浅谈电流互感器饱和问题与母线保护处理

刘金莉　李振玲　董丽丽　王玉喜

随着我国用电规模和用电需求不断增加，这不仅使得供电电压也相对提高，同时也导致供电系统的短路容量和实际常数随之大幅度增加。这样使得电流互感器（TA）饱和问题逐渐成为供电系统的研究热点之一，而TA饱和容易使得母线保护出现一定的误动作，因此加强母线区外出现故障且TA处于饱和状态时母线保护的误动作以及对母线保护性能影响的相关研究意义重大。

一、电流互感器（TA）的饱和原理分析

TA转换等效电路如图1所示，通过等效电路可以对TA的工作特性进行合理有效分析。其中R1、L1是TA一次绕组的电阻和电抗；R2、L2是TA的二次绕组的电阻和电抗；RL、LL是TA二次回路负载的电阻和电抗；而Rμ、Lμ是励磁回路的电阻和电抗。通过电路图可以得到相应的一次、二次电流与励磁电流的作用联系。同时励磁电流可使得TA传变出现一定的误差，励磁电流数值主要由TA铁芯饱和状态判定和相应的饱和程度导致的，但TA铁芯是一种非线性元件，这可使得电流互感器产生一定的饱和现象。通常TA铁芯的饱和特性决定于基本磁化曲线以及磁滞回线共同作用。而基本磁化曲线则是磁性材料在多次磁化作用下，并根据磁中性状态作为出发点，测量得到磁感应强度（B）与磁场强度（H）之间的关系，具体如图2所示。这种关系相对复杂，如将其简化可得到TA铁芯的简化磁化曲线，可根据该曲线对TA在磁化条件下的传变特性进行有效分析。

图1 TA等效电路图 图2 磁感应强度与磁场强度关系曲线

当铁芯的磁感应强度没有达到相应饱和状态前，其磁场强度数值为零，这种条件下整个铁芯的磁导率相对较大。而与TA励磁回路关联性较大的励磁电感数值相对较大，其可看作是励磁回路开路，一次侧电流完全转至二次回路。当铁芯的磁感应强度达到相应饱和状态时，磁导率以及TA励磁电感数值较小，使得励磁支路电流出现大幅度增加，进而导致二次回路电流产生一定的缺损情况，而此时TA正处于饱和阶段。通常一次侧电流沿着TA饱和方向下降至数值为零或者负值时，整个TA铁芯的磁感应强度出现下降趋势，直到强度数值降至饱和磁感应强度以下，此时TA使得一次侧电流传至二次回路中，进而导致其处于不饱和状态。实际TA运行过程中，供电网络出现一定的短路故障时，一次侧的故障电流暂态状态具有幅值相对较大的非周期性直流分量，而TA励磁电流和二次电流也同时产生相应幅值较大的非周期分量，这导致铁芯的磁感应强度可在短时间内达到饱和状态，并使得励磁阻抗相对降低而励磁电流则大幅度上升，而一次电流主要转换为励磁电流，这使得二次电流出现大幅度的下降，甚至导致严重的缺损情况。因此根据周期分量和非周期分量相互作用对TA的饱和状态的严重影响，可将TA的饱和状态大致归纳为以下两种类型。一种是稳态饱和，其基本去除非周期分量对故障暂态过程的一次侧电流的影响，主要对一次电流周期性分量的幅值大小和改变TA二次负载对其二次电流的影响作为主要考虑因素。另一种是暂态饱和，其主要基于TA饱和程度与故障暂态过程中非周期性衰减直流分量的相互作用关系，同时需要分析分析TA二次电流的主要特点。这是由于TA铁芯线圈传变直流分量的能力相对较弱，使得直流分量完全进入励磁支路成为励磁电流，这样容易导致TA出现快速饱和情况，甚至可以进行到深度饱和状态。

二、TA饱和对母线保护的影响

母线保护主要建立在电流差动保护的基础上，而这种保护动作主要依据基尔霍夫定律，其具体以母线作为主要的有效节点，而当母线处于正常运行状态或者区外故障时进入到母线的整个电流总和数值为零。但当母线出现故障时进入母线的相应电流总和可作为总体短路电流大小。这种原理使用的重要基础是母线相应支路的TA均可对一次电流进行精准有效传送。这种TA饱和状态主要由母线差动保护导致的，其主要作用为大幅度增加母线差动保护出现误动作的概率。因此考虑和使用一些有效措施避免TA饱和导致母线差动保护出现误动作，这是母线差动保护可进行快速精准动作的前提条件，通常可以在母线区外故障TA饱和时以及故障由区外向区内转化过程中，安全、精准和有效的进行闭锁差动保护。

三、针对TA饱和以及母线保护的处理措施

3.1中阻抗母线差动保护处理措施

这种保护处理措施主要基于TA饱和时励磁阻抗大幅度下降的基础上，其可避免差动保护引起的误动作问题。通常对于数百欧的保护装置而言，其自身的差动回路电流继电器的阻抗可以对TA饱和以及相应不平衡电流有良好的分流作用，并减少流入差动回路的电流量，同时这种差动保护具有良好的制动作用，其可避免外部故障导致TA饱和时进行相应的误动作保护。当产生内部故障TA饱和时，通常需要未达到饱和便根据差动保护的快速性完成跳闸动作，只有做到上述工作才能避免拒动情况。

3.2数字式保护抗TA饱和的措施

当前这种差动保护大多用于低阻抗母线差动保护，而这种保护动作精准性主要考察因素是TA饱和问题。而采用这种母线差动保护动作以及抗TA饱和的相关措施主要可依据6种原理。

3.2.1比率制动特性

通常TA饱和相对较轻微时，可基于比率制动特性进行有效限制母线差动保护的误动作行为，而TA饱和处于较为严重程度时，采用这种特性却不能成功限制相关的保护误动作行为，这时需要使用其他的专业抗TA饱和的有效措施。

3.2.2TA线性区

通常TA达到饱和时，每个周波包括一次电流过零点附近的不饱和段，而TA线性区母线差动保护方法是依据这种特性而形成的。该种方式可以有效避免TA饱和区，并使得差动保护在每个TA周波脱离饱和的线性区范围内，这些可以精准判断出现母线故障的实际情况。而在实际运行过程中，为了保证整个运行过程母线差动保护不出现严重的误动作行为，需要对单一波周内TA饱和和退出饱和的时间进行精确检测和控制。特别需要重视的是TA的线性转变区的范围以及辨别问题，这是该方法的关键使用基础条件之一。因此对于TA饱和时电流波形相对复杂的情况，不仅需要对TA饱和以及退出饱和的时间进行精准掌握，同时也要考虑TA的线性转变范围的辨别和判定。

3.2.3同步识别法

如果母线区外产生一定的故障问题，通常这种故障不和TA故障初始瞬间的未饱和状态以及故障电流数值存在相互关联性。这种故障使得TA饱和前的差电流相对较小，从而避免相应保护元件的误动作行为。但利用母线电压制造差动保护的启动元件，这种元件可在故障发生瞬间就可做出反应动作，而这种动作与误动作发生存在一定的时间差。而当母线区域产生一定的故障过程中，通常会使得差电流相对增加且母线电压减小的情况，而这种情况则是TA饱和采用同步识别法的相关原理基础。TA运行过程中，需要保证母线区内、区外相应故障的同时有效区分。当母线区外发生故障且TA饱和状态时，常采用闭锁母线差动保护的措施进行有效解决。通常这种TA饱和具有周期性出现的特征，这主要是系统外转区内过程中母线转换性故障的相关影响因素引起的。

3.2.4基于差动电流变化率判断TA是否饱和

这种方式主要利用差电流对TA是否饱和进行有效监测，这通常会出现以下两种情况：一种是TA已发生饱和，此时接近饱和点区域内的二次电流变化率出现大幅度增加，并导致二次侧电流产生一定的波形缺损情况。而当母线区内发生故障时，支流电流会集中进入到母线中，此时差电流呈现正弦变化规律，并且在区外故障TA饱和条件下，差电流可避免出现突变情况。另一种是TA由不饱和转变到饱和状态需要一定的时间，而当TA饱和过程中，通常不饱和时间段会出现单个周波临近一次电流过零点，在这个时间段内，差电流变化幅度相对较小，其可使得TA基于不失真的前提下进行相应的电流转变动作。而TA饱和状态检测可利用这个特点制作相应的检测模块，这样可使得检测模块在短路初始瞬间以及TA饱和后的单一周波内的不饱和时段都可安全可靠的进行闭锁保护行为。

3.2.5波形对称性

这个方法主要基于波形对称性程度对TA饱和状态进行明确判断。其主要是由于在TA饱和状态下，二次侧电流波形的一周波波形的对称性遭到相应破坏，进而产生一定的畸变情况。通常对于不对称的措施相对较多，其中较为基础有效的措施是根据电流相隔半周波导数的模值相等与否的判断进而确定相应的对称性。

3.2.6谐波制动原理

通常可基于TA处于饱和状态过程中差电流波形相对失真的前提条件，并通过差电流中谐波分量的波形特点进行TA饱和状态的有效检测。而区外故障并且TA饱和状态过程中，其差电流的波形实质等效于饱和TA励磁支路的电流波形。首先差电流会产生较多数量的高次谐波，当TA饱和为常规轻微状态时，使得故障支路的二次电流会出现一定的波形破损情况。其次是TA饱和处于轻微状态发展到深度饱和状态过程中，此时使得二次电流波形上的破损量也相对增大。而在内部故障时，差电流波形与工频电流基本一致且谐波含量相对较少。因此这种方法可用来快速差动保护判定，其主要依据保护区外变换为区内故障过程中，故障电流中谐波分量相对减少这一特征。

四、结语

通过本文对电流互感器的饱和原理、TA饱和对母线保护的影响、针对TA饱和以及母线保护的处理措施的分析来看，通过对TA饱和以及母线保护的处理措施，不仅可通过相应的检测方法有效提高抗饱和性能，同时也可大幅度降低TA饱和对母线差动保护误动作的影响，这样可以有效保障母线运行的稳定性和可靠性，也可为新型母线保护装置研究开发提供一定的参考和借鉴。