1前言

保護(hù)用電流互感器要求在規(guī)定的一次電流范圍內(nèi)，二次電流的綜合誤差不超出規(guī)定值。對(duì)于有鐵心的電流互感器，形成誤差的zui主要因素是鐵心的非線性勵(lì)磁特性及飽和。電流互感器的飽和可分為兩類：一類是大容量短路穩(wěn)態(tài)對(duì)稱電流引起的飽和（以下稱為穩(wěn)態(tài)飽和）；另一類是短路電流中含有非周期分量和鐵心存在剩磁而引起的暫態(tài)飽和（以下稱為暫態(tài)飽和）。這兩類飽和的特性有很大不同，引起的誤差也差別很大。在同樣的允許誤差條件下，考慮暫態(tài)飽和要求的互感器鐵心截面可能是僅考慮穩(wěn)態(tài)飽和的數(shù)倍至數(shù)十倍。因而對(duì)互感器造價(jià)及安裝條件提出了嚴(yán)峻的要求。以往在中低壓系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)容量較小的情況下，互感器暫態(tài)飽和的影響較輕，一般未采取專門對(duì)策。而對(duì)當(dāng)前的超高壓系統(tǒng)和大容量機(jī)組，為保證繼電保護(hù)的正確動(dòng)作，暫態(tài)飽和已成為必須考慮的因素。由于互感器暫態(tài)飽和的機(jī)理和計(jì)算較復(fù)雜，要求互感器暫態(tài)不飽和所需代價(jià)很高，因而在實(shí)際工程中應(yīng)用情況較混亂。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出較規(guī)范的考慮暫態(tài)飽和的互感器選擇和計(jì)算方法，供工程應(yīng)用參考。作為示例，本文給出大型發(fā)電機(jī)變壓器組差動(dòng)保護(hù)用電流互感器的選擇計(jì)算及參數(shù)選擇的建議。

2電流互感器的穩(wěn)態(tài)飽和特性及對(duì)策

當(dāng)電流互感器通過(guò)的穩(wěn)態(tài)對(duì)稱短路電流產(chǎn)生的二次電動(dòng)勢(shì)超過(guò)一定值時(shí)，互感器鐵心將開(kāi)始出現(xiàn)飽和。這種飽和情況下的二次電流如圖1所示，其特點(diǎn)是：畸變的二次電流呈脈沖形，正負(fù)半波大體對(duì)稱，畸變開(kāi)始時(shí)間小于5ms（1/4周波），二次電流有效值將低于未飽和情況。對(duì)于反應(yīng)電流值的保護(hù)，如過(guò)電流保護(hù)和阻抗保護(hù)等，飽和將使保護(hù)靈敏度降低。對(duì)于差動(dòng)保護(hù)，差電流取決于兩側(cè)互感器飽和特性的差異。

例如某一1200/5的電流互感器，制造部門提供的規(guī)范為^［1］：5P20，30VA。其中5P為準(zhǔn)確等級(jí)，30VA為二次負(fù)荷額定值，20為準(zhǔn)確限值系數(shù)（ALF）。電流互感器在額定負(fù)荷下的二次極限電動(dòng)勢(shì)E_s＝（ALF）·I(xiàn)_sn·（R_ct＋R_bn），此時(shí)綜合誤差應(yīng)不超過(guò)5%。綜合誤差也可選用10%。選擇保護(hù)用電流互感器時(shí)，一般要求ALF與額定一次電流乘積大于保護(hù)校驗(yàn)用短路電流，二次負(fù)荷小于互感器額定負(fù)荷，實(shí)際二次電動(dòng)勢(shì)不超過(guò)極限二次電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)前工程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題是短路電流過(guò)大，ALF不滿足要求，但實(shí)際負(fù)荷比額定負(fù)荷小得多。對(duì)于低漏磁電流互感器^［2］，可以在實(shí)際負(fù)荷下的二次電動(dòng)勢(shì)不超過(guò)極限值的條件下，適當(dāng)提高ALF的可用值。但應(yīng)指出，對(duì)于某些不符合低漏磁要求的互感器，如U型電流互感器、一次多匝的互感器等，在一次短路電流倍數(shù)超過(guò)ALF時(shí)，由于鐵心局部飽和可能引起二次極限電動(dòng)勢(shì)降低，不能在降低二次負(fù)荷時(shí)，按反比提高ALF。有些制造廠提供的ALF與負(fù)荷的關(guān)系曲線，未認(rèn)真考慮上述局部飽和影響，使用時(shí)應(yīng)慎重。

3電流互感器的暫態(tài)飽和

短路電流一般含有非周期分量，這將使電流互感器的傳變特性嚴(yán)重惡化。原因是電流互感器的勵(lì)磁特性是按工頻設(shè)計(jì)的，在傳變等效頻率很低的非周期分量時(shí)，鐵心磁通（即勵(lì)磁電流）需要大大增加。圖2表示電流互感器在*偏移的故障電流（非周期分量幅值達(dá)100%）下鐵心磁通的增長(zhǎng)情況，互感器帶電阻性負(fù)荷。圖中Φ_ac代表傳變故障電流工頻分量所需的磁通，而Φ_dc則代表傳變暫態(tài)（非周期）分量所需的磁通，其值遠(yuǎn)大于傳變工頻分量的Φ_ac。磁通暫態(tài)分量Φ_dc是系統(tǒng)一次回路時(shí)間常數(shù)T_p和電流互感器二次回路時(shí)間常數(shù)T_s的函數(shù)。Φ_dc開(kāi)始時(shí)是按T_p增長(zhǎng)。磁通達(dá)到zui大值的時(shí)間和數(shù)值與T_p、T_s等有關(guān)。

按是否考慮短路電流的暫態(tài)過(guò)程，電流互感器分為P和TP兩大類。P類電流互感器要求在Φ_ac情況下不飽和，而TP類電流互感器則要求在整個(gè)工作循環(huán)中的總磁通Φ＝Φ_ac＋Φ_dc情況下不飽和。因此要求TP類電流互感器的鐵心遠(yuǎn)大于P類電流互感器。要求增大的倍數(shù)即暫態(tài)面積增大系數(shù)K_dc。

由標(biāo)準(zhǔn)^［2］可知，對(duì)于全偏移短路電流，在C_t_O工作循環(huán)時(shí)，所需暫態(tài)面積系數(shù)為：

電流互感器暫態(tài)面積系數(shù)K_td與一次時(shí)間常數(shù)T_p有密切關(guān)系，對(duì)于P級(jí)、TPS和TPX級(jí)電流互感器,T_pT_s，短路電流為全偏移情況下，短路后不同時(shí)間t的K_tf與T_p關(guān)系見(jiàn)圖3（圖中T_s＝10s）。在T_p較大時(shí)，K_td可達(dá)幾十倍。

當(dāng)一次電流存在非周期分量導(dǎo)致互感器暫態(tài)飽和時(shí)，二次電流的波形示例如圖4。圖中T_p為50ms,R_2n為4Ω，R₂為2Ω。圖4（a）為互感器無(wú)剩磁的情況，圖4（b）為互感器有75%剩磁的情況。

由圖4可知，非周期分量導(dǎo)致互感器暫態(tài)飽和時(shí)二次電流波形是不對(duì)稱的，開(kāi)始飽和的時(shí)間較長(zhǎng)，如圖4（a）為30ms。但鐵心有剩磁時(shí)，將加重飽和程度和縮短開(kāi)始飽和時(shí)間，如圖4（b），飽和開(kāi)始時(shí)間為6ms。

對(duì)鐵心中剩磁的影響必須給予足夠的注意，因?yàn)殡娏骰ジ衅饔捎诙搪冯娏饕饡簯B(tài)飽和形成剩磁后，在正常運(yùn)行的電流情況下，剩磁很難消除。文獻(xiàn)［3］列舉了在一個(gè)230kV系統(tǒng)141組電流互感器的調(diào)查結(jié)果如表1，可見(jiàn)各種程度的剩磁存在概率都是很大的。

為了減緩暫態(tài)飽和對(duì)繼電保護(hù)的影響，需要采取必要的措施。這種措施有兩類：一類是保護(hù)裝置具備減緩飽和影響的能力；另一類是選擇適當(dāng)?shù)碾娏骰ジ衅黝愋秃蛥?shù)。

4保護(hù)裝置減緩互感器暫態(tài)飽和影響的措施[BT）]

母線外部故障時(shí)，各支路的短路電流分布可能很不均勻，飽和情況可能很不一致。為保證母線差動(dòng)保護(hù)的正確動(dòng)作，要求母線差動(dòng)保護(hù)裝置必須采取措施減緩暫態(tài)飽和影響，并不對(duì)電流互感器提出特殊要求。這已成為定論并得到普遍執(zhí)行。

對(duì)于其它保護(hù)，如發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)等，則未有明確規(guī)定。當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的保護(hù)裝置一般未采取專門措施，而需要在選擇電流互感器時(shí)，考慮暫態(tài)飽和的影響。某些國(guó)外產(chǎn)品已聲明采取了相應(yīng)措施，而不再對(duì)互感器提出特殊要求。

保護(hù)裝置采取的措施，使用較廣泛的有高阻抗母線保護(hù)，以提高差動(dòng)繼電器阻抗和利用飽和互感器分流來(lái)防止區(qū)外故障誤動(dòng)。還有利用互感器暫態(tài)飽和有一定時(shí)延來(lái)區(qū)別差動(dòng)保護(hù)中的差電流是由內(nèi)部故障產(chǎn)生還是由飽和產(chǎn)生等等。本文不準(zhǔn)備詳細(xì)討論保護(hù)裝置防止互感器飽和引起誤動(dòng)的各種措施。只想著重指出，在當(dāng)前普遍應(yīng)用微機(jī)保護(hù)條件下，保護(hù)裝置*有可能采用多種有效措施來(lái)減緩暫態(tài)飽和的影響，因而可對(duì)互感器選擇不提出特殊要求。這樣可產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)效益。所以，希望繼電保護(hù)開(kāi)發(fā)制造部門能在這方面取得更積極有效的成果。

還需要指出的是互感器暫態(tài)飽和與穩(wěn)態(tài)飽和的特性有很大差別，反映在二次電流的波形也很不相同，因而采取的措施也應(yīng)注意區(qū)別對(duì)待。例如利用故障與飽和出現(xiàn)的時(shí)間差時(shí)，暫態(tài)飽和與故障時(shí)差可能較明顯，而穩(wěn)態(tài)飽和與故障時(shí)差則較小（＜5ms）。

5考慮暫態(tài)飽和的電流互感器選擇原則

電流互感器暫態(tài)飽和問(wèn)題是普遍存在的，但不同情況下嚴(yán)重程度有所差別，所導(dǎo)致的后果也不同。如普遍要求選用的電流互感器保證暫態(tài)過(guò)程中不致飽和，則將大大增加投資。實(shí)際上，許多工程中選用的一般電流互感器雖未能*暫態(tài)特性要求，但也可能有一定暫態(tài)儲(chǔ)備，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，很多情況下采用一般互感器也是可接受的。因此，選擇保護(hù)用電流互感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問(wèn)題的嚴(yán)重程度，所用保護(hù)裝置的特性及暫態(tài)飽和可能引起的后果等因素，慎重確定。

（1）500kV系統(tǒng)電流互感器選擇

500kV系統(tǒng)和高壓側(cè)為500kV的變壓器或發(fā)電機(jī)變壓器組，由于一次時(shí)間常數(shù)較大（100ms以上），電流互感器暫態(tài)飽和可能較嚴(yán)重，由此導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的后果嚴(yán)重。因此，除保護(hù)裝置本身能保證不受互感器暫態(tài)飽和影響的情況外，所選電流互感器應(yīng)能滿足暫態(tài)性能要求。

500kV線路一般保護(hù)宜選用帶小氣隙的TPY級(jí)電流互感器，按考慮重合閘的兩次工作循環(huán)進(jìn)行暫態(tài)特性驗(yàn)算。斷路器失靈保護(hù)不宜使用TPY級(jí)電流互感器，可選用TPS級(jí)或5P等電流可較快衰減的互感器，但應(yīng)注意防止互感器飽和時(shí)電流檢測(cè)元件拒動(dòng)。

高壓側(cè)為500kV的發(fā)電機(jī)變壓器組，高壓側(cè)母線一般為一個(gè)半斷路器接線，差動(dòng)保護(hù)回路500kV側(cè)宜選用TPY級(jí)電流互感器，低壓側(cè)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)及出線端空間較緊張，裝設(shè)TP類電流互感器可能存在困難，但穿越故障電流較小，一般不超出3倍額定電流。因此，為與高壓側(cè)匹配，差動(dòng)保護(hù)用電流互感器在滿足暫態(tài)特性要求下可選用帶小氣隙的5PR級(jí)電流互感器^［4］。暫態(tài)性能可按外部三相短路C-O工作循環(huán)進(jìn)行驗(yàn)算。

高壓側(cè)為500kV的降壓變壓器的差動(dòng)保護(hù)回路各側(cè)均宜選用TPY級(jí)電流互感器。高、中壓側(cè)宜按外部線路故障C-O-C-O工作循環(huán)校驗(yàn)暫態(tài)特性。低壓側(cè)為三角接線時(shí)，可按外部三相短路C-O工作循環(huán)校驗(yàn)。

（2）220kV系統(tǒng)電流互感器選擇

220kV系統(tǒng)的暫態(tài)問(wèn)題（T_p≈60ms）及其影響后果比500kV系統(tǒng)相對(duì)較輕，適當(dāng)降低保護(hù)用電流互感器的暫態(tài)特性要求是可以接受的。以往在220kV系統(tǒng)有大量按穩(wěn)態(tài)特性選用的電流互感器運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但通常這些互感器的短路電流倍數(shù)和二次負(fù)荷選擇留有一定裕度。因此，220kV系統(tǒng)一般可按穩(wěn)態(tài)特性選用P類、PR類和PX類電流互感器，但宜適當(dāng)提高所選用電流互感器的準(zhǔn)確限值系數(shù)（ALF）以減少暫態(tài)飽和影響。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，所選互感器的準(zhǔn)確限值系數(shù)宜大于保護(hù)校驗(yàn)故障電流與互感器額定電流之比的兩倍，即用戶給定暫態(tài)系數(shù)K≥2。參見(jiàn)IEEE Std C37.110-1996等規(guī)定。

高壓側(cè)為220kV的發(fā)電機(jī)變壓器組或主變壓器，雖然外部故障穿越短路電流倍數(shù)不大，但一次時(shí)間常數(shù)可能較大（發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)變壓器組的T_p可能達(dá)150～250ms），短路暫態(tài)可能較嚴(yán)重。其差動(dòng)保護(hù)的各側(cè)電流互感器除參照上述220kV重要線路，在按穩(wěn)態(tài)特性選用電流互感器時(shí)，適當(dāng)提高所選的ALF外。還應(yīng)特別注意各側(cè)電流互感器特性及二次負(fù)荷的協(xié)調(diào)匹配。

（3）母線保護(hù)用電流互感器的選擇

由于高壓母線短路電流很大，而且外部故障時(shí)流過(guò)各互感器的電流差別也可能很大，母線差動(dòng)保護(hù)用電流互感器的選擇，很難滿足各種外部故障下的暫態(tài)特性要求。一般需要保護(hù)裝置采取必要的減輕互感器暫態(tài)飽和影響的措施。工程應(yīng)用中可根據(jù)保護(hù)裝置的特定要求采用適當(dāng)?shù)碾娏骰ジ衅?。?/p>

（4）110kV及以下系統(tǒng)電流互感器選擇

110kV及以下系統(tǒng)由于暫態(tài)問(wèn)題及其影響相對(duì)較輕，電流互感器一般按穩(wěn)態(tài)條件選擇，采用P類互感器。對(duì)于發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)變壓器組，可參照上節(jié)的原則選用適當(dāng)?shù)碾娏骰ジ衅?。?/p>

6發(fā)電機(jī)變壓器組差動(dòng)保護(hù)電流互感器的選擇示例

設(shè)發(fā)電機(jī)組容量為600MW，機(jī)端電壓為20kV，cos[WTBX]θ＝0.9。升壓變壓器組高壓側(cè)為[WTBZ]500kV，母線為一個(gè)半斷路器接線。高壓側(cè)短路時(shí)，通過(guò)機(jī)組的高壓側(cè)短路電流為2.1kA，T_p＝0.2s；系統(tǒng)供給的短路電流為38kA，T_p＝0.1s。

（1）高壓側(cè)機(jī)組額定電流為734A，電流互感器采用TPY級(jí)?？紤]系統(tǒng)穿越電流大，變比選為2500/1，K_ssc＝20，T_p＝0.1s，R_ct＝9Ω，R_bn＝15Ω，T_s＝0.8s。保證的工作循環(huán)為C0.1s-O-0.5sC0.04s-O。根據(jù)（2）式，可求出其額定暫態(tài)面積系數(shù)K_td如下：





由此求出電流互感器額定等效二次極限電動(dòng)勢(shì)為：

系統(tǒng)供給的短路電流，T_p＝0.1s,T_s＝1.01s，由（2）式求出要求的暫態(tài)系數(shù)為27.4。

機(jī)組供給的短路電流，T_p＝0.2s，T_s＝1.01s，由（2）式求出要求的暫態(tài)系數(shù)為34.9。

要求的總等效暫態(tài)面積系數(shù)為：



對(duì)于TPY電流互感器還應(yīng)按下式校驗(yàn)暫態(tài)工作中勵(lì)磁電流引起的誤差，要求不超出10%

（2） 發(fā)電機(jī)變壓器組低壓回路電流互感器的選擇。低壓側(cè)額定電流為19.3kA，取低壓側(cè)互感器為25000/1，高壓側(cè)短路時(shí)流過(guò)低壓側(cè)的短路電流為2100×525/20＝5512。設(shè)高低壓側(cè)變比誤差由差動(dòng)繼電器抽頭或軟件實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。電流互感器性能按外部三相短路C-O工作循環(huán)進(jìn)行校驗(yàn)。如選用P類電流互感器，則其要求暫態(tài)面積系數(shù)K^td為：

設(shè)所選互感器參數(shù)為R_ct＝9Ω，R_bn＝15Ω。實(shí)際負(fù)荷R_b＝10Ω，則電流互感器的ALF需要滿足下式：



P類互感器的ALF滿足44.9是可能的。但如果考慮剩磁，由于P類互感器剩磁系數(shù)很難控制，要求保證電流互感器在暫態(tài)過(guò)程中不飽和則較困難了。較合理的方案是選用有剩磁限值的5PR電流互感器,ALF＞50。5PR已納入新的IEC標(biāo)準(zhǔn)^［4］，規(guī)定其剩磁系數(shù)小于10%，這樣，低壓側(cè)互感器可以與高壓側(cè)TPY特性較好地匹配。但PR類互感器勵(lì)磁阻抗較低，即T_s值較低，需按上述TPY的類似方法校驗(yàn)暫態(tài)工作中勵(lì)磁電流引起的誤差，不應(yīng)超出10%。

7小結(jié)

電流互感器的暫態(tài)飽和嚴(yán)重影響其傳變特性，為保持暫態(tài)綜合誤差于規(guī)定范圍，互感器鐵心可能需要增大幾倍至幾十倍。嚴(yán)重影響造價(jià)，不利于安裝。

工程設(shè)計(jì)選擇電流互感器時(shí)是否考慮暫態(tài)飽和，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中暫態(tài)飽和的出現(xiàn)條件和后果的嚴(yán)重程度，區(qū)別對(duì)待。一般500kV系統(tǒng)宜要求電流互感器在短路暫態(tài)中不飽和；220kV系統(tǒng)及某些重要回路可適當(dāng)提高互感器飽和電壓以減輕暫態(tài)飽和影響；其它系統(tǒng)允許不考慮暫態(tài)飽和問(wèn)題。

電流互感器的剩磁嚴(yán)重影響其飽和特性，而且正常運(yùn)行不易消磁。因此，對(duì)某些要求特性嚴(yán)格匹配的電流互感器（如差動(dòng)保護(hù)），宜盡量選用有剩磁限值的互感器。除TPY外，P類互感器中有剩磁限值的PR型已正式納入IEC標(biāo)準(zhǔn)^［4］，可以應(yīng)用。

如保護(hù)裝置本身采取了措施減緩互感器暫態(tài)飽和的影響，則電流互感器可不再考慮暫態(tài)飽和問(wèn)題。在當(dāng)前普遍使用微機(jī)保護(hù)的條件下，保護(hù)采取措施在很多情況下都是可行的。如母線保護(hù)已普遍設(shè)有防止互感器飽和導(dǎo)致誤動(dòng)的措施。國(guó)外有些發(fā)電機(jī)和變壓器的差動(dòng)保護(hù)也有防止互感器飽和引起誤動(dòng)的措施。因此，這方面還有很大的改進(jìn)潛力。