电流互感器大电流饱和测试技术研究

张小庆，张宜阳，薛建，左宝峰，雷阳，朱大锐，张文超

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安　710054；2.西安理工大学，陕西西安　710048）

电流互感器大电流饱和测试技术研究

张小庆1，张宜阳1，薛建1，左宝峰1，雷阳2，朱大锐2，张文超2

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安710054；2.西安理工大学，陕西西安710048）

电流互感器是电力系统中重要的采样装置，其饱和特性直接影响电网的安全稳定。本文通过小电流测试，推导CT的临界饱和电流；并根据运行CT的工况条件，设计稳态、暂态大电流测试；暂态测试中，通过叠加衰减直流分量和设计重合闸的过程，模拟CT在极限峰值电流和极限剩磁水平条件下的暂态传变特性。以某区域电网为例，设计的电流互感器串联测试系统提高了测试效率，所得结论将为CT饱和特性评估和差动保护动作分析提供有力支撑。

电流互感器；饱和测试方案；临界饱和电流；稳态测试；暂态测试

电流互感器是电力系统中传变电流信号的重要元件，其可靠工作对电力系统的安全、稳定至关重要［1］。

目前，电网中运行的电流互感器大多安装于10年前，当时系统容量较小，短路电流水平相对也较低；同时，电磁式继电保护的保护动作时间较长。因此，保护用CT的稳态响应受到重点关注，作为衡量其一、二次传变特性的重要指标。

近年来，随着电网规模增加，系统短路电流水平不断攀升，经核算，某地的110 kV系统短路电流水平已达40 kA，330 kV系统也达到48 kA。同时，微机保护的应用几乎覆盖全网，其动作速度加快，在一次系统故障后1～1.5个周波完成故障判断并动作，因此，CT的暂态响应特性事实上对保护的动作性能起决定作用［2-4］。

当系统经历暂态故障，一次侧的大短路电流使互感器励磁饱和，二次电流就不能与一次电流满足线性关系，由于二次波形畸变产生的误差极有可能影响继电保护装置不正确动作［5-6］。

1　本文拟开展的工作

目前，国内外对电流互感器饱和特性的研究，关键在于电流互感器铁磁回路曲线的绘制，常用的方法为数值分析法和现场试验法，但研究成果大多停留在稳态状况下，主要存在以下问题：

1）数值分析法能够绘制电流互感器的普通磁滞回线，并通过人工神经网络对局部（暂态）磁滞回路曲线进行拟合，但该方法目前仍不成熟，不能建立更为精确的电流互感器暂态模型［7-8］。

2）现场试验方法可对电流互感器的测量误差进行检测，间接地分析电流互感器的饱和特性，但其常用的10%误差特性曲线法的试验电流远小于一次侧发生短路时的电流，因此该方法不能分析电流互感器的暂态传变特性。

3）对CT在实际大电流，特别是含暂态非周期分量大电流的传变特性研究较少。继电保护的可靠性和故障诊断的准确性受CT的暂态传变特性影响较大，当一次侧出现含较大非周期分量的暂态故障电流时，P级CT将过饱和，其二次波形失真严重［9］。

4）对差动保护两侧CT的传变一致性研究不足。以变压器差动保护为例，两侧所配CT的变比、准确级、额定容量的不同都会导致其在暂态大电流条件下传变特性的不一致，造成区外故障误动作时有发生。

除此之外，还存在不同厂家电流互感器的负载大小、工况条件、铁磁材料的老化差异，对互感器饱和特性的影响程度不尽相同，对互感器传遍特性的研究也造成了困难。

综上所述，电流互感器一、二次传变特性，特别是暂态饱和传变特性，对电力系统的安全、稳定和经济运行有着重要影响。为更精确、深入研究电流互感器的饱和传变特性，本文提出按照CT的实际运行工况，设计稳态、暂态测试的通流水平；叠加衰减的非周期分量来模拟短路故障电流；控制重合闸时机获得最大剩磁；采用实际电缆、保护和故障录波装置反映真实的负载状况；运用数据采集系统、保护和故障录波装置对CT一、二次侧电流进行多路、同步采样。

2　电流互感器的暂态运行特性

为获得更为准确的CT饱和传变特性，需进行稳态、暂态大电流测试，试验环境需模拟CT的实际运行工况，因此首先分析P级电流互感器的暂态运行特性。

对保护用P级电流互感器，着重考虑的是稳态大电流误差，而其暂态传变特性较差。在系统中发生一般短路故障时暂态大电流通过电流互感器可以等效表示为如图1所示电路，系统的等效电源为，f为故障点。

图1　系统短路故障图Fig.1　Short circuit fault of system

一次瞬时电流表达式：

式中：Ts=Ls/Rs为等效系统一次时间常数；φs为短路时刻电压的相角；全电流短路下，由φ=arctan（ωLs/Rs）≈π/2，式（1）可写成

在式（2）中，is由交流分量和按Ts衰减的非周期分量组成，非周期分量是引发短路电流偏移的关键因素，如图2所示，当φs=0时交流分量和非周期分量幅值相等，该故障条件下，暂态电流的峰值最大，位于接近1/2周期处，本文根据上述对短路电流的数学描述，设计含衰减直流分量的暂态大电流，使第一个周期内出现最大暂态峰值电流。

图2　短路电流偏移波形Fig.2　The short circuit current offset waveform

由分析得知，影响电流互感器饱和特性的关键因素为负载、剩磁和通流情况。因此，本试验的总体思路为：

1）通过设置不同大小的二次负载，模拟负载对电流互感器饱和程度的影响。由于现有继电保护装置大多采用主后一体化，且双套保护接入不同的电流互感器绕组，电流互感器所承担二次负载较轻，一般不到2 VA，远小于电流互感器额定负载。因此，电流互感器的实际饱和倍数较理论值偏高，但是否满足系统短路电流水平的要求，还需进行通流测试。

2）通过人为模拟磁滞效应，评估剩磁对电流互感器铁芯饱和的影响程度，同时，采取可行的去磁手段，降低剩磁对大电流通流测试的影响。

3）通过稳态和暂态通流来校核电流互感器一、二次传变特性。稳态通流代表正常运行时电网较大的负荷电流；暂态通流代表电网发生短路故障，并考虑瞬时故障的重合闸过程。

3　P级电流互感器饱和特性测试方案

本文以某区域电网330 kV变电站为例，研究线路光差、母线差动、变压器差动P级CT在大电流下的传变特性及其对继电保护装置动作特性的影响。

所采用的测试系统，能够发生实际工况条件下的稳态短路电流，并可叠加峰值为其80%左右的衰减直流分量，时间常数可调。故障发生的时间间隔，即重合闸的过程可调节。不仅对330 kV站内330 kV、110 kV的P级电流互感器开展大电流饱和测试研究，还对传统站向智能站改造所安装的电子式电流互感器开展大电流物理试验，全面对比分析2种电流互感器的稳态、暂态传变性能［10］。

本试验对多只电流互感器线圈进行串联测试，试验通流一次完成，能模拟差动保护所接多组电流互感器的实际工况；同时，多组电流互感器线圈的试验数据一次采集完成，提升了试验效率，电流互感器串联试验系统如图3所示。

3.1被试电流互感器的选择

对所选定的某区域电网潮流控制断面处330 kV变电站的CT进行调研，并核算该区域的短路电流水平，该区域330 kV系统的最大短路电流为48 kA，110 kV系统最大短路电流为40 kA。经筛查，该区域内330 kV、10P20和110 kV、5P20 2种CT的饱和倍数普遍超标，存在暂态饱和的风险，可能造成差动保护不正确动作。因此，本文选取上述2种CT作为测试对象，参数见表1。

图3　电流互感器串联试验系统Fig.3　Current transformer test system

表1　被试CT参数Tab.1　The parameters of the tested CT

3.2试验接线设计

整体试验的接线设计见图4，图中对互感器进行了编号。1～5 V·A范围内的负载，均设计为实际装置构成的回路用以模拟真实工况，见表2。

图4　互感器试验接线原理图Fig.4　Wiring principle diagram of the PT test

此外，根据表1中被试CT的额定负荷为30 VA，二次侧额定电流为1 A，确定额定负载阻抗为30 Ω。为全面模拟由实际负载到额定负载范围内CT的饱和特性，特增加由纯无感电阻构成的1/4额定负载（7.5 Ω）和额定负载（30 Ω）。

表2　CT二次负载设计Tab.2　The secondary load design of CT

3.3采集回路设计

图4中，数据采集装置能同时采样CT一、二次侧的电流（一次侧电流峰值最高达86 kA），其回路设计如图5所示。

图5　数据采集装置回路接线图Fig.5　Circuit wiring diagram of data acquisition device

数据采集装置运用阻值为0.001 Ω的标准电阻分流器，将一次侧的大电流信号转换为电压信号；二次侧采样负载两侧的电压值；将CT一、二次侧电压信号转换为光信号，同步输入暂态误差测量装置进行对比分析。

为确保数据采样装置在强电磁环境中录波的准确性和稳定性，CT3、CT4二次侧用精度更高的DL850采样（采样频率为3 200 Hz），采样光纤长10 m，确保与强电磁环境的物理隔离。

3.4保护系统的模拟

根据图4，得大电流试验所模拟的保护系统如图6所示。

图6　试验所模拟的保护系统Fig.6　Protection system simulated by experiments

试验共采用了4套保护装置：1）CSC-103B线路差动保护2套，分别接CT 2和CT 7，通过光纤通道进行通信，模拟线路纵差；2）PST-1200变压器差动保护1套，接CT3#和CT8#，其高中压侧A相电流通道模拟变压器差动；3）BP-2B母线差动保护1套，接CT3#和CT8#。

4　大电流稳态、暂态测试

4.1小电流测试临界饱和电流的核算

在进行大电流测试前，需确定通流取值的范围，过大将受设备条件的限制，费用较高；过小将使CT未能进入饱和状态，测试所得数据无意义。

本文通过小电流测试，获得CT的内阻、拐点电压、伏安特性曲线，进而反推核算出CT的临界饱和电流。同时，选取额定负载为50VA的CT，与表1第一类CT进行对比，研究负载对CT饱和特性的影响。

小电流伏安特性测试的结果见表3。

表3　CT的内阻和拐点电压Tab.3　Resistance and inflection point voltage of CT

按下式计算CT在不同输出负载下的临界饱和电流

式中：Z2为二次输出负载阻抗；cos φ为输出负载的功率因数，取0.8；R1为二次回路内电阻，取表中平均内电阻；X1为二次回路内电抗，取表中平均内电抗；E2为平均拐点电压；N为电流互感器变比。

将式（3）绘制曲线，如图7所示。

图7　CT临界饱和电流Fig.7　Critical saturation current of CT

在该区域电网中，5P20和10P20互感器均接微机保护，负载较轻，因此，1～5 V·A负载所对应的试验结果较能体现实际情况，结论分析如下：

1）1 200/1电流互感器的拐点电压高于600/1电流互感器，其抗饱和能力更强，饱和电流值更高。

2）变比和准确级相同时，提高额定负载容量，可提升电流互感器的拐点电压与抗饱和能力。

3）1 200/1互感器在1～2VA轻载情况下，饱和电流较额定负载（30 VA）下提升4.92倍，而600/1互感器提升了7.01倍。因此，轻载能有效提升互感器的饱和倍数，且变比越小，提升效果越好。

4）通过核算，CT在1～5 VA负载情况下，一次侧临界饱和电流均大于该区域电网的最大短路容量48 kA，所以，在稳态大电流试验中，电流互感器应不发生饱和。

小电流测试均采用变频升压的方法，通过获取CT的单值磁化曲线，建立CT的数学模型，模拟CT在稳态大电流下的传变特性。综上，根据小电流试验的测试结论，确定稳态大电流测试的最大峰值电流为48 kA，暂态峰值电流在此基础上叠加80%的衰减直流分量，重点验证轻载稳态通流时CT不发生饱和；重点研究CT暂态通流时的特殊传变规律。

由于该方法获得的磁化曲线为单值曲线，未考虑剩磁的影响；拐点电压的寻找基于稳态通流，未考虑铁磁材料在暂态环境下的影响因素。因此，需设计稳态、暂态大电流测试方案，对CT大电流下实际的铁磁环境予以模拟，该方案应能表征真实的二次回路情况，且通流方式简便，易于操作。

4.2通流的选择

根究CT的临界饱和电流和极限暂态短路电流，设计出大电流试验分稳态试验和暂态试验两部分，通流大小和通流方式如下。

1）稳态大电流试验共进行4次，电流有效值为6～48 kA，每次通流持续时间为200 ms。

表4　稳态通流有效值Tab.4　The valid values of the steady state flow

2）暂态通流试验共进行4次，与稳态通流试验相比，暂态通流试验有以下特点：1）暂态通流试验中的工频分量有效值同样为6～48 kA，但暂态通流试验中电流叠加直流分量，直流分量为80%稳态分量峰值，衰减时间常数为100 ms；2）暂态通流中进行重合闸，通流顺序为150 ms通流—600 ms无电流—150 ms通流，用以模拟剩磁对暂态饱和的影响。

表5　暂态通流工频分量有效值Tab.5　The valid values of the transient flow of power frequency component

4.3大电流测试结果

按照上述步骤实施稳态、暂态测试，并叠加每个互感器回路一、二次侧的所有波形，显示在一张图中，测试结论如下：

1）所有测试CT在4.4 Ω及以下负载，均未发生稳态饱和，稳态误差为5%～10%。因此，对于本文所构建的4.4 Ω及以下负载，10P20、1200/1和5P20、600/1两种电流互感器适应该区域电网的所有正常运行方式。

2）稳态通流24 kA、负载7.7 Ω时，9#CT二次侧波形发生稳态的饱和畸变，见图8，并随负载增加和通流升高，饱和效应更加严重。所以，当负载大于7.5 Ω（1/4额定负载），稳态通流高于24 kA时，该区域电网CT将发生饱和，实际中，若不考虑CT二次回路接触不牢靠的问题，CT实际负载不会大于7.5 Ω，即24 kA为该区域电网中CT的极限稳态饱和电流值。

图8　24 kA稳态试验9号CT各通道波形的合成Fig.8　Synthesis of each channel waveform of No.9 CT during 24 kA steady-state test

图9　12 kA暂态试验3#CT各通道波形的合成Fig.9　Synthesis of each channel waveform of No.9 CT during 12 kA steady-state test

3）暂态通流试验中，负载仅为1.4 Ω，暂态通流为12 kA时，3号CT就发生了暂态饱和，见图9。短路情况下，区域电网很容易达到该门槛值，十分易于进入暂态饱和。若差动保护两侧CT的饱和特性不一致，将会引发保护误动作。

4）图9中BP-2B母差保护的录波数据，较DL850幅值低很多，因此，在保护动作行为分析时，还需考虑保护装置中小电流变换器与大CT饱和特性的不一致问题。

5）48 kA暂态测试中，电子式CT二次波形未发生饱和畸变，但电子式CT的采集器受电磁兼容影响，二次录波会有跳点。

5　结论

1）本文在总结目前单一CT饱和特性研究的基础上，提出对区域电网中不同变比、不同额定饱和倍数、不同负载的CT进行统筹分析，模拟出区域电网的差动保护系统，真实的还原了CT在大电网中的安装位置及所受极限暂态电流等运行工况。

2）提出依据临界饱和电流计算，选择大电流稳态、暂态测试的通流大小。同时，通过模拟非周期分量、重合闸过程中电流互感器的暂态传变特性，得到了极限剩磁水平条件下，电流互感器的暂态传变波形。本文所得的稳态测试结论能够指导该区域电网中CT二次负载的选择，避免因负荷电流过大造成CT的稳态饱和。

3）本文提出的电流互感器串联同步测试方法，通过一次通流测试，能够采集多组CT的测试结果，提升了测试效率，解决了差动保护CT录波的时间同步问题。

4）本文将CT一、二次侧，所接保护、故障录波的测试数据予以叠加，该方法能对比分析CT本体的传变特性，以及保护装置内部变送器的传变特性，为研究CT饱和的具体发生环节提供思路。

5）进一步，依据本文中CT的大电流实测数据，由B-H曲线方程，反推CT的励磁曲线，优化CT的磁滞模型，建立基于CT一、二次电流波形和结构参数的CT仿真评估系统，该系统将能够解决现场测试接线复杂、测试成本较高等问题。

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（编辑黄晶）

Research on Saturation Test under High Current for Current Transformers

ZHANG Xiaoqing1，ZHANG Yiyang1，XUE Jian1，ZUO Baofeng1，LEI Yang2，ZHU Darui2，ZHANG Wenchao2
（1.State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi'an 710054，Shaanxi，China；2.Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，Shaanxi，China）

The current transformer is an important sampling device in the power system，and its saturation characteristic affects the stability of the power grid directly.The paper derivates the critical saturation current of CT by the small current test，and designs the steady and transient high current test according to the operation condition of the CT.In the transient test，the papr simulates the CT's transient characteristic under the peak current and residual magnetism through compositing decaying DC component and designing the process of reclosing.Taking a regional power grid for example，the paper suggests that the designed CT series test system improves the testing efficiency，and the conclusions made therein can provide strong support for the analysis of CT's saturation characteristic and operation of differential relay protections.

current transformer；saturation test scheme；critical saturation current；steady test；transient test

1674-3814（2016）07-0058-07

TM53

A

陕西省自然科学基础研究计划项目（2014JM7255）；陕西省重点学科建设专项资金资助项目（5X1201）；陕西省教育厅服务地方专项计划项目（2013JC24）；西安市科技计划项目（CXY1441）；中国华能集团公司总部科技项目（HNKJ13-H20-03）。

Project Supported by Shaanxi Province Natural Science Basic Research Program（2014JM7255）；Shaanxi Key Discipline Construction Special Funds（5X1201）；Special Program for Serving the Local Entitites by Shaanxi Education Department（2013JC24）；Xi'an Science& Technology Planning Program（CXY1441）；the Science&Technology Project of China Huaneng Group（NKJ13-H20-03）.

2016-02-16。

张小庆（1971—），男，本科，主要研究方向为电力系统保护与控制；

张宜阳（1986—），男，硕士，主要研究方向为电力系统自动化。