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【摘 要】由于系统容量增大或系统结构等原因，高压变电所10~35kV侧出线在近处短路时出现的特大电流，大大超过了电流互感器（TA）的10%误差曲线所容许的电流倍数，严重影响保护装置正确动作。文中对某110kV变电站10kV线路出口发生三相短路，TA深度饱和致使保护装置未能快速动作的事故进行了分析，并就特大电流下TA深度饱和对微机保护的影响及TA变比的选择提出了意见。
【关键词】电流互感器(TA)；深度饱和；变比；继电保护
Study on the deep-saturation of TA and transformation ratio selection
MEI Yao CHEN Xin ZHAO Yi WANG Chun－guang CHEN Wen－bin
（Gansu Electric Power Dispatching&Communication Center Gansu Lanzhou 730050）
【Abstract】Based on capacity increase or structure change of the power system, an extra-high current may appear in 35kV or10kV outlet of high voltage substations when a short-circuit fault happens nearby. It greatly exceeds the permitted value of 10% error curve of protection current transformer (TA) and affects the performance of relevant protect equipment. A fault that fast action failure of protection caused by deep-saturation of TA when three-phase short circuit occurs on the 10 kV outlet of a 110kV substation is analyzed. Also the influence of TA deep-saturation on relay protection device, and the suggestions of transformation ratio selection are presented.
【Key words】Current transformer;Deep-saturation;Transformation ratio;Relay protection
0.引言
繼电保护是保证电力系统安全稳定运行的重要手段。通常情况下，相比于保护定值的正确性、保护装置的可靠性及二次回路的完好性，对用于继电保护用的TA参数选择及实际特性校核重视不够。由于系统容量增大或系统结构等原因，使系统的短路电流水平急剧增加，尤其是一些与系统联系紧密的高压变电所10~35kV侧及大型工矿企业的变电所，其出口处发生短路时的短路电流可能达到TA额定工作电流的几十倍或上百倍，致使TA严重饱和，其后果将直接体现在保护装置的拒动和误动上[1]。本文结合一次10kV线路出口短路由于TA发生深度饱和使保护装置未能快速动作的事故，分析TA深度饱和对继电保护装置的影响，并讨论TA变比选择面临的实际问题。
1.事故分析
某110kV变电站（运行方式为110kV母线并列运行，10kV母线分裂运行，110kV侧共5回出线，10kV侧共10回出线，接线图如图1所示）10kV I段母线上线路1发生出口A相接地故障，178ms后转化为ABC三相短路，故障持续1795ms后线路1保护动作跳闸，0.6s后重合闸动作，重合于永久故障电流加速段动作跳开开关。
图1 变电站运行接线图
对线路1保护装置录波图进行分析发现，0ms保护启动后，仅前十几ms有故障电流，后录波电压电流接近于0（见图2）, 1718ms出现6.577kA（22倍TA额定电流）的畸变电流（见图3），线路过流保护动作（定值为300/5,47.3A），且当开关重合于永久故障时再次出现畸变电流（见图4）。对比#1变低后备装置录波图分析，#1变10kV绕组通过的最大短路电流为18.012kA（60倍TA额定电流）。据此可以判断故障发生后前1718ms线路1开关TA深度饱和，在特大短路电流作用下，一次电流全部变为TA铁心的励磁电流，二次电流几乎为0，致使线路1保护未能快速动作。
图2 前1718ms电流波形
图3 保护动作电流波形
图4 重合于永久故障电流波形
2.TA深度饱和分析
2.1 TA稳态饱和与暂态饱和
TA的饱和可分为稳态饱和和暂态饱和。稳态饱和由大容量短路稳态对称电流引起，主要是因为一次电流值太大，进入了TA饱和区域，导致二次电流不能正确传变一次电流。
暂态饱和是由故障开始时短路电流中包含的非周期分量或TA铁心中残存的剩磁引起的。一次故障电流中的非周期分量不产生变化磁通，dΦ/dt趋近于0，饱和后二次电流迅速降低接近为0；该暂态饱和在故障一定延时后出现，延时与一次系统和互感器二次回路的时间常数有关，然后随着一次电流非周期分量的衰减退出饱和区。剩磁是由TA采用的铁磁材料所固有的磁滞现象造成的，可能会导致TA在故障后数毫秒内迅速饱和[2]。
上文事故分析可以发现，故障后前1718ms在特大暂态短路电流（60倍TA额定电流）作用下，TA发生了暂态饱和，二次电流几乎为0；随着暂态短路电流中非周期分量的衰减，TA饱和程度有所缓解，故障电流波形呈平顶，表明TA进入了稳态饱和；当线路开关重合于永久故障故障时，受短路电流和剩磁的影响，TA又进入了暂态饱和，故障电流波形伴有尖脉冲。
2.2 TA深度饱和对电流保护的影响
TA铁心出现深度饱和时，磁导率和励磁之路的磁阻将变得很小，励磁电流激增，一次电流中的绝大部分将作为励磁电流来维持铁心磁通，TA二次电流出现严重的缺损失真，出现典型的尖脉冲，或基本没有电流输出。而普通微机保护装置采样频率比较低，经采样计算出的基频量数值严重偏小，致使保护装置拒动，只能由上一级的后备保护延时动作切除故障，扩大了停电范围，失去了动作的选择性。上文事故即由于TA深度饱和在故障发生后1718ms内输出为0，导致线路保护无法快速动作切除故障。
理论上不管TA饱和程度如何，总存在一段不饱和时间Ts，有些微机保护装置（如母差保护）正是利用这段时间，抢在TA饱和之前做出判断。但当特大电流（几十倍额定值以上）流过TA时，Ts很小，TA在故障后数毫秒内就迅速饱和，这需要大大提高保护装置的采样频率。
3.TA变比的选择
图1中线路1开关TA变比为300/5，准确级10P15，即当一次短路电流小于15倍In时，二次输出的复合误差将少于10%，而故障发生后最大暂态短路电流18kA，约为60倍In，说明线路1开关TA变比过小，已不适应运行的要求，应考虑增大TA的变比。
目前我国电力系统中TA变比的选择普遍采用计量用TA与保护用TA变比统一考量的原则，TA类型、二次套组的数量和准确级应满足继电保护自动装置和测量仪表的要求。以下结合计量用TA探讨TA变比选择中的实际问题。
3.1计量用TA变比的选择
计量用TA的额定一次电流应接近但不低于一次回路正常最大负荷电流[3]，变比采用过大或过小都将对计量精度产生不利影响。当TA变比过大时，将同时影响TA计量与电能表计量的误差。我国在DL/T448-2000《电能计量装置技术管理规程》里，对计量用TA变比的选择有如下规定，TA额定一次电流的确定，应保证其在正常运行中的实际负荷电流达到额定值的60%左右，至少应不小于30%。
以线路1为例，其正常运行负荷电流约为100A，原TA变比300/5能满足其计量精度的要求，且不宜再增大TA变比。
3.2保护用TA变比的选择
保护用TA类型和参数的选择应保证TA饱和特性不致影响动作性能，其基本要求是保证在稳态短路电流下的误差不超过规定值，对于短路电流非周期分量和剩磁等引起的暂态影响，则应根据TA所在系统暂态问题的严重程度，所接保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行经验等因素予以合理考虑[3]。因此保护用TA变比的选择不能按负荷电流的大小确定，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TA的变比。
对线路1进行短路电流计算，最大短路电流为线路出口处三相短路10.92kA，按原则可选用TA变比600/5，准确级10P20，其准确极限电流为12kA。在發生最严重故障时，短路电流值在其准确限值以内，不会超过10%的误差。TA变比增大一倍将引起保护装置在正常运行时监测电流变小，正常运行条件下TA二次输出约为0.16In；线路1保护装置型号为PSL641，其最小精确工作电流为0.08In，说明线路1在50%正常负荷运行条件下都是可以满足监测需要的。
TA新安装投产时应作10%误差曲线现场测试及二次负载校核。在合理选择TA参数的前提下，应采取尽可能减小二次回路阻抗的多种措施提高TA抗饱和能力。目前220kV及以下电网广泛使用没有剩磁要求的P级TA[4]，建议可选择对TA剩磁有限制的PR类TA。PR类具有限制剩磁的能力，能有效降低TA暂态饱和的影响，提高保护正确动作率。
以上分析表明，计量用TA与保护用TA变比选择并不一致，而TA变比的选择必须兼顾继电保护装置和计量仪表的要求，不能顾此失彼。因此在系统短路容量急剧增加，中低压系统TA饱和问题日益突出的环境下，需要重新考虑计量用TA与保护用TA选取一致变比的问题。针对上文线路1，建议计量用TA仍使用原TA，增设保护用TA，分别满足计量与继电保护的要求。如果需要更换原TA，可以考虑采用具有复式变比2X300/5的TA，通过切换抽头满足保护对TA变比的要求。
4.结论
近处短路特大电流流过TA时，将使TA深度饱和，造成保护装置拒动或不能快速动作，并使上级保护装置的后备保护越级动作的严重后果，这不仅失去动作选择性和快速性，扩大了停电范围，而且不能快速动作还可能造成损坏电网重要一次设备及TA热稳定裕量不足等其他严重问题。
事实上，特大电流流过TA这种情况完全超出了TA正常工作范围，不可能靠改进二次装置来适应这种不正常状况。在一次系统设计和TA选型时应设法避免出现特大短路电流，当系统容量显著增大或系统结构发生变化时，有必要重新计算系统的短路电流，校验TA的饱和倍数及分析继电保护装置抗饱和能力，采取合理的对策，达到提高供电可靠性的目的并提高经济性。
【参考文献】
［１］葛荣尚,胡家为,黄慎仪.特大电流下电流互感器传变特性探讨.电力系统自动化,2000,24(5):32~95.
［２］赵福旺,姚彩霞,白宇光.电流保护用TA选择中应注意问题的探讨.华北电力技术,2003(3):8~11.
［３］DL/T886-2004.电流互感器和电压互感器选择及计算导则[S].
［４］景敏慧,孔霄迪,等.P类电流互感器饱和原因分析及对策.电力系统自动化,2007,31(21):94~97.
【关键词】电流互感器(TA)；深度饱和；变比；继电保护
Study on the deep-saturation of TA and transformation ratio selection
MEI Yao CHEN Xin ZHAO Yi WANG Chun－guang CHEN Wen－bin
（Gansu Electric Power Dispatching&Communication Center Gansu Lanzhou 730050）
【Abstract】Based on capacity increase or structure change of the power system, an extra-high current may appear in 35kV or10kV outlet of high voltage substations when a short-circuit fault happens nearby. It greatly exceeds the permitted value of 10% error curve of protection current transformer (TA) and affects the performance of relevant protect equipment. A fault that fast action failure of protection caused by deep-saturation of TA when three-phase short circuit occurs on the 10 kV outlet of a 110kV substation is analyzed. Also the influence of TA deep-saturation on relay protection device, and the suggestions of transformation ratio selection are presented.
【Key words】Current transformer;Deep-saturation;Transformation ratio;Relay protection
0.引言
繼电保护是保证电力系统安全稳定运行的重要手段。通常情况下，相比于保护定值的正确性、保护装置的可靠性及二次回路的完好性，对用于继电保护用的TA参数选择及实际特性校核重视不够。由于系统容量增大或系统结构等原因，使系统的短路电流水平急剧增加，尤其是一些与系统联系紧密的高压变电所10~35kV侧及大型工矿企业的变电所，其出口处发生短路时的短路电流可能达到TA额定工作电流的几十倍或上百倍，致使TA严重饱和，其后果将直接体现在保护装置的拒动和误动上[1]。本文结合一次10kV线路出口短路由于TA发生深度饱和使保护装置未能快速动作的事故，分析TA深度饱和对继电保护装置的影响，并讨论TA变比选择面临的实际问题。
1.事故分析
某110kV变电站（运行方式为110kV母线并列运行，10kV母线分裂运行，110kV侧共5回出线，10kV侧共10回出线，接线图如图1所示）10kV I段母线上线路1发生出口A相接地故障，178ms后转化为ABC三相短路，故障持续1795ms后线路1保护动作跳闸，0.6s后重合闸动作，重合于永久故障电流加速段动作跳开开关。
图1 变电站运行接线图
对线路1保护装置录波图进行分析发现，0ms保护启动后，仅前十几ms有故障电流，后录波电压电流接近于0（见图2）, 1718ms出现6.577kA（22倍TA额定电流）的畸变电流（见图3），线路过流保护动作（定值为300/5,47.3A），且当开关重合于永久故障时再次出现畸变电流（见图4）。对比#1变低后备装置录波图分析，#1变10kV绕组通过的最大短路电流为18.012kA（60倍TA额定电流）。据此可以判断故障发生后前1718ms线路1开关TA深度饱和，在特大短路电流作用下，一次电流全部变为TA铁心的励磁电流，二次电流几乎为0，致使线路1保护未能快速动作。
图2 前1718ms电流波形
图3 保护动作电流波形
图4 重合于永久故障电流波形
2.TA深度饱和分析
2.1 TA稳态饱和与暂态饱和
TA的饱和可分为稳态饱和和暂态饱和。稳态饱和由大容量短路稳态对称电流引起，主要是因为一次电流值太大，进入了TA饱和区域，导致二次电流不能正确传变一次电流。
暂态饱和是由故障开始时短路电流中包含的非周期分量或TA铁心中残存的剩磁引起的。一次故障电流中的非周期分量不产生变化磁通，dΦ/dt趋近于0，饱和后二次电流迅速降低接近为0；该暂态饱和在故障一定延时后出现，延时与一次系统和互感器二次回路的时间常数有关，然后随着一次电流非周期分量的衰减退出饱和区。剩磁是由TA采用的铁磁材料所固有的磁滞现象造成的，可能会导致TA在故障后数毫秒内迅速饱和[2]。
上文事故分析可以发现，故障后前1718ms在特大暂态短路电流（60倍TA额定电流）作用下，TA发生了暂态饱和，二次电流几乎为0；随着暂态短路电流中非周期分量的衰减，TA饱和程度有所缓解，故障电流波形呈平顶，表明TA进入了稳态饱和；当线路开关重合于永久故障故障时，受短路电流和剩磁的影响，TA又进入了暂态饱和，故障电流波形伴有尖脉冲。
2.2 TA深度饱和对电流保护的影响
TA铁心出现深度饱和时，磁导率和励磁之路的磁阻将变得很小，励磁电流激增，一次电流中的绝大部分将作为励磁电流来维持铁心磁通，TA二次电流出现严重的缺损失真，出现典型的尖脉冲，或基本没有电流输出。而普通微机保护装置采样频率比较低，经采样计算出的基频量数值严重偏小，致使保护装置拒动，只能由上一级的后备保护延时动作切除故障，扩大了停电范围，失去了动作的选择性。上文事故即由于TA深度饱和在故障发生后1718ms内输出为0，导致线路保护无法快速动作切除故障。
理论上不管TA饱和程度如何，总存在一段不饱和时间Ts，有些微机保护装置（如母差保护）正是利用这段时间，抢在TA饱和之前做出判断。但当特大电流（几十倍额定值以上）流过TA时，Ts很小，TA在故障后数毫秒内就迅速饱和，这需要大大提高保护装置的采样频率。
3.TA变比的选择
图1中线路1开关TA变比为300/5，准确级10P15，即当一次短路电流小于15倍In时，二次输出的复合误差将少于10%，而故障发生后最大暂态短路电流18kA，约为60倍In，说明线路1开关TA变比过小，已不适应运行的要求，应考虑增大TA的变比。
目前我国电力系统中TA变比的选择普遍采用计量用TA与保护用TA变比统一考量的原则，TA类型、二次套组的数量和准确级应满足继电保护自动装置和测量仪表的要求。以下结合计量用TA探讨TA变比选择中的实际问题。
3.1计量用TA变比的选择
计量用TA的额定一次电流应接近但不低于一次回路正常最大负荷电流[3]，变比采用过大或过小都将对计量精度产生不利影响。当TA变比过大时，将同时影响TA计量与电能表计量的误差。我国在DL/T448-2000《电能计量装置技术管理规程》里，对计量用TA变比的选择有如下规定，TA额定一次电流的确定，应保证其在正常运行中的实际负荷电流达到额定值的60%左右，至少应不小于30%。
以线路1为例，其正常运行负荷电流约为100A，原TA变比300/5能满足其计量精度的要求，且不宜再增大TA变比。
3.2保护用TA变比的选择
保护用TA类型和参数的选择应保证TA饱和特性不致影响动作性能，其基本要求是保证在稳态短路电流下的误差不超过规定值，对于短路电流非周期分量和剩磁等引起的暂态影响，则应根据TA所在系统暂态问题的严重程度，所接保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行经验等因素予以合理考虑[3]。因此保护用TA变比的选择不能按负荷电流的大小确定，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TA的变比。
对线路1进行短路电流计算，最大短路电流为线路出口处三相短路10.92kA，按原则可选用TA变比600/5，准确级10P20，其准确极限电流为12kA。在發生最严重故障时，短路电流值在其准确限值以内，不会超过10%的误差。TA变比增大一倍将引起保护装置在正常运行时监测电流变小，正常运行条件下TA二次输出约为0.16In；线路1保护装置型号为PSL641，其最小精确工作电流为0.08In，说明线路1在50%正常负荷运行条件下都是可以满足监测需要的。
TA新安装投产时应作10%误差曲线现场测试及二次负载校核。在合理选择TA参数的前提下，应采取尽可能减小二次回路阻抗的多种措施提高TA抗饱和能力。目前220kV及以下电网广泛使用没有剩磁要求的P级TA[4]，建议可选择对TA剩磁有限制的PR类TA。PR类具有限制剩磁的能力，能有效降低TA暂态饱和的影响，提高保护正确动作率。
以上分析表明，计量用TA与保护用TA变比选择并不一致，而TA变比的选择必须兼顾继电保护装置和计量仪表的要求，不能顾此失彼。因此在系统短路容量急剧增加，中低压系统TA饱和问题日益突出的环境下，需要重新考虑计量用TA与保护用TA选取一致变比的问题。针对上文线路1，建议计量用TA仍使用原TA，增设保护用TA，分别满足计量与继电保护的要求。如果需要更换原TA，可以考虑采用具有复式变比2X300/5的TA，通过切换抽头满足保护对TA变比的要求。
4.结论
近处短路特大电流流过TA时，将使TA深度饱和，造成保护装置拒动或不能快速动作，并使上级保护装置的后备保护越级动作的严重后果，这不仅失去动作选择性和快速性，扩大了停电范围，而且不能快速动作还可能造成损坏电网重要一次设备及TA热稳定裕量不足等其他严重问题。
事实上，特大电流流过TA这种情况完全超出了TA正常工作范围，不可能靠改进二次装置来适应这种不正常状况。在一次系统设计和TA选型时应设法避免出现特大短路电流，当系统容量显著增大或系统结构发生变化时，有必要重新计算系统的短路电流，校验TA的饱和倍数及分析继电保护装置抗饱和能力，采取合理的对策，达到提高供电可靠性的目的并提高经济性。
【参考文献】
［１］葛荣尚,胡家为,黄慎仪.特大电流下电流互感器传变特性探讨.电力系统自动化,2000,24(5):32~95.
［２］赵福旺,姚彩霞,白宇光.电流保护用TA选择中应注意问题的探讨.华北电力技术,2003(3):8~11.
［３］DL/T886-2004.电流互感器和电压互感器选择及计算导则[S].
［４］景敏慧,孔霄迪,等.P类电流互感器饱和原因分析及对策.电力系统自动化,2007,31(21):94~97.