磁阀式电流互感器暂态特性研究

刘召杰 卫思明 陈柏超 张哲璇 吴煜文

摘要：电流互感器（CT）饱和是保护装置误动的原因之一，现基于传统电流互感器的结构，设计了一种新型磁阀式电流互感器（MVCT），MVCT输出不依赖于电力系统拓扑结构，且不受剩磁的影响。仿真与实验结果表明，MVCT可以测量短路电流、励磁涌流与和应涌流等可能导致保护误动作的瞬态电流。

关键词：继电保护;磁阀式电流互感器（MVCT）;剩磁;短路电流;励磁涌流;和应涌流

中图分类号：TM930.1  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）07-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.001

0    引言

电流互感器的传变性能对继电保护具有非常重要的影响。保护用电流互感器饱和的主要原因包括：含有衰减缓慢的直流分量的暂态短路电流和变压器励磁涌流导致的电流互感器饱和以及断开故障电流及重合闸过程在铁芯残留的剩磁导致的电流互感器饱和[1]。故电流互感器的饱和补偿方法与新型电流互感器的研究仍是广受关注的热点。

本文在已有的研究基础[2-3]上详细分析了MVCT的工作原理与工作状态，并通过一系列的仿真与实验研究了MVCT在测量短路电流、励磁涌流与和应涌流时的暂态特性。

1    MVCT基本原理

如图1与图2所示，MVCT主要由含磁阀结构的铁芯、一次绕组N1、二次绕组N2、二次负载R2、磁场传感器与信号处理单元组成[2]。其中，MVCT铁芯包括截面积保持不变的主铁芯与截面积较小的磁阀铁芯，主铁芯高度为h，平均长度为lm，磁阀铁芯高度为kh，平均长度为lv;磁场传感器放置在铁芯切口中，用于测量切口中的磁场强度Hi，并将磁场强度转换为相应的电压信号;二次负载为纯阻性负载，连接至二次绕组。MVCT的信号处理单元将去除直流偏置信号后的磁场传感器输出信号进行比例放大，再与二次负载电压信号进行相加;信号处理单元的输出即MVCT的总输出。i1、i2分别代表一次电流、二次电流，Bm、Hm分别代表主铁芯的磁感应强度与磁场强度，Bv、Hv分别代表磁阀铁芯的磁感应强度与磁场强度，Bi、Hi分别代表切口的磁感应强度与磁场强度，μr、μ0分别代表相对磁导率与真空磁导率。

当N1=1时，根据安培环路定理得：

Hmlm+Hvlv=i1-N2i2（1）

根据磁通连续性得：

Bm=kBv+（1-k）Bi（2）

根据磁势连续性得：

Hvlv=Hilv（3）

本文使用如图3所示基本磁化曲线表示磁感应强度B与磁场强度H的关系：

Bm=μr μ0Hm（4）

Bv=μr μ0Hv（5）

Bi= μ0Hi（6）

联立式（1）～式（6）得：

i1=N2i2+klm

+lm+lvHi（7）

其中，A=klm+lm+lv为补偿系数。

式（7）中，N2、i2、lm、lv与k均为已知;相对磁导率μr可通过实验测得，也可由生产厂家给出;切口磁场强度Hi可以通过磁场传感器检测到。故当磁场传感器误差较小且灵敏度较高时，MVCT较传统电磁式电流互感器可以更精确地测得一次电流i1。即使当磁阀铁芯进入饱和从而使二次电流发生畸变时，经磁场传感器输出的补偿信号补偿后的MVCT依然可以测得全电流。

2    仿真分析

本文使用COMSOL建立有限元模型仿真研究MVCT的工作原理与特性。其中，MVCT铁芯磁化曲线使用实测数据，忽略漏感与铁芯损耗并将二次负载设置为纯阻性负载。具体仿真参数如表1所示，仿真模型如图4所示。切口气隙与磁阀铁芯中磁感应强度与磁场强度选择相应的体中心点数据。

2.1    暂态短路电流仿真分析

当系统发生短路故障时，短路一次电流瞬时值如下：

ip=Ipe

cos θ-cos（ωt+θ）（8）

实际中，影响电流互感器暂态特性的参数主要是短路时初始电压的相角θ、一次系统时间常数Tp与剩磁Br等[4]。

2.1.1    全偏移电流

当θ=0，短路电流全偏移，对CT的影响最严重。取Ip=370 A，Tp=100 ms，f=50 Hz，仿真结果如图5所示。

图5中，二次电流在一次电流达到峰值前已发生畸变;而经补偿信号补偿过的MVCT输出信号已可以较好地跟踪一次电流的变化。

2.1.2    时间常数Tp

我国生产并使用的300～600 MW汽轮发电机组时间常数高达300 ms[4]，故保持其他参数不变，Tp=300 ms时的仿真结果如图6所示。

图6中，二次电流相对于时间常数Tp=100 ms时的畸变更为严重。经补偿信号补偿过的MVCT的输出信号依然可以较好地跟踪一次电流的变化。

2.1.3    剩磁Br

当故障发生使得保护装置动作后，铁芯中将会存在大量的剩磁，剩磁一旦产生并不会显著降低。如果再发生第二次故障，且非周期分量产生的瞬态磁通与剩余磁通的方向一致，CT将更迅速地饱和。在超高壓系统中，保护加断路器动作时间一般为40 ms[4]。采用重合闸时，一次短路电流从切断起到其重复出现时的时间间隔约为400 ms，故取t′=0.04 s，tfr=0.4 s，其他参数保持不变，仿真结果如图7所示。

如图7所示，当铁芯中含有剩磁时，电流互感器二次电流畸变程度加重。但在两次针对短路电流的测量过程中，MVCT输出波形均与一次电流波形保持一致，未受到剩磁的影响。

面对时间常数较大的发电机系统或考虑重合闸的二次工作循环时，工程上常常通过成倍地增加互感器铁芯截面积来提高暂态面积系数，以防止其暂态饱和。但MVCT可以补偿因铁芯暂态饱和导致畸变的二次电流，故使用MVCT可以在一定程度上减小保护用电流互感器的体积。

2.2    浪涌电流仿真分析

当空载变压器接通电源时，浪涌电流可能达到变压器标称电流的数倍，与变压器内部故障电流一样高。空投涌流中的非周期分量流过系统电阻，导致公共节点上电压的非周期波动，会引起相邻变压器产生和应涌流。励磁涌流与和应涌流特性复杂，不容易被预测且难以量化分析[5]。故本文首先按照图8在MATLAB中搭建了仿真模型，再将仿真得到的相关电流作为一次电流导入COMSOL中进行仿真分析。

2.2.1    励磁涌流

电流互感器的传变特性影响变压器差动保护的励磁涌流识别判据是否有效。当一次电流为励磁涌流ie时，仿真结果如图9所示。

由图9可知，受励磁涌流直流含量的影响，传统电磁式电流互感器的铁芯进入饱和;二次电流在第一个周期内未发生明显畸变，但在第二个周期开始发生明显畸变;但经补偿信号补偿过的MVCT输出信号可以较好地跟踪一次电流的变化。

2.2.2    和应涌流

和应涌流主要分为两种：并联和应涌流与串联和应涌流，本文只讨论并联和应涌流。当一次电流为和应涌流is时，仿真结果如图10所示。

由图10可知，二次电流在前七個周期内未发生明显畸变，但第八个周期开始发生明显畸变;经补偿信号补偿过的MVCT输出信号已可以较好地跟踪一次电流的变化。

工程实际中，对励磁涌流与和应涌流的识别依然主要是利用波形对称判据、二次谐波含量判据与间断角判据等，但电流互感器暂态饱和导致的二次电流畸变会影响上述判据的可靠性[6]，进而可能导致保护装置特别是变压器差动保护的误动作。而MVCT输出信号在一定范围内可以很好地还原一次电流，从而使得保护系统对涌流识别的可靠性有所增加。

3    实验结果与分析

3.1    暂态短路电流测量实验

为了进一步验证MVCT测量暂态短路电流的能力，本文搭建了如图11所示的实验平台以模拟线路接地短路故障。其中电阻R阻值为1 Ω，电感L值为65 mH，负载阻值为45 Ω。闭合开关Ⅱ后的实验结果如图12所示。

如图12所示，二次负载电压在短路故障发生后的七个周期内发生明显畸变，而磁场传感器输出的补偿信号恰在铁芯饱和二次电流发生畸变时“骤升”。MVCT输出信号可以较好地跟踪一次电流信号。

3.2    含有剩磁的暂态短路电流测量实验

限于实验条件，在实验中使用图13所示电路产生剩磁。其中，交流回路中，电阻阻值为1 Ω，电感值为10 mH;直流回路电源电压为5 V，电阻R2阻值为1 Ω，匝数为1匝。合闸开关Ⅲ并通电较长时间;在断开开关Ⅲ的同时，依次合闸开关Ⅰ与开关Ⅱ，观察电流信号波形。

图14中，二次电流相对于图12时的畸变更为严重。经磁阀补偿信号补偿过的MVCT的输出信号依然可以较好地跟踪一次电流的变化。

3.3    励磁涌流测量实验

本文搭建了如图15所示的实验平台以验证MVCT测量励磁涌流的性能。其中采样电阻阻值均为1 Ω，变压器Ⅰ容量为1 kVA，变压器Ⅱ容量为2.3 kVA，一次侧额定电压均为220 V，变比均为1：1，实际市电电压有效值为240 V。

闭合开关以产生励磁涌流。如图16所示，测量励磁涌流时，电流波形偏向于坐标轴的一侧，直流含量较高，二次电流在合闸后发生严重畸变，但MVCT输出依然可以较好地还原一次电流。

4    结语

本文提出的MVCT克服了传统CT存在电磁饱和的问题，具备良好的暂态传变特性，可以实现故障电流全波形的测量。MVCT原理简单，成本较低，有望在继电保护领域得到较好的推广应用。

[参考文献]

[1] 黄杨明，林浩勤，吉宏浩，等.电流互感器饱和的校核方法及应用[J].机电信息，2016（15）：20-23.

[2] 吴煜文，田翠华，吴凡，等.磁阀式电磁型电流互感器[J].高电压技术，2020，46（9）：3154-3163.

[3] 官瑞杨，魏新劳，王永红，等.铁芯电抗器气隙边缘效应计算及影响因素[J].电机与控制学报，2018，22（4）：81-88.

[4] 袁季修，盛和乐，吴聚业.保护用电流互感器应用指南[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5] FONSECA W S，LIMA D S，LIMA A K F，et al.Analysis of structural behavior of transformers winding under inrush current conditions[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2018，54（3）：2285-2294.

[6] 张运驰，高厚磊，杜士昌.基于综合形态算法的变压器励磁涌流识别方法[J].电力系统自动化，2021，45（24）：165-173.

收稿日期：2021-12-31

作者简介：刘召杰（1980—），男，上海人，高级工程师，研究方向：新型控制系统。