电流互感器准确级

文摘   2024-08-04 20:15   安徽  
01

电流互感器的准确度

为了保证计量、测量的准确性,保证保护装置动作可靠、正确,电流互感器必须达到一定的准确度。在GB 1208-1997中,规定测量用电流互感器的准确度等级分为0.1、0.2、0.5、1、3、5等六个标准,这是一个相对误差标准。

其中0.1~1的四个标准其二次负荷应在额定负荷的25%~100%间,3、5两个标准其二次负荷应在额定负荷的50%~100%间,否则准确度不能满足要求。

所以对负荷范围广,准确度要求高的场合,可以采用经补偿的0.2s和0.5s电流互感器,该互感器在1%~120%负荷间均能满足准确度要求。对测量用电流互感器除了幅值准确度要求外,还有角度误差要求。

继电保护用电流互感器的准确度级要求一般没有测量的高,但其不仅要求在额定一次电流下误差不超过规定值,由于要求其在故障大电流时有较好的传变特性,所以在一定短路电流倍数下误差不超过规定值。电流互感器的准确性能要求分为两类:

①要求在给定短路电流下的复合误差不超过规定值。P类及PR类电流互感器一般用ePM表示误差等级,如5P10,其含义是在10倍互感器额定电流下的短路电流时,其误差满足5%的要求。式中e是准确度等级,M是保证准确度的允许最大短路电流倍数。

GB 1208-1997中,规定5P、10P两个准确度级。

②要求对电流互感器的励磁特性做出规定。适用于PX类电流互感器。

02

电流互感器的10%误差曲线

设K为电流互感器的变比,其一次电流I1与二次电流I2有I2=I1/K的关系,在K为常数(电流互感器不饱和)时,是一条直线,如下图直线1所示:

当电流互感器铁芯开始饱和后,I2与I1/K就不再保持线性关系,而是如上图中曲线2所示,呈铁芯的磁化曲线状。

继电保护要求电流互感器的一次电流I1等于最大短路电流时,其变比误差小于或等于10%。因此,可以在上图中找到电流值I1,b,自I1,b点作垂线与曲线1、2分别相交于B、A点,且BA=0.1I1’(I1’为归算到二次侧的I1值)。

如果电流互感器的一次电流I1≤I1,b,其变比误差就不会大于10%;如果I1>I1,b,其变比误差就大于10%。

Tips:




CT的测量性能表现在它可以准确地根据一次电流生成二次电流,包括电流的波形和幅值。

分成两部分:对称交流(AC)分量和偏移的直流(DC)分量。

现代CT的主要作用是在CT不饱和的情况下再现波形。

另外,电流互感器的变比误差还与其二次负载阻抗有关。为了便于计算,制造厂对每种电流互感器提供了在m10下允许的二次负载阻抗值Zen,曲线m10=f(Zen)就成为电流互感器的10%误差曲线,如下图所示:

已知m10的值后,从该曲线上就可很方便地得出允许的负载阻抗。如果它大于或等于实际的负载阻抗,误差就满足要求,否则,应设法降低实际负载阻抗,直至满足要求为止。也可在已知实际负载阻抗后,从该曲线上求出允许的m10,用以与流经电流互感器一次绕组的最大短路电流作比较。

03

保护用电流互感器的暂态特性

系统发生短路故障时一定伴有电流迅速的、大幅值的变化,其中含有大的直流分量与丰富的各次谐波分量,这种暂态过程在故障初期最为严重。如果电流互感器没有较好的暂态特性,就无法准确进行信号的传变,严重时将发生电流互感器饱和,造成保护装置拒动或误动。

暂态过程的大小与持续时间与系统的时间常数有关,一般220kV系统的时间常数不大于60ms,500kV系统的时间常数在80~200ms之间。

系统时间常数增大的结果,使短路电流非周期分量的衰减时间加长,短路电流的暂态持续时间加长。系统容量越大,短路电流的幅值也越大,暂态过程越严重。所以针对不同的系统要采用具有不同暂态特性的电流互感器。

一般P类保护用电流互感器仅考虑在稳态短路电流情况下保证具有规定的准确性,TP类保护用电流互感器则要求在规定工作循环的暂态条件下保证规定的准确性。

普通保护级(P级)电流互感器是按稳态条件设计的,暂态性能较弱,但一般能够满足220kV以下系统的暂态性能要求。所有目前220kV及以下电力系统保护用电流互感器,在大多数情况下选用普通保护级(P级)电流互感器,即能满足稳态也能满足暂态运行要求。

暂态特性良好的电流互感器与普通电流互感器相比,具有良好的抗饱和性能,这在制造中可以通过增加铁芯的截面积选用高导磁材料或同时在铁芯中加入非磁性间隙等办法来改变磁路特性。改变磁路特性的大小不同形成了不同等级的暂态型电流互感器。

目前暂态型电流互感器分为四个等级,分别用TPS、TPX、TPY、TPZ表示。各等级暂态型电流互感器具有如下特点。

①TPS级为低漏磁电流互感器,铁芯中不设非磁性间隙,暂态面积系数也不大,铁芯截面比稳态保护级大得不多,无剩磁通限值,制造工艺比较简单。

TPS级大多用于根据简单环流原理和采用高阻抗继电器的差动保护系统。由于对剩磁不作限制,保护继电器的励磁使用极限,通常由试验和现场经验公式确定。若在电流互感器已严重饱和时切断一次电流,将使得二次回路中的电流随同磁通由饱和状态快速降低到剩磁水平,保护继电器的复归时间通常不明显受TPS电流互感器衰减特性的影响。所以该电流互感器也适用于对复归时间要求严格的断路器失灵保护电流检测元件。

②TPX级在铁芯中不设非磁性间隙,是一种闭路铁心的电流互感器,在同样的规定条件下与TPY和TPZ级相比,铁芯暂态面积系数要大得多、无剩磁通限值,只适用暂态单工作循环,不适合在需要重合闸的情况下使用。该电流互感器与TPS电流互感器基本特性相似,只是对误差限值的规定不同。

TPX型电流互感器二次回路能在磁化特性规定的限值内准确地重现与一次故障电流成比例的交流和直流分量。

③TPY级在铁芯中设置一定的非磁性间隙,其相对非磁性间隙长度(实际非磁性间隙长度与铁芯磁路长度之比值)大于0.1%。剩磁通不超过饱和磁通的10%。由于限制了剩磁,TPY级适用于双循环和重合闸情况,适用于带重合闸的线路保护。但由于磁阻、储能以及磁通变化量的不同,因而二次回路的电流值较高且持续时间较长,不宜用于断路器失灵保护。

TPY型电流互感器是一种带小气隙铁心的电流互感器,其磁路气隙之和一般不超过1mm。这种互感器与TPX型最显著的不同特征是稳态剩磁不大于饱和磁通的5%或10%。

在目前500kV线路保护中,一般选用TPY级暂态电流互感器(断路器失灵保护用P级)。 

上图为正常运行下电流互感器特性

 

上图为含有非周期分量电流下电流互感器饱和特性(无剩磁)

上图为含有非周期分量电流下电流互感器饱和特性(有剩磁)

④TPZ级在铁芯中设置的非磁性间隙尺寸较大,一般相对非磁性间隙长度要大于0.2%以上,无直流分量误差限值要求,剩磁实际上可以忽略。TPZ级准确级由于铁芯非磁性间隙大,铁芯磁化曲线线性度好,二次回路时间常数小,对交流分量的传变性能也好,但传变直流分量的能力极差。

它是一种希望在二次回路中不重现一次故障电流直流分量的电流互感器。其稳态剩磁接近于零。

TPZ级铁芯截面积比TPY级要小,但在制造上要满足指定的二次回路时间常数难度较大。这类电流互感器适用于仅反映交流分量的保护。许多继电器被测量经过输入电流/电压传感器转换后处理,因此,仅二次电流的交流分量有意义。由于不保证低频分量误差及励磁阻抗低,此类互感器一般不用于主设备保护和断路器失灵保护。

04

电流互感器的选择

4.1 5A还是1A

电流互感器的变比一般为X:5A。

X不小于该设备可能出现的最大长期负荷电流,保证一般情况下TA二次侧电流不大于5A;

被保护设备发生短路故障时,在短路电流不使TA饱和的情况下,TA二次侧电流依然可以按照此变比从一次电流进行折算。

在超高压电厂和变电站中,一次配电装置距离控制室较远,为了增加电流互感器的二次允许负荷,减小连接电缆的导线截面及提高精确等级,多选用二次侧额定电流为1A的电流互感器。相应的,微机型二次设备也应选用额定交流电流为1A的产品。

二次侧额定电流为1A的电流互感器优点




①线路功耗低

线路功耗与通过电流平方成正比,二次电流为1A的电流互感器比5A减低功耗25倍,即1A的功耗仅为5A的4%。

②传输距离大

4.2 10P10、0.5还是0.2

在变电站中,电流互感器用于三种回路:保护回路、测量回路和计量回路,而这三种回路对电流互感器的准确级要求是不同的。最常见的三种准确级就是我们上面所列的用于保护回路的10P10级、用于测量回路的0.5级和用于计量回路的0.2级。

简单地讲,测量、计量级二次绕组着重于精度,即误差要小;保护级二次绕组着重于抗饱和能力,即在发生短路故障时,短路电流超过一次额定电流许多倍的情况下,电流互感器一次侧电流与二次侧电流的比值仍在一定允许误差范围内接近理论变比。

对于0.5、0.2级二次绕组而言,0.5或0.2就是其比值误差,计算公式为:

(IA-IB)/IB

式中:IA为二次侧实测电流;IB为根据一次侧实测电流和理论变比折算出的理论二次电流。

比值差的最小值分别为±0.5%和±0.2%。(注意:此类电流互感器不保证在短路条件下满足此比值差。)

对于保护级(P级)电流互感器而言,准确级分为5P和10P两种,其额定一次电流下的比值误差是固定的,分别为±1%和±3%,复合误差分别为5%和10%。

5P20级的电流互感器的含义:电流互感器一次电流为20倍额定电流时,其二次电流误差为5%。

4.3 星形还是三角形

电流互感器二次绕组的接线方式常用的有三种:完全星形接线、不完全星形接线和三角形接线。

完全星形接线:三相均配置电流互感器,可以反映单相接地故障、相间短路及三相短路故障。目前,110kV线路及变压器、10kV电容器等设备配置的电流互感器均采用此接线方式。

不完全星形接线:仅在A、C两相配置电流互感器,反映相间短路及A、C相接地故障。这种配置方式在同一母线上同时发生两条线路单相接地故障时,有2/3的机会只切断一条线路。

目前,10kV架空线路在不考虑小电流接地选线功能(以下简称选线)的情况下多采用此接线方式,以节省一组电流互感器;否则,必须在三相均配置电流互感器,以获得零序电流实现选线功能。

10kV线路采用电缆出线方式时,由于配置了专用的零序电流互感器实现选线功能,电流互感器均按不完全星形接线方式配置。

Tips:




三角形接线:三相均配置电流互感器。在电磁式继电器保护时代,这种接线用于Yd11接线的变压器的差动保护的高压侧(即星形侧),使变压器星形侧二次电流相位超前一次电流30°,从而和变压器低压侧(电流互感器接成完全星形,二次电流与一次电流相位相同)二次电流相位相同。

目前,微机型主变差动保护装置本身可以实现因主变压器接线组别造成的相位角差的校正,所以主变压器星形侧和三角形侧电流互感器均采用完全星形接线。电流互感器的三角形接线方式在变电站中已经不再使用。

4.4 接地还是不接地

电流互感器二次侧不允许开路,而且在星形接线中,电流互感器二次侧中性点必须接地,只是在不同情况下的接地点不同。

公用电流互感器二次绕组二次回路只允许且必须在相关保护屏内一点接地。独立的、与其他电流互感器二次回路没有电气联系的二次回路应在开关场一点接地。

Tips:零序电流互感器




零序电流互感器用于中性接地保护系统中时,绝缘系统通过单相接地,三相导体将会一起穿过电流互感器的一次绕组。当系统处于正常状态时,三相电流互感器的电流相量相加为0,其它电流互感器的二次侧没有输出信号。当系统中某一条线路接地发生故障时,那么发生故障的那一相上的剩余电流互感器上的一次侧电流会增加,一旦电流增加到继电器的最小动作电流时,就会有保护动作。而在没有发生故障的线路中,零序电流互感器也会存在一次侧电流,但是其值非常小,所以不会引发继保装置的动作。

零序电流互感器如果用在电机上,定子绕组作为接地保护装置,一旦发生接地故障,电流达到继电器的最小动作电流,继保装置就会发生动作。若发生故障的接地点距离中性点愈近,则相对于地的电压就会愈低,接地的电流就会愈小,当电流小到一定值时,电流互感器的输出就不会使继电器发生动作,也就出现了“死区”。

零序电流互感器的结构和性能与线性互感器类似。零序电流互感器一次侧绕组匝数非常少,零序互感器不管在何种工作状态下都应尽量使得其二次侧电流足够大,从而使得继保装置能够正确的动作。

参考文献:

《自主可控安全可靠新一代变电站二次系统典型设计(2023版)》国家电网有限公司国家电力调度控制中心

《电力系统电流互感器饱和特性及其对继电保护的影响与对策研究》黄宇

《国家电网公司继电保护培训教材》国家电力调度通信中心

《典型220kV变电站二次回路详解》 郑新才

《怎样看110kV变电站二次回路图》 郑新才

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