王 生 （大唐国际发电股份有限公司下花园发电厂 河北 张家口 075300）
【摘 要】 本文针对电流互感器的综合特性及实践应用中对其的实际要求做深入分析，结合继电保护对电流互感器的实际应用，对目前市场上现行不同类型的电流互感器进行分类，在通性中查找出特例，以满足不同形式的现场使用。同时，利用实验室及现场试验等手段，从电流互感器的特性、选择、应用等方面剖析出按照不同电压等级、应用现场条件等因素对电流互感器的选择的分类原则。针对目前数字化电网试验式的应用，对数字化设备，尤其是新型电子式全光纤电流互感器做理论研究和试验。
【关键词】 电流互感器，特性，全光纤，继电保护
中图分类号： Ｇ71 文献标识码： Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2015）08-018-04
引言
电流互感器作为电气一次设备，其性能将直接影响到继电保护装置的可靠性，进而对整个电网运行的安全与可靠产生重要影响。保护用电流互感器要求在规定的一次电流范围内，二次电流的综合误差不超出规定值，因此，有必要对电流互感器的特性进行分析。对于有铁心的电流互感器，形成误差的最主要因素是铁心的非线性励磁特性及饱和。根据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(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(暂态饱和)。
目前在电网中继电保护使用的电流互感器主要有两种。一种是“P”类的电流互感器，如5P20（30、40），这种电流互感器主要用于220kV以下的电网中。还有一种是“TP”类，主要包括TPS、TPX、TPY和TPZ 4种型式。其中,TPY型电流互感器已经在国内电力系统中得到广泛应用，用在500kV及以上的电网中，具有抗暂态饱和的功能。
由于220kV及以下系统一次时间常数较小，非周期分量存在的时间较短，使保护最终切除故障的时间基本不会影响系统的稳定，因此，“P”类电流互感器是可以接受的。但在500kV及以上系统中，随着电力系统电压等级的不断提升,分裂导线、大型发电机和变压器的采用,系统的一次时间常数大大提高,短路电流中的直流分量衰减缓慢,这将使铁心被大幅度单方向励磁,从而进入饱和状态。使用“P”类电流互感器，将会使保护最终切除故障的时间长，造成系统稳定破坏，所以，500kV及以上的电网中，继电保护普遍采用了“TP”类的电流互感器。其中,TPY型电流互感器已经在国内电力系统中得到广泛应用。
TPY电流互感器主要用于500kV及以上系统的继电保护中，该类型的电流互感器的铁芯中带有小气隙，使饱和点电压提高、到达饱和的时间延长，增强了抗“暂态饱和”的能力，即在“暂态饱和”过程中不饱和或基本不饱和，而且对铁芯剩磁的要求是小于10%饱和磁通。能够在“暂态饱和”过程中仍然让保护动作切除故障。因此，“TPY”电流互感器在目前华北500kV电力系统中运用非常普遍，主要用于500kV线路、变压器的主保护。
但是，由于在国家标准（电压互感器和电流互感器选择及计算导则 DL/T 866—2004）中对“TPY”电流互感器的剩磁做了规定，即不大于10%饱和磁通，“TPY”电流互感器在严重短路后，剩磁的衰减比较慢，延时较长，对某些保护不适用。如：失灵保护中的电流判别元件。因剩磁衰减慢，导致电流元件返回就必然要慢，为防止误起动失灵保护，保护中的电流判别元件就不能用“TPY”型的电流互感器，仍采用“P”类电流互感器。这一点，设计时就需考虑。
正文
1、电流互感器的性能指标及运行特点
电流互感器的等值电路如图1所示，其向量图如图2所示，由于电流互感器中励磁电流的影响，电流互感器中存在着角误差和比误差。
图3中左图是电流互感器一、二次电流的关系曲线，I1为一次电流，I2为二次电流。曲线1是电流互感器理想的、不饱和曲线，曲线2是在大电流情况下饱和的曲线，图中A、B之间就是我们所说的误差，继电保护对这个变比误差的要求是：在最大短路电流的情况下，一、二次电流的误差不能超过10%。
1．1电流互感器10%误差的核对、计算方法
一般有三种方法：
（1）采用10%误差曲线核对；
（2）采用计算二次等效极限电动势的方法核对；
（3）利用伏安特性计算10%误差曲线的方法核对（如图3中右图）；
步骤：
1）电流倍数m10的计算
2）电流互感器二次负荷计算
3）直接测量电流互感器二次绕组的直流电阻R2
4）求二次绕组漏抗Z2的计算
1.2 电流互感器误差过大时的改进措施
1）提高电流互感器的带负荷能力，电流互感器的二次绕阻改用伏安特性较高的；
2）增大电流互感器的变比，以减小二次检测到的电流倍数m10；
3）将电流互感器相同级别二次绕组多组串联使用，提高二次带负荷能力；
4）增大电流用二次电缆截面，减小线缆阻抗，来减小电流互感器二次侧负荷；
5）改变接线方式，即将不完全星形接线方式改为完全星形接线方式；差电流接线方式改为不完全星形接线方式；
6）分配电流互感器的二次负荷，均衡负载，使电流互感器二次绕组负荷均匀。
2.“P”类电流互感器的特性及应用
2.1 “P”类电流互感器饱和的原因
（1）二次负载阻抗的影响
电流互感器是一个电流源，但不是理想的恒流源。若二次负载阻抗过大，将导致励磁电流增加，一、二次电流不成比例，使二次电流误差增大。
（2）剩磁的影响
在电磁式保护的时代，二次负载阻抗主要是电感性质，由于正常运行时电流较小，磁通的变化范围不大，在剩磁周围的小磁滞回线上工作，并不影响正常运行时电流的正确传变，当一次系统发生故障时，磁通变化的起始点就在剩磁周围的小磁滞回线上，若磁通向着靠近饱和的方向变化，则互感器在几毫秒内就会迅速饱和。如果电流互感器二次是电感性负载，这个小磁滞回线的位置则比较低，饱和时间相对较长。
（3）短路电流中非周期分量的影响
“暂态饱和”时间的长短，与一次系统的时间常数有关， 220kV及以下系统一次时间常数较小，非周期分量衰减过程相对较短，“暂态饱和”时间也较短。而500kV及以上系统由于发电机、变压器容量较大，电压等级较高，一次时间常数较大，非周期分量衰减过程相对较长。即“暂态饱和”时间长，如采用“P”类电流互感器，则会导致铁心的饱和时间长，退出饱和区的时间就长，延长了保护的动作时间，造成系统稳定的破坏，这是不能允许的。
2.2 解决“P”类电流互感器饱和的办法
1）增大CT暂态裕度系数
通过增大电流互感器的变比、减小电流互感器的二次负载、增大准确限制值系数均可起到增大CT暂态裕度系数的目的。通过增大CT暂态裕度系数，可以延长故障后互感器线性传变时间，确保继电保护装置不因电流互感器的饱和而延缓动作或拒动、误动。
2）选择合适的CT
3）尽量减小电流互感器二次负载电阻。如必要时增加电缆截面积。
4）采用PR类电流互感器
PR类电流互感器对剩磁有限制，要求不超过10%。采用PR类电流互感器取代P类电流互感器，可大大消除剩磁对电流互感器饱和的影响，增加故障后电流互感器的线性传变时间，保证继电保护装置的正确动作率。
5）采用TPY级电流互感器
目前，继电保护制造厂家针对电流互感器的饱和也采取了许多办法，其中之一就是在饱和之前判断出故障的类型和故障是否在区内。如南瑞继电保护公司的RCS—915以及深圳南瑞的BP—2B等。在短路开始的5ms内就能够判断出故障的类型和性质。电流互感器的饱和总是有一个过程的，总是从不饱和到饱和。在CT尚未饱和前就将故障的性质、类型固定。此后，电流互感器再饱和，也不能影响保护动作。
2.3 “P”类电流互感器的现场试验
为了更直观的体现经过电流互感器传变的电流对保护动作情况的影响。本文应用南京南瑞继保公司实时数字仿真系统RTDS模拟一次系统的暂态过程和互感器传变特性，通过功率放大器输出到实际的保护装置，考核保护装置的动作特性。其中，RTDS中的一次系统和互感器参数可根据实际设置，也可以根据研究需要进行灵活调整。本实验采用某发电厂高压厂用变压器的参数。
试验一：
一次CT饱和，电流波形畸变，考察大电流对一次CT和微机保护装置的影响。
1）当一次CT饱和，同时一次电流无非周期分量时，试验波形如图4 所示
a) 为一次电流折算到二次侧波形；b) 为二次电流波形；c) 为保护采样电流波形。
2）当一次CT饱和且一次电流有非周期分量时，试验波形如图5 所示
a) 为一次电流折算到二次侧波形；b) 为二次电流波形；c) 为保护采样电流波形。
试验二：
当一次CT正确传变，同时一次电流无非周期分量时，二次电流波形接近标准正弦波，试验波形如图 6所示
a) 为二次电流波形；b) 为保护采样电流波形。
当一次CT正确传变，同时一次电流有非周期分量时，二次电流波形为正弦波叠加非周期分量，试验波形如图 7所示
a) 为二次电流波形；b) 为保护采样电流波形。
3、“TP”类电流互感器的特性及应用
3.1 “TP”类电流互感器的优势
我国大型发电机组的发电机电压侧保护选用的电流互感器按照国家标准或IEC标准，为不具暂态特性的5P或10P级。也有C-800级电流互感器，但是这种电流互感器难以满足暂态准确度的要求，只能在稳态条件下确保满足规定的允许误差。
并且由于5P(10P)级电流互感器具有剩磁大的问题，由于其使用的铁心不带气隙，铁心剩磁在电流互感器发生严重饱和后最大能达到80%。因此，互感器在一次系统发生短路故障后可能残留较大剩磁，电流互感器在残留剩磁的情况下容易产生饱和，并且由于两侧电流互感器剩磁不一样，差电流很大，在发生区外故障时，容易造成保护误动情况的发生。
大型发电机、主变压器和发电机变压器组的一次时间常数很大，当区外发生短路故障时，这些设备的差动保护短路电流中具有非周期分量，由于其衰减较慢将导致电流互感器铁心暂态饱和。
因此，我国500 kV系统电流互感器选用铁心带气隙的TP级电流互感器，其中线路保护选用TPY型，可以满足暂态特性的相关要求。在主变和发变组差动保护500 kV选用TPY级电流互感器的情况下，若发电机电压侧配置的电流互感器为5P(10P)级，会导致由于两侧电流互感器类型及特性规定不同，而产生较大的差动保护的不平衡电流。避免发生此类问题的办法是将发电机电压侧选用为TP型电流互感器。
3.2 “TP”类电流互感器的饱和
TPY电流互感器主要用于500kV及以上系统的继电保护中，该类型的电流互感器的铁芯中带有小气隙，使饱和点电压提高、到达饱和的时间延长，增强了抗“暂态饱和”的能力，即在“暂态饱和”过程中不饱和或基本不饱和，而且对铁芯剩磁的要求是小于10%饱和磁通。能够在“暂态饱和”过程中仍然让保护动作切除故障。因此，“TPY”电流互感器在目前华北500kV电力系统中运用非常普遍，主要用于500kV线路、变压器的主保护由于TPY电流互感器的铁芯中带有小气隙，而且限制了剩磁（不超过饱和磁通的10%），所以TPY电流互感器适用于“双循环”的工况。所谓“双循环”即指断路器“分-合-分”，即线路发生单相永久故障，线路保护动作跳单相，然后重合单相，最后再跳三相这样一个工作循环。TPY电流互感器铁芯必须满足继电保护这一要求，在整个工作循环中不应出现饱和，保证继电保护快速切除故障。
4、基于“TP”类技术全新电子式全光纤电流互感器（FCT）的研究及应用
关键优势：
整体结构简洁，轻便，紧凑，牢固；长期运行可靠；交直流电流都可以应用；抵抗振动和温度等干扰；数字化变电站的必需设备；高压输电线路的电压等级越高，FCT电子式全光纤电流互感器(FCT)优势越大；特高压输电线路中最佳的选择；高可靠性，长寿命，低成本，结构精炼，工艺比较简易，可以在恶劣工作环境下使用。
宽带光源发出的光变成线性偏振光后分成为两束互相垂直的线性偏振光，在同一根保偏光纤里传输到高电压区，随即由光纤四分之一波片分别转变为左旋和右旋圆偏振光后进入传感光纤圈。
由于法拉第磁光效应对两个旋转方向圆偏振光的作用不同，高电压载流导体中待测电流产生的磁场导致两束相反方向旋转的圆偏振光相互之间产生与待测电流成比例的相位差。
如图8所示，利用闭环反馈数字信号处理技术，解出从传感光纤圈返回的两束光之间的相位差，就获得与此其成正比例的待测电流信息。
FCT的保偏光纤中互相垂直光轴上的两束独立线性偏振光往返交替走过相同的路径，因此在线 Sagnac 光纤电流互感器大大降低了对振动和温度等干扰的敏感程度，增加了稳定度。
在闭合围绕载流导体的传感光纤圈中利用安培定律，沿着闭合传感光纤圈上对磁场进行严格积分，保证了全光纤电流互感器仅仅感应闭合传感光纤圈内导体中通过电流所生成的磁场，而完全不受外部杂散磁场影响。
在闭合围绕载流导体的传感光纤圈中利用安培定律：
q =∮VH.dx =VNI
q： 两束偏振光之间的相位差
I : 流过导体的电流
N: 闭合光纤传感圈的圈数
V： 菲尔德常数
光纤电流传感器测量沿着闭合传感光纤圈上磁场的严格积分，不受外部杂散磁场影响，仅仅取决于闭合传感光纤圈内导体中通过电流所生成的磁场。
4.2 FCT的安装和在线运行
如图9所示中FCT光纤传感头安装在绝缘子顶部，环绕高电压母线，光纤传感头引出的光纤穿过绝缘子下到传输光缆转接箱。传输光缆经过地道进入控制室里FCT屏柜中的光电模块。
图10 某风电110kV数字化变电站（FCT）
2010年9月，图10中某风电110kV变电站进行数字化改造，采用模拟量形式的“P”类电流互感器和电子式全光纤电流互感器、共存的在线运行方式，模拟量的仅作为计量用（目前华北网对全光纤电流互感器的计量还没有正式批复），保护和监控均使用的电子式全光纤电流互感器FCT，投运至今运行可靠。
结论
220kV及以下系统一次时间常数较小，非周期分量存在的时间较短，使保护最终切除故障的时间基本不会影响系统的稳定，因此，通常使用“P”类电流互感器应对“暂态饱和”。但是在500kV及以上系统中，因一次时间常数较大，非周期分量存在时间长，使用“P”类电流互感器，将会使保护最终切除故障的时间长，造成系统稳定破坏，所以，500kV及以上的电网中，继电保护普遍采用了“TP”类的电流互感器。 全光纤互感器相对于传统的电磁式互感器避免了各自的不足，但目前仅仅是开发研究应用初期，还需要时间的考验才能在电力系统中得到广泛的应用。
参考文献：
[1] 沙玉洲，袁韬，王骞，马长林；电流互感器技术参数选择问题的探讨；《电力系统及其自动化学报》；2009 第2期
[2] 朱庆星；谈谈电流互感器的正确选型和需进行的必要验算；《核工程研究与设计》；2002 第42期
[3] 蒋勇，刘东伟，李平；全光纤电流互感器在淮北发电厂110kV系统挂网试验研究；《安徽电气工程职业技术学院学报》；2011年S1期
作者简介：王生（1979-），男，部门主任，工程师，从事电厂继电保护管理工作。
论文作者:王生
论文发表刊物:《科学教育前沿》2015年第8期供稿
论文发表时间:2015/12/9
标签：电流互感器论文; 电流论文; 剩磁论文; 光纤论文; 波形论文; 系统论文; 故障论文; 《科学教育前沿》2015年第8期供稿论文;