对p级保护用的电流互感器加以论证

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:buebuewong
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  摘要:电流互感器型号品种繁杂,其特性参数各不相同,应根据系统参数、继电保护装置的特点和配置的情况加以考虑。电流互感器二次回路的负载对电流互感器和影响很大,减小二次回路负载能有效降低电流互感器饱和度,防止不正确动作。
  关键词:电流互感器、P级保护、继电器
  中图分类号: TM58文献标识码: A
  目前,系统容量增加很快,短路电流水平也随之大大提高,要求电流互感器的变比越来越大,这不仅在经济上投资大,而且有时常选不到满意的设备,试运行中出现了由于TA饱和,保护不能正确动作的现象。
  我们知道,短路电流中含有直流分量,这个直流分量会随时间以一次衰减时间常数衰减。电压等级越高短路阻抗角越大,L/R的比就越大,直流分量在短路电流中存在时间就越长。数字式继电保护装置,动作速度快,大都在直流分量还未衰减至零之前就出口。一次系统中的直流分量存在的时间增长,会严重影响电流互感器在真个时间内的传变,也就影响继电保护的动作,因此,需要研究TA的暂态工作过程,当线路出口故障,并重合于永久故障时,情况最为严重(在第一次故障切除时有剩磁,重合时,短路电流中的非周期分量产生的磁通与剩磁的方向相同时TA饱和将更为严重)。因此,对母线保护而言,就更有必要研究TA的饱和问题。
  从目前运行情况来看,由于超高压系统TA的暂态工作过程,已引起人们的足够重视,一般选用TP集电流互感器(考虑了系统直流分量对电流互感器的影响),问题并不十分突出,而高压和中压系统,目前大都选用P集电流互感器(没有考虑系统非周期分量对电流互感器的影响),有由于短路电流水平高,因而问题严重,因此我们就有必要对P级保护用电流互感器论证一下。
  在论证p级保护用的电流互感器之前,我们首先应该了解和熟悉保护用的电流互感器的基本特性及一般应用问题
  A.电流互感器简化的等值电路图及向量图是我们大家所了解和熟悉的内容。电流互感器的绕组和二次绕组在同一个闭合的铁心上。根据总的磁动势为零的原理完成大电流向小电流的变换。供测量仪表和继电保护装置使用。
  B.电流互感器TA的变化比很大,若将其二次混入的主抗归算到一次侧,从一次绕组两端看到的等值阻抗很小,与一次系统阻抗相比可以忽略。在分析TA的工作行为是,一次侧可认为是电流源,也无需计及一次绕组的漏抗。
  C.电流互感器二次决不允许开路
  如果一次带电而二次开路,互感器就成为一个带铁芯的电抗器。一次绕组中的电压降等于铁芯磁通在该绕组中引起的电势,铁心磁通由电流所决定,因而一次压降会增大。根据铁芯上绕组各匝感应电动势相等的原理,二次绕组将会产生很高的电压,这是电流互感器要绝对禁止的。我们要特别注意:电流互感器在使用中必须与二次负荷确切联结,不接负荷时则应可靠短接,短接的导线必须有足够的截面,以免当一次过电流时产生的较大的二次电流将导线熔断。
  D.电流互感器二次回路必须一点接地
  电流互感器二次回路必须一点接地,这个接地点被称作为安全接地。假如没有此接地点,人在二次回路上是不安全的。原因有二个:
  1.在正常运行时,变电站的高压设备对二次回路要产生静电感应。
  2.假若一次与二次之间绝缘降低,发生击穿现象,二次会出现高压。因此电流互感器二次回路必须要有一个接地点,以保证人身安全。
   E.电流互感器二次回路只能有一点接地
  我们知道变电所的地网,并非是等电位,如果电流互感器二次回路有两点接地,地网上这两点间的电位差作为电源,要向二次回路供电,在二次回路中要有产生附加的电流,造成继电器不正确动作,特别是在系统发生接地故障,大地有电流流过时,由于二次绝缘问题形成两点接地造成的事故是经常发生的,必须引起高度注意。
  综合上述电流互感器的基本特性及一般应用问题,我们下面计算p级保护用的电流互感器的稳态误差以及画出P级电流互感器过电流时各电流波形
  P级电流互感器的稳态误差
  为了传变电流,必须从一次电流中分出一部分电流作为励磁电流,产生感应电势ωL×Ι´μ才能输出二次电流。因此就产生了误差。
  电流误差(比误差):互感器再出现时所出现的数值误差。它是由于实际电流比与额定电流比不相等而造成的。電流误差的百分数用下式表示
  εi=(KnI2-I1)
  —————‍‍‍×100,%
  I1
  式中:Kn―额定电流比;
  I1―实际一次电流,A
  I2―在测量条件下,流过I1时的实际二次电流,A
  在图中令OB=OD因而电流误差为
  ε=AD/OD≈AC/OD=I0/I1sin(ɑ+θ0) ×100, %
  相位误差(角误差):一次电流与二次电流相量的相位误差。它通常以分(′)或里弧度(crad)表示。
  δ1=sinδ=BC/OD×100=I0/I1cos(α+θ0) ×100,card
  复合误差:如果一次电流太大,使二次负载上电压增加太多,将导致铁心饱和。使I2下降,误差增大。由于铁心非线性,使励磁电流和二次电流中都出现了高次谐波,再用相量来表示误差已不合理,因而采用复合误差ε表示。
  复合误差的定义如下:
   εc=100/I1√1/T∫t0(kni2-i1)²dt
  式中:I1―一次电流的有效值;
  i1―一次电流的瞬间值;
  i2―二次电流的瞬间值
  kn―额定电流比;
  T―一个波的时间。
  复合误差的实际是励磁电流的方均根值,占一次电流有效值I1的百分比。所以一次电流必须是稳态的正弦电流才能应用此式。
  二、P级电流互感器过电流时各电流波形
  TA一次过电流并进入饱和时,一、二次及励磁电流的波形。各电流不是同位相的,如果忽略了铁磁损耗,励磁电流落后二次感应电势90º,二次电流的相位由符合阻抗决定,一、二次电流的相位有角度误差。励磁电流也不与一、二次电流同相位,当断路器过一次电流过零点切断电流时,励磁电流并非是处于正好过零,而有滞后,因而决定了断路器跳闸时有磁剩。铁芯磁剩的大小,和二次回路负载的抗组有关。如果二次跨路负载为电感性,当一次电流为零时,二次感应电压为最大值,电流互感器铁心磁通为零,因而无剩磁。而当二次跨路负荷为电阻性时,在断开一次电流时,电流互感器铁心磁通为最大,故可能的剩磁最大。
  三、电流互感器准确级及误差极限
   1.P类电流互感器的准确级以在额定限值一次电流下允许符合误差的百分数标称,标准准确级为:5P、10P。
   2.P类电流互感器在额定功率及额定负荷下,电流误差、相位误差和复合误差应不超过如下表所列限值。
  P类电流互感器能满足复合误差要求的最大一次对称电流值,称为额定准确限值一次电流(Ipa1),额定准确限值一次电流与额定一次电流之比为准确限值系数,即:ALF=Ipa1/Ipn。ALF(Kalf)一般可取5、10、15、20、30、40。必要时,可与制造部门协商,采用更大的ALF(Kalf)值。ALF(Kalf)称准确限值系数。
  为确定电流误差和相位误差,试验时所用的负荷应是0.8滞后功率因数,但当负荷小于5VA时,允许功率因数为1。
  为确定复合误差,试验时所用的负荷的功率因数,可由制造厂选0.8(滞后)~1之间的某一功率因数。
  四、P级电流互感器的准确性验算
  1.一般选择验算可以按下列条件进行:
  a)电流互感器的额定准确限值一次电流Ipal应大于保护校验Ipcf,必要时还应考虑互感器暂态饱和影响。即准确限值系数Kalf应大于KKpcf。
  b)电流互感器的额定二次负荷Rbn应大于实际二次负荷Rb。按上述条件选择的电流互感器可能尚有潜力未得到合理利用。在系统容量很大,而额定二次电流选用1A,以及采用电子表和微机保护时,经常遇到Kalf不够,但二次输出容量有裕的情况。因此,必要时可以进行较精确验算,如按额定二次极限电动势或实际准确限值系数曲线验算,以便更合理的选用电流互感器。
  2.按额定二次极限电动势验算,对于低漏磁电流互感器可按额定二次极限电动势验算。
  a)P级电流互感器的额定二次极限电动势(Esl):
  Esl=Kalf×Isn ×(Rct + Rbn)
  式中 Kalf--准确限值系数;
   Isn --额定二次电流;
   Rct --电流互感器二次绕组电阻;
   Rbn --电流互感器额定负荷;
   以上各参数制造部门应在产品说明书标明。
  b)继电保护动作性能要求的二次极限电动势(Es)为:
  Es=K×Kpcf×Isn×(Rct + Rb)
  式中K--考虑互感器暂态特性的系数;
  Kplf -–保护校验系数;
  Rb --电流互感器实际二次负荷;
  其他量值符号的定义同上。
  c)电流互感器的额定二次极限电动势应大于保护校验要求的二次感应电动势,即:
  Esl≥Es
  d)所选电流互感器的准确限值系数Kalf应符合下式要求:
  
  KKpcf(Rcl + Rb)
   Kalf≥—--------------------
   Rcl + Rbn
  为此,要求制造部门确认所提供电流互感器为低漏磁特性,提供的电流互感器技术规范中应包括二次绕组的电阻值。
  3.按实际准确限系数曲线验算。如果制造厂提供的电流互感器不满足低漏磁特性要求,当提高准确限值一次电流时,互感器可能出现局部饱和,不能采用上述额定二次极限电动势法进行验算。此时,如用户需要提高所选互感器的准确限值系数Kalf,则应由制造厂提供同直接法试验求得的或经过误差修正后实际可用的准确限值系数Kalf与Rb的关系曲线。根据实际的Rb从曲线上查出电流互感器的准确限值系数Kalf,见图要求Kalf≥KKpcf。
  五、对P级电流互感器的准确性验算,我们对电流互感器一次含有直流分量电流转变的解释
  现代微机型保护,动作速度很快,当保护跳闸时一次系统还有相当的直流分量存在,为此需要研究电流感器对含有直流分量的一次电流的转变。
  从电流互感器误差相量图可知,为了传变电流,必须从一次电流中分出一部分电流作为励磁电流,产生感应电势ωLμ×Iˊμ才能输出二次电流,因此就产生了误差。通过对电流互感器二次侧等电路的求解可知,在铁芯未饱和前一次交流稳态量几乎全部转变到二次回路,铁芯需要的交流励磁电流很小。可以认为一次稳态交流分量电流在二次回路和励磁回路中,按支路阻抗成反比分配。暂态分量由强制分量和自由分量两部分组成。强制分量按在二次回路和励磁回路按T1和T2正比分配,这个直流分量按一次系统时间常数衰减。为了满足TA励磁电感中电流不能突变,产生了按二次回路时间常数T2衰减的自由直流分量。自由的直流分量在二次回路中成环流。由于TA对直流分量的转变能力比对交流分量的传变能力差得多,励磁电流中的直流比基波分量大得多,励磁电流中的直流分量不会改变符号,其极性始终与一次电流中的直流和分量相同,因而对TA饱和的影响,远远大于交流分量,这是我们研究继电保护所必须注意到的问题。励磁电流的最大值不一定出现在第一周期的电流最大值。出现最大的时间与一次系统和二次系统的时间常数有关。在何时出现饱和,还与一次电流的大小和励磁曲线的特性有关。因此我们常常可以看到,故障后的TA饱和时间出现在故障后的若干毫秒以后。
  以微机为基础的数字式母线保护一般采用比例制动差动保护(电流差动或工频变化量差动)。保护区外故障由于个别电流互感器饱和,可能在差动保护中出现较大差流而导致误动。我国的微机母线保护规范要求装置能克服电流互感器暂态饱和影响,通常利用软件实现。实现的原理一般是利用电流互感器饱和时电流的特征来判别是保护区内还是保护区外故障互感器饱和。电流互感器饱和的电流输出有以下特点:
  电流互感器进入饱和有一定延迟,在短路发生的开始阶段,电流互感器可以正确传变一次电流,保护装置可正确判别故障情况。
  当铁芯开始饱和后,互感器二次波形的电流即出现破损现象而影响保护动作性能。
  当一次电流的瞬时值由正半波趋向负半波时,即一次电流过零点后,电流互感器一般有一个可正确传遍电流的线性区。
  互感器饱和后的二次电流将出现某些特定的谐波。
  母线保护可利用上诉特点实现减缓互感器饱和的影响。例如:对于母线区内故障,在电流互感器未饱和前,保护的故障启动无件和差动无件将同时动作。如果是外部故障电流互感器饱和,故障启动元件可在故障开始时动作,但差动元件仅在互感器饱和后才能出现,这就有一定延时。由差动元件与启动元件动作时间不同来识别电流互感器饱和。
   六、 P级电流互感器保护正是利用了上诉各种原理克服了电流互感器饱和对保护的影响,因而对电流互感器的暂态饱和特性可降低要求一般当选P类电流互感器,并满足按DL/T866 2004要求进行互感器准确性验算的要求时,均能保證正确使用,甚至还有余度。可以这样讲,对P级保护电流互感器而言,只要能保证故障时,工作在最严重情况下的互感器有2ms的线性度,就可以保证母线保护动作的正确性。介于以上的论证又根据我们行业的特殊性,在我们单位所施工的项目工中加以实验得出准确数据,同时对p级保护用的电流互感器加以论证。
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