浅析电流互感器饱和过程及新型互感器发展方向

浅析电流互感器饱和过程及新型互感器发展方向

杨月滔

云南建源电力设计有限公司 云南昆明 650000

【摘要】由于近年来电力技术的发展和低压负荷不断变化，特别是某些高电压等级变电站的低压侧电流存在电流差值过大的情况，从而在特定情况下传统的电磁型电流互感器很容易达到饱和，这就对要求电流互感器有较大变比的测量精度范围和有较强的抗磁饱和特性，然而由于新型互感器开发普及的滞后，所以电流互感器磁饱和一直是制约着继电保护发展的瓶颈，本文主要分析电流互感器饱和的原因和对新型互感器做简要介绍。

【关键词】电流互感器；磁饱和；新型互感器

1. 电流互感器饱和的原因

当电网发生故障时由于断路器在一次交流系统过零点处切断电流，对应的二次感应电压为0，磁通最大，由于目前保护装置多为微机保护装置，但微机保护消耗功率小，从而使电流互感器存在剩磁，再加上一些装有重合闸装置的线路上，在第一次故障造成的暂态过程尚未衰减完毕的情况下，在叠加另一次短路的暂态过程，由于电流互感器铁心剩磁的存在，使铁心更快地达到饱和，最终导致电流互感器不能将一次电流的变化信息及时准确的传递到保护装置。

2. 电流互感器饱和过程

当系统发生金属性短路故障时一次电流为：

式中， —— 一次稳态故障电流的峰值；

—— 一次回路的相位角；

—— 一次回路时间常数；

—— 反映故障开始时的电压波位置。

当 - =90°时，及故障发生在电压波适为零值时，一次系统出现最大的直流分量电流。

当一次系统出现最大的直流分量电流以后电流互感器的磁通B和磁场强度H的变化关系如图2-1所示：

图2-1 电流互感器磁通B和磁场强度H关系图

从图中可以看出，电流互感器在未饱和前在电流互感器的磁通B随着磁场强度H的增加近似线性增加（当不考虑漏磁和磁滞情况下理论是线性增加），但一旦到达互感器的磁饱和点（即磁通B为最大时），即使磁场强度H再增加，也无法使电流互感器的磁通B再增加。

电流互感器饱和状态磁通B和时间T的变化关系如图2-2所示：

图2-2电流互感器饱和状态磁通B和时间T的变化关系图

从图中可以看出，电流互感器在未饱和前在电流互感器的磁通B在较短时间短时间内迅速达到饱和（即磁通B为最大时），但在之后一段时内电流互感器的磁通并为发生变化。

3. 防止电流互感器饱和的方法

3.1 限制短路

限制短路电流可以有效的减弱短路故障时流过互感器的一次电流，从而减少电流互感器饱和的几率。限制短路电流的方法如下：

（1）在已建成中压系统中可在较高一级的电压等级中采取分列运行的方式以限制短路电流，但这会降低供电可靠性，又需要增加备自投装置、电源来提高供电可靠性。

（2）在新建系统中串联电抗器，增加系统阻以便抗限制短路电流。

3.2增大保护级电流互感器的变比

在选择电流互感器时，保护级电流互感器不能采用按负荷电流的大小确定电流变比，必须用保护安装处可能出现的最大短路电流和互感器的负载能力与饱和倍数来确定电流互感器的变比。

但增大了保护级电流互感器的变比后会给继电保护装置的运行带来一些负面影响，主要是不利于电流互感器二次回路和继电保护装置的运行监视（如果负荷电流很小选择电流互感器变比过大，会导致正常状态下由于二次电流过小而出现二次回路断线无法监测或是二次电流无法被保护装置读取等情况）。

3.3采用抗饱和能力强的继电保护装置

（1）采用对电流饱和不敏感的保护原理或保护判据

（2）采用对电流互感器饱和不敏感的微机保护装置

（3）有效地利用电流不饱和段的信息

虽然上述方法对防止电流互感器饱和有一定的作用，但是不能从根本上解决传统电磁式电流互感器在特殊情况下饱和的问题。所以只有从电流互感器本身特性着手，才可以真正解决电流互感器饱和的问题。下面对一些新型电流互感器做简单介绍。

4. 新型电流互感器

4.1洛高夫斯基线圈

洛高夫斯基线圈是一个均匀缠绕的线圈，它具有一个非磁性的铁心。洛高夫斯基线圈最基本形状是一个环形的空心线圈。洛高夫斯基线圈可通过将导线绕在一个挠性的管子上，然后将管子两端弯曲到一起而构成。结构见图4-1所示：

图4-1洛高夫斯基线圈

洛高夫斯基线圈由于采用非磁性的线圈芯，故没有任何非线性饱和效应。它允许隔离的电流测量，并具有较宽的带宽，最大频率可达1MHz。因此洛高夫斯基线圈从根本上解决电流互感器饱和问题。

洛高夫斯基线圈具有良好的线性特性，且体积小和重量轻。可以认为是理想的电流传感器。洛高夫斯基线圈不存在饱和性，它可以用来测量1～1000kA的电流，最小值和最大值主要取决于测量的电子元件。电力系统工频为50Hz，而洛高夫斯基线圈的频率范围为1～10000Hz。故对于保护、监控和电力测量来说，完全满足要求。通过严格的设计及制造，可以降低线圈芯和绕组装配对精确度的影响，目前传感器的准确度可以达到0．5%。

4.2光电式电流互感器

光电式电流互感器有很多种类，使用的测量原理也各不相同。下面就简单介绍一下基于Faraday效应的OCT和组合式光电互感器(OMU）。

（1）基于Faraday效应的光纤电流传感器：

它是将一根单模光纤绕在被测导线上，激光器发出的激光经起偏器变为线偏振光后，再由显微物镜耦合进光纤中，如果忽略光纤的双折射，则出射光仍为一线偏振；

设导线中的电流为I，根据Faraday效应，线偏光的旋转角度为：

式中： H——磁场强度

L——光纤的线矢量

V——Verted常数

N——光纤绕在导线上的匝数

（2）组合式光电互感器OMU

把Pockels晶体纵向电光效应的光电电压互感器和火石玻璃法拉第磁光效应的光电电流互感器组合而成。电压和电流传感器置于充满SF6气体的复合瓷套内，复合瓷套由起支柱作用的玻璃纤维筒和硅橡胶伞裙组成。

5. 结论：

通过对传统电磁式电流互感器饱和的原因、过程分析，传统电磁式互感器主要存在可靠性愈差、铁心易产生磁饱和、动态范围小、使用频带窄等缺陷；而新型互感器与传统电磁式互感器相比，具有不存在磁饱和、可测量电流跨度大、测量精确高、制造成本低廉、体积小、重量轻等优点。预计在未来时间内会有大量的新型互感器运用到电网中，最终将取代传统的电磁式互感器，从而最终解决传统电流互感器磁饱和这一问题。

6. 参考文献

（1）平邵勋.黄仁山《光电式互感器原理和结构》8425{2000)09—0018—05

（2）乔峨，安作平，罗承淋．应用在混合式光电电漉互感器中的Rogowski线圈fJ]．变压器，2000．37(5)-17—21

（3）柳军《电流互感器饱和过程分析及对策》：9171(2008)03—0010—04

（4）国家电力调度通信中心．电力系统继电保护实用技术问答(第二版)．北京：中国电力出版社，2000