电流互感器的误差及其对继电保护的影响_王燕

发布时间:2021-09-21 07:46:12

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东北电力技术

2006 年第 1 期

经验 交流

电流互感器的误差及其对继电保护的影响
Error of Current Transformers and Its Influence on Relay Protection
王 燕
100049) ( 北京华根电力工程有限公司 , 北京

摘要 : 继电保护装置是通过电流互感器来反应被保护元件中所通过的电 流。由于电流 互感器存 在误差 , 造成 在短路过程 中 一次电流产生偏差 , 影响继电保护装置的正确工作。为保证继电保护装置 的正确工作 , 必须对电流 互感器的 误差进行深 入 的研究 , 分析电流互感器产生 误差的原 因 , 确定 检验 电流互 感器 误差 的方法 , 分析电 流互 感器 误差对 继电 保护装 置的 影 响 , 找出减小误差的具体措施。 关键词 : 电流互感器 ; 继电保护 ; 误差 ; 10% 误差 [ 中图分类号 ] TM452[ 文献标识码 ] B[ 文章编号 ] 1004- 7913( 2006) 01- 0030- 04

在电力系统运行中, 继电保护装置的基本任务 是当电力系统中的 电气元件发生 故障时, 能 够自 动、迅速、有选择性地将故障元件切除 , 保证其他 无故障部分迅速恢复正常运行。继电保护装置正确 动作的前提是必须准确地感知故障量的大小 , 继电 保护装置通过电流互感器反应被保护元件中所通过 的电流。电流互感器的误差影响继电保护装置的工 作质量, 而电流互感器在短路过程中能否真实地传 变一次电流, 对于继电保护装置的正确工作起着决 定性的作用。电流互感器的误差对其传变一次电流 影响很大。规程规定用于继电保护的电流互感器在 一次电流等于最大短 路电流时 , 其变比误差应 10% 。

式中

nL

电流互感器的变比。

电流互感器的等值电路如图 1 所示 , 图中各参 数均折算到二次侧。

图1 Z1 S 、Z2 S 阻抗; Z en

电流互感器等值电路 励磁

电 流互 感器 一、二 次侧 的 漏抗 ; Z L 负荷阻抗

为了方便计算, 定义 Z 2 = Z 2 S + Z en 为二次阻 抗。 由图 1 可知二次电流与一次电流关系为 I 2= I 1 - IL I 2 ( Z 2 S + Zen ) = ( I 1- I 2 ) ZL ZL I1 Z 2S + Z en + ZL 将式 ( 3) 代入式 ( 1) 得 : I 2= | fb | = ( 3) ( 2)

1

电流互感器误差的产生
计算电流互感器二次电流是用一次电流除以电

流互感器的变化来获取, 是在忽略了励磁电流的前 提下得到的结果。实际上 , 由于电流互感器存在励 磁电流, 产生了电流互感器的测量误差。测量误差 就是电流互感器的二次输出量 ( I 2 ) 与折算到二次 侧的一次输入量 ( I 1 ) 之间大小不相等、幅角不同 所造成的差值。因此 , 电流互感器的误差可分为数 值 ( 变比 ) 误差和相位 ( 角度 ) 误差。我们重点讨 论电流互感器的变比误差。 励磁电流是造成电流互感器二次电流和一次电 流不成比例的直接原因。励磁电流使一次折算至二 次侧的电流不等于二次电流, 造成了电流互感器的 变化误差 ( f b ) , 计算公式为 f b = ( I 2 - I 1 / nL ) / ( I 1 / nL ) ( 1)

Z 2 S + Zen ( 4) Z 2S + Z en + ZL 二次漏抗 Z 2 S 变化很小 , 可以视为不变 , 根据 式 ( 4) , 当系统发生故障时, 一次电流突然增大, 在一次电流的非周期分量的影响下, 电流互感器铁 心很快饱和 , 励磁阻抗迅速下降 , 励磁电流急剧上 升 , f b 将明 显增大。在一 次电 流不 变的 情况 下, 如果负荷阻抗增大 , 使二次阻抗支路的分流减小, 励磁电流增大, 也会使 f b 增加。 此外, 励磁电流还能使二次电流在相位上偏离 一次电流, 造成电流互感器相位误差。

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式或厂用馈线电流互感器取 3 R 2 = Z 2 S ) 。 c.

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由于电流互感器存在励磁阻抗 , 因此, 电流互 感器的误差不能完全消除。为了使继电保护装置能 够正确感知故障量的大小 , 必须将电流互感器的误 差控制在一定范围。继电保护要求电流互感器在一 次电 流 等于 最 大 短路 电 流时 , 其 变 比误 差 小 于 10% 。因而产生了电流互感器的 10% 误差曲线。

将电流互感器一次侧开路 , 用伏安特性法

作出二次侧电压 U = f ( IL ) 曲线。用以下公式求 出相应的数值。 励磁电压: E = U - I L Z 2 S E IL I1 电流倍数: m 10 = I 1N 励磁阻抗: ZL = E - Z 2S 9 IL d. 以 m 10 为纵 坐标、 Z en 为横 坐标, 将 求得 的 m 10 和 Zen 的值逐点绘制在坐标纸上, 即可得到 允许二次负荷阻抗 : Z en = 10% 误差曲线 m 10 = f ( Z en ) 。 由于接在电流互感器二次侧的继电保护装置多 是反应短路时电流增大而动作的 , 短路时需要电流 互感器正确反映一次侧的 电流, 因此 重要保护装 置用的电流互感器都需要满足 10% 误差曲线的要 求。

2

电流互感器的 10%误差曲线
电流互感器的 10 % 误差曲线是指变化误 差满

足 f b = 10% 时 , 一 次 电 流 ( I 1 ) 与 其 额 定 电 流 ( I 1 e ) 的 比 值 ( m 10 = I 1 / I 1 e ) 和 二 次 负 荷 阻 抗 ( Z en ) 的关系特性曲线 ( 如图 2 所示 ) 。由图 2 可 知, 在电流互感器的 10% 误 差允许范围内 , 一次 电流和二次负荷阻 抗是相互制约 的, 一次电 流越 大, 允许的二次负荷阻抗就越小。 另外 , 10% 误差与角度误差有一定的关系。理 论分析和运行经验表明, 当保护用的电流互感器满 足 10% 误差曲线要求时, 角误差不超过 7 。

3

电流互感器误差对继电保护的影响

3 1 距离保护 电流互感器误差会影响阻抗继电器测量阻抗的 精确性 , 从而对距离保护产生影响。电流互感器误 差将引起阻抗继电器端子电流的相位误差及数值误 差 , 从而影响测量精度。 就阻抗继电器的测量阻抗来说, 因其使用的电
图2 电流互感器的 10% 误差曲线

流是通过电流互感器接入一次系统, 电流互感器的 误差将影响测量阻抗的数值和相角 ( 不考虑电压误 差) 。 如图 3 所示, 设在被保护线路上距保护安装处 的距离为 l d 处发生了金属性短路故障 ( 如 AB 两相 短路故障 ) , 则保护安装处母线残压 UAB ( A、 B 相 间电压 ) 为 UAB= ( I A - I B ) Z 1 ld 式中 Z1 I A 、I B ( 5) 被保护线路单位长度的正序阻抗值; 由母线流向线路的 A、 B 相电流 ( 流经保护 ) 。 考虑到电流互感器的误差, 继电器的测量电流 为

通过给定电流互感器的 10% 误差曲线可 验证 一次电流和负荷阻抗。当已知电流倍数 m 10 时, 由 10% 误差曲线可方便地得出允许的负载阻抗。如果 不小于实际负载阻抗 , 误差就满足要求 ; 否则, 应 设法降低实际负载阻抗, 直到满足要求为止。当已 知实 际 负载 阻 抗 时, 也 可 由曲 线 求 出电 流 倍 数 m 10 , 与流经电流互感器绕组的最大短路电流进行 比较 , 判断是否满足误差要求。 电流互感器的 10 % 误差曲线一般由制造 厂给 出, 在现场电流互感器的 10% 误差曲线可 由试验 求取 , 具体步骤如下。 a. b. 收集保护类型、整定值、电流互感器的变 用电桥测量电流互感器的二次绕组直流电 比和接线方式等数据。 阻 ( R 2 ) , *似代替电流互感器二次绕组漏抗 Z 2S ( 110~ 220 kV 电流互感器取 R 2 = Z 2 S , 35 kV 贯穿

图3

d 点发生金属性短路故障示意图

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IA- IB j ke nLH i nLH 电流互感器变比; ki 考虑变比误差的系数; ( 6) 3 2 纵联差动保护

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I CL = 式中

纵联差动保护在外部短路时 , 虽然两侧的一次 电流相等, 但由于电流互感器误差的存在 , 使二次 差动回路产生了不*衡电流 , 从而对纵差保护的灵 敏度造成很大的影响。为了保证纵联差动保护的正 确动作, 要求差动保护 使用的电流互 感器应满足 10% 误差要求。 在环流 法接线 的纵 联差 动保护 中 ( 见图 5) , 不*衡电流是 由两侧电流互感器的误 差不同引起 的 , 即励磁电流之差 ( I bp = I BL - I AL ) 。现假设 A 侧的电流互感器不满足 10% 误差要求, 当在 d 点 发生区外故障时, 随着一次电流的增加, 由于短路 电流非周期分量的影响 , 电流互感器 铁心迅速饱 和 , 根据电流互感器的误差分析可知 , A 侧电流互 感器的励 磁电流远大于 B 侧 , 造 成继电器线圈中 的电流 ( I J ) 比正常运行时增加了很多, 从而影响 纵联差动保护的正确动作, 甚至造成保护误动。

角误 差 ( 二 次 电流 超 前 一次 电 流 为 正) 。 继电器测量 阻抗 Z CL = UCL / I CL , 而 UCL = UAB / nYH ( nYH 为 电 压 互感 器 变 比 ) , 根 据 式 ( 5 ) 有: nLH Z CL = Z 1 l d n
Y H

1 -j ki e 可见 , 由于电流互感器误差的存在 , 造成了测 量阻抗在数值上发生 1/ k i 倍的变化 , 相角 发生了 ( - ) 的变化。 图 4 为电流互感器误差对方向阻抗继电器保护 区长度的影响, 在 ZCL 方向上 继电器的实际 动作 阻抗为 Z d = ZZ cos ( 整定阻抗为 nLH n YH 式中 lZ 整定的保护区长度。 实际 保 护 区 长 度 ( ld ) 与 整 定 保 护 区 长 度 Z Z = Z 1 lZ ld ( lZ ) 比为 k i cos ( lZ i)

-

i)



图 5 纵联差动保护的单相原理接线图

为尽量减小电流 互感器误差产生的不*衡电 流 , 继电保护要求差动保护采用特制的 C 级电流 互感器。在配置电流互感器的二次负载时 , 要求按 满足 10% 误差曲线来校验, 并尽量使用同一厂家、 同一型号的电流互感器。 3 3 阶段式电流保护 阶段式电流保护是将瞬时、限时电流速断及过 电流保护组合在一起, 通过动作电流、动作时限及 保护区的配合来实现对线路的保护作用。但是 , 如 果保护用的 电流互 感器不 能满足 10% 误差 要求,
图4
k

电流互感器误差对方向阻抗继电器保护区长度的影响 整定阻抗角 ;
XL

线路阻抗角 ;

角误差

可能造成电流保护的可靠性降低。 以阶段式电流保护中的两段为例 ( 瞬时电流速断 保护为 段、 限时电流速断保护为 段) , 在单侧电源线 路 A、 B 两处设有两段式电流保护, 每段保护的保护 范围如图 6 所示。当 B 处电流互感器不满足 10% 误 差, 由于短路时非周期分量的影响, 励磁电流上升, 使 反应到保护装置中的电流下降, 造成 B 处 段保护区 减小。严重时, 将使 B 处 段保护范围落在 A 处的 段保护范围之内( 如图 6 中的 lB 在 lA 范围之内) , 此 时若 d 点发生故障, 由于故障点在 B 处的 段保护范

电流互感器误差的存在, 使继电器的测量阻抗 角 (
CL

) 偏离整定阻抗角。同时因变比误差的存
CL

在, 使测量阻抗数值发生变化 , 导致保护范围的变 化, 从而影响距离保护的正常工作。此外, 因 偏离最大灵敏角 , 灵敏度也受到了一定的影响。 电流互感器的误差对距离保护产生影响 , 当电 流互感器不满足 10 % 误差要求时, 这种影 响会更 大, 甚至造成保护的不正常动作。

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围之外, B 处的 段保护不动作。故障点在 A 处的 段 保护范围之内, A 处的 段保护就有可能延时跳闸, 从 而造成了保护越级跳闸, 扩大了故障范围 , 对电力系 统的稳定造成了影响。

2 台同变比的电流互感器串联使用 , 可以提高电流 互感器的容量, 使电流互感器允许的二次负载增大 1 倍, 从而减小电流互感器的误差。 c. 改用伏安特性较高的二次绕组。当使用的 二次绕组不满足误差要求时 , 可以使用伏安特性较 高的二次绕组, 使电流互感器的饱和电压提高 , 相 应地减小了电流互感器的误差。 d. 增大电流互感器的变比。由于变比增大, 二次电流成比例地减小 , 在相同的负载下 , 二次线 圈感应电势也成比例下降, 磁通将按变比的*方下 降 , 使励磁电流减小, 从而减小电流互感器误差。

5

结束语

在现场工作中要充分运用电流互感器 的 10% 误差曲线 , 通过电流互感器 10% 误差曲线选定二 次回路中控制电缆的截面, 也可检查现有的二次负
图6 两段式电流保护范围

荷阻抗是否满足 10% 误差的要 求。设法减小电流 互感器的误差, 提高继电保护的灵敏度, 确保继电 保护装置的正确工作。

通过分析电流互感器的误差对继电保 护的影 响, 当电流互感器不满足 10% 误差要求时 , 将造 成保护的不正确动作。为此, 要求电流互感器的一 次电 流等 于 最大 短 路 电流 时 , 其 变比 误 差 应 10% 。

参考文献:
[ 1] 朱声石 . 高压电网继电保护原理与技 术 [ M ] . 北京 : 水利 电 力出版社 , 1983. [ 2] [ 3] 洪佩孙、许正亚 . 输电线路距离保护 [ M] . 北京 : 水利电 力 出版社 , 1986. 国家 电力 调度 通信 中心 . 电力 系统 继电 保护 实用 技 术问 答 [ M] . 北京 : 中国电力出版社 , 1997.

4

解决电流互感器 10%误差的措施
a. 增大二次回路中控制电缆的截面。因为大

多数情况下, 电流互感器的负载主要由控制电缆的电 阻决定。增大控制电缆的截面, 以减小电流互感器二 次绕组的负载, 达到减小电流互感器误差的目的。 b. 串接 1 台相同变比的备用电流互感器。将

作者简介:
王 燕 ( 1976 ) , 女 , 本科 , 助工 , 现主 要从事 电力 高压 测 ( 收稿日期 试仪和继电保护仪器仪表的研究工作。 2004- 09- 26)

( 上接第 22 页 )

发展趋势分 析 [ J ] . 水电 自 动化 与大 坝监 测 , 2002 年 , 26 ( 6) : 1~ 4. [ 2] [ 3] 薛 敏 , 陈家骏 . 一种面 向对象 的电力 系统监 控软 件模 型 颖 . 小水 电 站 监控 系 统中 通 信 模块 的 研 究 [ J] . 计算机应用研究 , 2002 年 , ( 6) : 52. 吴国 忠 , 冯 [ J] . 浙江大学学报 ( 工学版 ) , 2001 年 , 35 ( 5) : 572~ 574. [ 4] 张一亮 . 水电站计算机监控系统的可靠性分析 [ J] . 浙江 电 力 , 1994 年 , ( 6) : 5.

4

结束语
本文所提出的监控模式在实际应用中稳定、 可

靠, 特别适用于中小型水电站。在所设计的规约类的 基础上, 扩充新的规约变得很容易, 同时整体可靠性 高。整个系统的使用与维护都很容易。这种方式的 系统缺点是对于网络*台的可靠性依赖较高, 如果前 置模块要处理的终端装置较多时, 处理周期较长。

作者简介:
杨 东 ( 1974 ) , 男 , 四川遂 宁人 , 硕 士在 读 , 研究 方向 为 ( 收稿日期 2005- 09- 15) 变压器保护、水电站综合自动化。

参考文献:
[ 1] 施 冲, 朱 辰 , 方辉钦 , 黄 健 . 水电厂计算机监控技术


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