电流互感器饱和特性研究

摘要 电流互感器是电力系统中电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可靠 性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。它的饱和问题一直是影响保护正确动作的关键问题,所以需要对电流互感器饱和情况进行深入的研究,分析二次电流波形。本文利用 MATLAB软件 中的电力系统模块库，建立了电流互感器在电力系统中的系统仿真模型。同时,电流互感器的二次侧负荷也影响着互感器的饱和,针对二次测不同的负载,对电流互感器的稳态饱和与暂态饱和做出理论分析和仿真。 全文利用 MA T L A B ／ P S B对电流互感器的饱和特性进行了仿真分析，获得了电流互感器在含有非周期量电流作用下和二次侧开路情况下的饱和特性曲线。电流互感器的饱和特性受诸多因素的影响， 如铁心结构( 有无气隙) 、 铁心材料、 运行条件等。采用环 形铁心的优点是没有气隙， 磁性能好。 如果绕组均匀 绕制， 则漏磁很小。在本文的仿真中， 用分段线段近 程度。 近似地表示铁心非线性的磁化曲线，因此仿真结果的准确性取决于原始数据对实际磁化曲线模拟的逼真。 关键词:电流互感器;饱和;暂态仿真;电磁暂态程序 v:* {behavior:url(#default#VML);} o:* {behavior:url(#default#VML);} w:* {behavior:url(#default#VML);} .shape {behavior:url(#default#VML);} 课题研究的背景与现状 ?电流互感器是电力系统中电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。传统电磁式电流互感器(CT)是通过电磁感应原理将电流变换为5A/1A。这是为满足过去电磁式继电保护和控制装置、电动式量测和计量仪表的输入要求而设计的。其主要优点在于简单、可靠性高、输出容量大，同时性能比较稳定，适合长期运行，并且有长期运行经验 。然而随着电力工业的发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，目前我国电网的最高电压等1000kV。传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重的缺点： ? a) 易燃易爆及因绝缘击穿引起单相对地短路造成系统的不稳定; ? b) 若二次侧负荷开路将产生很高电压，会对配电设备造成危害甚至危及人身安全。而随着电压等级的提高，电磁式电流互感器必然体积增大、成本增高; ? c) 电磁式电流互感器含有铁芯，因此，动态测量范围小、频带窄，对暂态过程测量性能差: ? d) 对二次侧负荷要求较严格，对于高压及特高压电站来讲，占地面积都较大，因传输二次侧电信号距离较远，故要求使用的二次侧电缆的横截面积增大，容易产生干扰。己难以满足电力系统在线检测、高精度故障诊断、电力数字网发展需要。 ? 目前，在电力系统中广泛应用的以微处理器为基础的数字保护装置、电网运行监视与控制系统以及发电机励磁控制装置等，不再需要用大功率来带动，仅需士5V的电压信号和 A或mA级的电流就可以了。因此采用低功率、紧凑型电压和电流量测代替常规PT和CT将高电压、大电流变换为数字装置所要求的电压和电流水平，是电力系统技术创新面临的重要任务。这对降低电力系统建设和运行成本，提高电力系统可靠性具有重要意义。寻求更理想的新型电流互感器己势在必行，目前注意力已经集中到光学传感技术，与传统的电磁式电流互感器相比，光电式电流互感器具有以下突出优点： ?a) 数字化输出，简化了互感器与二次设备的接口，避免了信号在传输、储存和处理中的附加误差，提高了系统可靠性。 ? b) 信号光纤传输，抗电磁干扰性能好，在强电磁环境中保证信号的精确性和可靠性。 ? c) 无铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐振现象，线性度好，绝缘简单，动态测量范围大、频带宽、精度高。而且体积小、重量轻、低成本，减小了变电站的面积。 ? d) 低压没有开路危险，没有因存在绝缘油而产生的易燃、易爆等危险针对以上特点，在科技发达的国家都寻求把光电子学技术用于超高压大电流的电荷中，关于这方面的研究近几十年在世界各国也己经被高度重视起来，提出了很多新的理论和方法，有的研究己经进入了实用阶段。 目前世界范围内的电力系统都逐渐向大规模、大容量、高电压的方向发展， 这对继电保护动作的性能提出了更高的要求，电流互感器的特性对继电保护的影 响更应严格考察。而对于由非线性元件构成的电流互感器，传统的试验方法和简 化解析计算的方法不能满足电流互感器性能测试的精度要求。伴随计算机技术的 发展而发展起来电力系统仿真技术为电力系统非线性元件特性的计算提供了工 具和手段，仿真结果的可靠性也已经为各界所承认。 1.2国内外研究概括 20世纪60年代发达国家就开始纯光学电流互感器(OCT)的研究，到90年初期就已初具商品使用价值。美国的五大电力公司各自在1982年左右成立了OCT专题研究小组，以块状结构的磁光式电流互感器(MOCT)为主，对MOCT的传感头结构、温度问题、信号处理、计量、继电保护以及MOCT的长期可靠性问题都做了较为深入的研究，且研制成功了161kV独立式OCT(1986~1988);161kV组合式光纤电流互感器(OCT)/光学电压互感器(OVT)和161kV的继电保护式OCT(1987)。日本及德、英、法、瑞士等国在磁光式电流互感器(MOCT)上也进行了大量的研究工作。西屋公司研制出的样机于1986年进行过单、三相计量与继电保护等方面的挂网运行，后被ABB收购。1991年6月ABB电力T&D有限公司公布了用于计量和继电保护用的345kV电站的OCT系统，运行4个月后，与标准电流互感器比较，误差仅0.4%。目前，ABB公司不仅拥有电压等级从72.5kV到800kV的交流数字光电式OCT，而且也有直流数字光电式OCT，并在多个地区挂网运行。2000年加拿大的Metaphase公司利用在激光陀螺研究中的成果，研制成功全光纤式电流互感器(AFOCT)，其准确度达0.2级，开发出115kV-500kv全系列全光纤式电流互感器产品，该产品已在美国的亚利桑纳州电力公司运行。德国西门子公司也在研究类似的全光纤式电流互感器。近年来，由于全光纤式电流互感器结构简单，灵敏度高，各国都加大了全光纤式电流互感器的研究力度。 ?? ?与以上这些国家的产品发展水平相比，我国对于电流互感器的研究还比较落后。近十几年，清华大学、华中科技大学、武汉大学、西安交通大学、燕山大学、大连理工大学、沈阳沈变互感器制造有限公司和上海MWB互感器制造有限公司等都较早的在光电式电流互感器进行了研究，也取得了一定的成果 。 ??? 其中，清华大学和中国电力科学研究院利用国家自然科学基金共同研制110kV 的OCT，于1991年通过国家鉴定并挂网试运行。华中理工大学与广东新会供电局于1993年12月在广东新会供电局大泽变电站进行正式挂网运行，于1994年通过原电力部鉴定，对外公布技术指标为110kV，100~300A，精度为0.3级。由于光学器件、电子器件和光电子技术的现状影响了我国对电子式电流互感器的基础研究，因此，电子式电流互感器的研制还处于初级的状态，准确度约为0.5级或略好于0.5级，大都还未达到上网运行的要求。近年来，清华大学研制出了有源式电子电流互感器样机，其准确度已接近0.2级电流互感器的国家标准。 1.3课题研究内容 ?? 常见的电流互感器饱和主要有两种：稳态饱和与暂态饱和。由于电流互感器二次侧负载的不同也会影响饱和特性，本文针对二次侧的不同负载情况，对稳态和暂态饱和情况进行了分析，从而为研究饱和问题提供了依据。 ?利用 MA T L A B软件中的电力系统模块库( P o w e r S y s t e m B l o c k ，P S B ) 和S i ml i n k工具，为应用在高压并联电抗器支路中作为测量的电流互感器建立一个系统仿真模型，对电流互感器的饱和特性进行仿真，其主要是获得电流互感器在含有非周期分量电流作用下和二次侧开路时的饱和特性曲线。? 第一章??? 简单介绍课题背景、意义等内容 第二章??? 介绍电流互感器相关基础知识 第三章??? MATLAB的仿真环境 第四章??? 电流互感器饱和特性仿真 第五章??? 总结