曲线差异很大，我们据此判断，在外部短路情况下，由于发电机两侧CT的拐点电压相差很大，导致出现中性点电流互感器饱和，而机端电流互感器仍正常工作的情况，将产生较大的差流，造成差动保护的误动作。因此，面对现场用于发电机、变压器、线路等不同场合；用于10KV~500KV等不同电压等级的各式各样的电流互感器。在工程应用中，我们应如何简洁的分析判断电流互感器是否满足现场保护的要求？我们希望能够明确以下三个问题，据此在现场分析判断电流互感器性能是否能满足保护的要求，以消除可能存在的隐患。I电流互感器的稳态特性及现场分析？II电流互感器的暂态特性及现场分析？III差动保护用电流互感器的特性要求及现场分析？第2章电流互感器的稳态特性及现场分析等效电路图图2-1等效电路图Fig.2-1EquivalentCircuit励磁特性曲线图IpNpNsP1P2RCTIECTS1S2ReddyLmainILIERHVRCTVTRB图2-2励磁曲线Fig.2-2ExcitationCurve基本概念复合误差：在稳态情况下，按额定电流折算到一次侧的二次电流瞬时值与一次电流瞬时值之差的方均根值（有效值），єc(%)=100/T1√1/T1∫0(Kni2-i1)2dt，用于衡量保护用电流互感器（P级）的准确限值特性。2.1稳态误差在理想状态下，以下电流变换等式成立：IPN1=ISN2(2-1)在实际应用中，通过以上等效电路图可以看出：IP/Kn=IS＋Ie(2-2)因此，建立磁场的励磁电流是电流互感器产生误差的根源2.2误差限值2.2.1二次电动势根据电磁感应原理，电流互感器二次电动势为与线圈相链的磁链对时间的导数，即有下式：Es=221N2BAc(2-3)Es——二次电压方均根值B——铁心中磁通密度Ac——铁心截面积I通过上式可以看出：在确定铁心材料即确定了磁通密度后，选择更大的铁心截面积，能得到更高的二次极限电动势；在铁心截面积确定后，将得到一个确定的二次极限电动势，这是铁心磁通饱和所能提供的二次电动势。II在励磁特性曲线图中，二次极限电动势为饱和后的励磁电压。III在等效电路图中，励磁电压为励磁支路上的电压，二次极限电动势为在励磁支路上的最高的励磁电压。2.2.2误差限值在等效电路图中，若电流互感器的二次电流为IECT，则电流流过负载R所需要的电压为(2-4)在励磁特性图中，电流互感器励磁电压Vc所对应的励磁电流损耗可以通过励磁特性曲线查出，如图中的绿线所示。因此，电流互感器励磁电流的大小受一次电流和二次负载参数的影响。并有：Iprim=N*(Iext+IB)(2-5)举例说明：假定在上述的等效电路图与励磁特性曲线中，电流互感器二次负载R=5Ω，二次额定电流I=5A，当电流互感器工作在短路故障状态时，假定短路电流Ip=4Ie，二次电流将为20A，电流流过负载R所需要的电压Vc近似为100V，由于已超过了饱和电压，其所对应的励磁电流在励磁特性曲线中将超过1A，如励磁特性曲线中的红线所示。此时，电流互感器的误差将超过5%。将可能不能满足保护对电流互感器的要求。因此，电流互感器的一次电流、二次负载、励磁电流（误差）三者之间存在函)*22BBCTCXRRIV数关系，任意两个参数确定后，便可以确定第三个参数的大小。如下图，为我们过去常采用的5％或10％误差特性曲线MZ图2-3误差曲线Fig.2-3ErrorCurve该曲线是在5％或10％的误差情况下，二次负载阻抗与一次电流的倍数之间的对应关系。也是对电流互感器的一次电流、二次负载、励磁电流（误差）函数关系的一种表达方式。为方便表达这三者之间的函数关系，常采用误差限值ALF系数。ALF（accuracylimitfactor）误差限值系数ALF为额定准确限值一次电流（保证复合误差不超过限值的最大一次电流）与额定一次电流的比值。对于同一个电流互感器，在不同的误差要求、或不同的二次负载下，将有不同的ALF系数。误差限值ALF系数能帮助我们在现场对保护用电流互感器进行初步的分析与判断2.2.3剩磁的影响参阅下面的磁滞回线图，其剩磁系数Kr=剩磁通/饱和磁通参阅现场实测的电流互感器的剩磁系数列表。因此，考虑剩磁对误差限值的最大影响，误差限值ALF系数修正为：K'alf=Kalf/(1＋Kr)(2-6)磁滞回线图[1]图2-4磁滞回线[1]Fig.2-4B-Hloop表2-1剩磁列表Tab.2-1ListofRemanence剩磁系数列表800/5CTA相B相C相Kr52%53%58%600/5CTA相B相C相Kr79%86%87%25000/5CTA相B相C相Kr89%87%86%2.3误差校核2.3.1误差限值ALF工程应用中，可采用误差限值ALF依据以下两个条件进行校验：I保护校验用最大故障电流与额定电流之比应小于误差限值系数ALF；II电流互感器实际二次负载应小于额定二次负载；注：复合误差要求一般为5％误差限值ALF系数可以方便的进行工程设计及应用分析判断，但不提供实际工况下的电流互感器误差。如果遇到ALF系数不够，但二次负载有调整裕度的情况，则需要重新进行ALF系数核算，可考虑采用二次极限电动势来校核。2.3.2误差限值曲线在现场，也可参考由制造厂提供的误差限值曲线（5％或10％误差曲线）。如下图。根据实际的二次负载，从曲线上查出电流互感器的误差限值ALF系数。KalfRb图2-5误差曲线Fig.2-5Errorcurve2.3.3二次极限电动势我们可以通过计算电流互感器的二次极限电动势进行校核。电流互感器额定的二次极限电动势：Esl=KalfIe(Rct+Rbn)(2-7)Kalf——ALF准确限值系数Ie——二次额定电流Rct——电流互感器二次绕组电阻Rb——电流互感器额定负载电流互感器实际的二次极限电动势：Es=KpcfIe(Rct+Rb)(2-8)Kpcf——实际一次电流与额定电流之比校核判断依据：EslEs即电流互感器的额定二次极限电动势应大于实际的二次极限电动势2.3.4实例分析例一，校验一条220KV线路的电流互感器Kalf=30，Rbn=10，Rb=15，Rct=6，短路电流为35KA，变比为1250/1，则Kpcf=35/1.25=28。Esl=KalfIe(Rct+Rbn)Esl=480VEs=KpcfIe(Rct+Rb)Es=588VEslEs电流互感器不满足要求措施一，选用Kalf为40的电流互感器，则Esl=640V，可以满足要求。措施二，将二次实际负荷降低为Rb=10，则Es=448V，可以满足要求。例二，校验一台变压器高压侧差动保护用电流互感器变压器5000KVA，35/10.5KV，变压器阻抗0.05，电源阻抗0.0064，高压侧电流互感器连线电阻1.43，高压侧电流互感器二次负载0.1。电流互感器选用变比Kn＝200/5，5P10，30VA，内阻0.16。Esl=KalfIe(Rct+Rbn)Esl=10×5×（0.16+30/25）=68VEs=KpcfIe(Rct+Rb)Ipsc=5000KVA/(√3×(0.05+0.0064)×35KV)=1462；Kpcf=Ipsc/Kn=1462/40＝36.55AEs=36.55×(0.16+1.43+0.1)=61.8VEslEs电流互感器满足要求因此，采用二次极限电动势法，可以方便的进行校验，并可进行相应的工程应用调整。第3章电流互感器的暂态特性及现场分析3.1暂态特性电流互感器的稳态特性反映的是电流互感器对称分量的传变特性；电流互感器的暂态特性反映的是电流互感器非周期分量的传变特性。出于对继电保护的可靠性、选择性、速动性、灵敏性的更高要求，特别是对于超高压系统，要求电流互感器在短路后的暂态过程中，正确传变短路电流（包含非周期分量）。暂态系