电流互感器特性与仿真

电流互感器饱和特性仿真一：概述使用MATLAB PSB模块库中的饱和变压器／互感器元件，其电流比为2000A／5A，额定容量为25V A。

CT一次绕组为单匝，穿过环形铁心；二次绕组为400匝，一次绕组R1=0．O01p．u(标幺值)，L．= 0．04p．U；二次绕组尺2=0．00lp．U，L2=0．04p．U；表示铁心有功损耗(涡流和磁滞损耗)的电阻R =100p．u。

电流互感器铁心的非线性磁化线曲线用分段线表示，并考虑铁心可能存在剩磁的情况，CT二次负载为一个l欧的电阻。

二次侧串接有只开关,它通常情况下是闭合的，当它断开时用于模拟二次侧开路时CT的运行状况。

1 正常运行状态将断路器设置在t=1．25T(25ms)时闭合，此时电源电压为峰值，即电压初相角a=90。

电路电流的非周期分量近似为零。

开始仿真，观察CT一次电流和二次电流(示波器第l通道)，电流与电压均为正弦波，CT电阻与漏抗所引起的测量误差并不显著。

2 在含有非周期分量电流作用下的饱和特性将断路器设置在t=lT (20ms)时闭合，此时电源电压瞬时值过零，即电压初相角a=0。

，电路电流中产生最大的非周期分量。

开始仿真，头3个周期，磁通远低于饱和拐点(10pu)。

CT 输出电压随着一次电流变化。

然而，3个周期后，一次电流中的非周期分量引起CT饱和，所以CT二次电压出现大的失真。

3 CT二次侧开路情况下的饱和特性重新将断路器设置在t=1．25T(25ms)时闭合，此时一次电流中不含非周期含量。

将CT二次侧的开关设置在t=01s时断开，造成CT二次侧开路。

开始仿真，，CT二次侧开路时磁通为方波，其值在+10pu与-10pu之间变化.巨大的dcI2／dt变化率在CT二次侧引起很高的过电压，其峰值达到250V。

二电路原理在电力系统中，广泛运用并联电抗器来吸收高压输电线路的充电功率。

装设有并联电抗器的系统的简化单相电路如图1所示。

电流互感器的的运行特性与其一次电流的大小和性质密切相关，当一次电流为基波电流且在一定的范围内变化时，电流互感器处于稳态运行且二次电流与一次电流呈线性关系；如果一次电流中含有非周期分量(如短路电流)，电流互感器的铁心将会饱和。

收稿日期:2022-06-02作者简介:常惜阳(1991 ),男,工程师,硕士研究生,就职于国网宁夏电力有限公司超高压公司,研究方向:继电保护自动化㊂蒙博(1996 ),男,助理工程师,本科,就职于国网宁夏电力有限公司超高压公司,研究方向:继电保护自动化㊂变电站电流互感器饱和特性及其影响因素的仿真分析研究常惜阳,蒙 博(国网宁夏电力有限公司超高压公司,宁夏银川 750011) 摘 要:变电站运行过程中电流互感器会因电力系统的各种故障而出现稳态饱和或暂态饱和现象,因而可能对继电保护装置的动作行为产生较大影响㊂文章通过对电流互感器励磁曲线的介绍,对电流互感器饱和特性的机理进行了阐述,并借助于仿真软件建立了电流互感器的仿真模型,对变电站电流互感器饱和的不同影响因素进行仿真分析研究㊂关键词:电流互感器;励磁曲线;饱和特性中图分类号:T M 452 文献标识码:A 文章编号:1007 6921(2023)05 0114 03 目前,电网规模在不断扩大,对于其安全性㊁可靠性㊁稳定性的要求也时刻在提高㊂这就需要精确地对电力系统各种参数进行精确测量,以便对电网设备进行控制和保护㊂但是,一次设备电流㊁电压不能够直接被测量,需将其转变为二次电流㊁电压提供给继电保护装置,能够进行这种转变的设备就是互感器㊂影响变电站继电保护装置可靠性动作的一个重要因素就是电流互感器饱和特性问题,其饱和状态可以分为稳态饱和与暂态饱和㊂当电力系统发生三相对称性故障时,所产生的故障电流也是对称的[1-2],一次电流将不可能线性地传变到二次侧㊂此时,电流互感将呈现稳态饱和特性㊂但是,变电站正常运行时所发生的故障大部分是不对称性的,故障电流中含有大量非周期性分量㊂电流互感器在将一次电流传变为二次电流时需要较大的铁芯磁通,电流互感器励磁电流的数值也将变得非常大㊂在这种情况下,电流互感器将因非周期分量产生的励磁电流瞬时进入暂态饱和特性,造成继电保护装置的不可靠动作㊂因此,有必要对电流互感器的饱和特性的机理进行分析,并在稳态饱和与暂态饱和两种情况下分析不同影响因素对电流互感器饱和特性的影响效果㊂1 电流互感器的饱和机理分析1.1 电流互感器稳态饱和电流互感器未进入饱和状态时,一次电流成线性变比关系,铁芯磁通可随着电流数值变大而增大㊂但是,在电流互感器铁芯处于稳态饱和状态时,其磁通数值达到最大值,不再发生改变,将导致电流互感器二次侧无感应电动势产生,也无电流流出㊂一次电流保持数值不变,可保证励磁电流降低到0㊂当励磁电流过零点后,开始进入反向状态增大,铁芯磁通开始下降,直到进入反向数值最大,从此往复[3-4]㊂在二次侧负荷为纯电阻情况下,二次电流波形的每个半波内磁通饱和点将被斩去㊂当一次短路电流达到顶峰后,铁磁饱和达到临界状态㊂如若电流数值持续增大,则电流互感器进入饱和状态㊂在二次侧负荷为纯电感情况下,由于电感电流并不能突变,将导致电流互感器进入稳态饱和后,铁芯磁通保持不变,二次电流可保持不变㊂在电流互感器退出饱和状态后,一㊁二次电流又将变成线性关系[5]㊂㊃411㊃2023年3月内蒙古科技与经济M a r c h 20235519I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y &E c o n o m yN o .5T o t a l N o .5191.2电流互感器暂态饱和当电流互感器处于暂态饱和时,电流中非周期分量的比例相当大㊂此时,若电流互感器铁芯的磁通量不大于其处于稳态时数值,互感器将在电流的第一个半波周期内实现饱和,并且铁芯的磁通数值不再发生改变,二次侧电动势和二次电流均为0㊂此时,若一次电流侧的电流数值和时间常数越大,则二次侧电流失真越严重㊂当电流互感器的一次侧电流降低为0时,则可退出饱和状态㊂由于因磁通减小而产生的感应电动势,将给一次电流提供相反电流阻碍其减小㊂当饱和磁通不小于稳态周期分量时,电流互感器铁芯磁通将随着电流中非周期分量的不断增加而升高,直至进入饱和状态㊂在进入暂态饱和后,二次电流可降低到0㊂但是,在此种情况下,电流互感器不再会发生反向磁通饱和㊂当铁芯达到暂态饱和后,可导致二次侧时间常数的减小,在非周期分量发生衰减后,电流互感器铁芯将退出暂态饱和状态,恢复电流互感器正常的线性传递特性㊂2电流互感器饱和特性仿真2.1仿真模型笔者借助于MA T L A B中S i m u l i n k模块库,通过选用不同的硬件模块,搭建了电流互感器仿真模型㊂电流互感器仿真模型中电流互感器的变比设定为600/5,额定容量为25V A,一次绕组为单匝,穿过环形铁心,二次绕组设定为120匝㊂一次绕组R1 =0.001p.u,L1=0.004p.u,二次绕组R2=0.001 p.u(标幺值),L2=0.004p.u,表示铁心有功损耗(涡流和磁滞损耗)的电阻R m=100p.u㊂电流互感器铁芯的非线性磁化线曲线用分段线表示,并考虑铁芯可能存在剩磁的情况,假定C T一次电流为10 p.u时C T铁芯处于饱和状态,设置3个磁化电流与磁通值点[i(p.u),θ(p.u)]为[0,0;0.1,10;1, 10.5][6-7]㊂2.2仿真分析2.2.1稳态饱和仿真㊂在电流互感器仿真模型中,将断路器的合闸时间设定为0,电源的初相角设定为90ʎ,通过改变电源的幅值来模拟电流互感器分饱和仿真,二次侧电阻设定值为2Ω,电感设定为1 mH,仿真图形如图1㊁图2所示㊂图1电源为120e1/3下的二次电流波形图2电源为120e3/3下的二次电流波形通过图1和图2对比,可发现在增大电源的幅值后,电流互感器易进入饱和状态,而且随着一次电流数值的增大,饱和程度愈严重,二次电流畸变也变得非常严重㊂图3初始相位角为45ʎ的二次电流波形㊃511㊃常惜阳,等㊃变电站电流互感器饱和特性及其影响因素的仿真分析研究2023年第5期2.2.2 暂态饱和仿真㊂仿真过程中,保持电源幅值不变,改变电源的初始相位角,可以调节一次电流中非周期分量大小,从而实现不同非周期分量下电流互感器仿真的目的,将电源的幅值和初始相位角设定为120e 3/3和45ʎ,二次侧电阻设定值为2Ω,电感设定为1mH ,仿真波形如图3所示㊂通过对比图2和图3可以发现,在电源的初始相位角较小时,其电流中所含的非周期分量就越少,电流互感器的饱和程度就越小,二次电流的畸变程度则越小㊂在通过电流互感器仿真模型研究二次侧负载对于饱和程度的影响时,可以分别改变二次侧电阻㊁电感的数值进行调节,以此观察二者的影响程度㊂将电源的幅值和初始相位角设定为120e 3/3和0ʎ,电感设定为1mH ,令负载电阻R 2逐渐增大,分别取值为2Ω㊁32Ω时的仿真图如图4㊁图5所示㊂图4 电阻R=2Ω,电感=2mH 的二次电流波形图5 电阻R=32Ω,电感=2mH 的二次电流波形通过对图4㊁图5对比可以发现,当保持二次负载电感的数值并不改变,逐步增大二次负载电阻的数值,电流互感器的饱和程度将随着电阻的增大而变得更加严重㊂在增加电阻的阻值时,电流互感器由一次电流转换为二次电流后其幅值将变得非常小,波形顶部将变得非常尖㊂由此可以看出,二次负载电阻的改变对于电流互感器暂态饱和程度具有非常大的影响㊂通过上述仿真分析,可以得到如下结论:①电力系统一次故障电流越大,电流互感器的饱和程度越严重㊂②故障电流中非周期分量越少,电流互感器的饱和程度就越小㊂③二次负载中,纯电阻负载要比阻感负载更容易使电流互感器进入饱和状态㊂3 结束语笔者通过对电流互感器励磁曲线的介绍,对电流互感器饱和特性的机理进行了简要阐述,以及借助于仿真软件建立了电流互感器的仿真模型,对影响变电站电流互感器饱和的不同因素进行仿真分析,可为变电站电流互感器饱和特性的研究提供参考㊂[参考文献][1] 庄良文,傅润炜,李志勇,等.R T D S 的电流互感器模型及其饱和特性研究[J ].能源与节能,2013(2):110-112,116.[2] 蒋毅,李玉坤,董增瑞,等.X 60钢矫顽力与应力关系实验研究[J ].油气田地面工程,2019,38(12):32-37.[3] 黄鸣宇.电流互感器稳态及暂态饱和特性的分析研究[J ].宁夏电力,2009(5):1-4.[4] 张杰伟.电流互感器暂态饱和特性及差动保护应对措施[D ].淮南:安徽理工大学,2018.[5] 黄宇.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[D ].成都:西南交通大学,2018.[6] 袁兆强,凌艳.基于MA T L A B 的电流互感器饱和特性仿真分析[J ].湖北电力,2007(3):24-26.[7] 张志良.电流互感器饱和检测方法研究[D ].济南:山东大学,2018.㊃611㊃总第519期内蒙古科技与经济。

电流互感器伏安特性试验与误差曲线详解王兰芳武汉市华英电力科技有限公司1 概述在电力系统中针对于保护用电流互感器最常见的试验项目是伏安特性试验，在很多地方电力部门还要求对保护用电流互感器绘制误差曲线，并将误差曲线数据上报至相关的管理部门。

伏安特性试验对应于国家标准和IEC标准的准确称呼是励磁特性试验，执行励磁特性试验的目的是获取电流互感器励磁特性曲线，并根据励磁特性曲线计算电流互感器的相关参数以判断电流互感器是否能达到要求。

误差曲线是根据励磁特性曲线和电流互感器二次线圈电阻计算而来的曲线，误差曲线建立了电流互感器最大允许误差和所连接二次负荷的关系，只要确保电流互感器所在系统的短路电流和所接二次负荷落在误差曲线的允许区间内，保护用电流互感器就能正常工作，否则电流互感器则可能发生磁饱和而失效2 励磁特性试验2．1 励磁曲线的定义图1 HYVA-405测量的电流互感器励磁特性曲线在不同的标准中，电流互感器励磁曲线的绘制要求也不同，在IEC60044-1/GB1208中励磁曲线的Y轴是电流互感器二次端电压有效值，X轴是电流互感器二次端电流有效值；在IEC60044-6/GB16847电流互感器励磁特性试验的Y轴是电流互感器二次电动势有效值，X轴是电流互感器的二次电流的峰值；在IEEE C57.13中电流互感器励磁特性试验的Y轴是电流互感器二次电动势有效值，X轴是电流互感器二次电流有效值取对数后的值。

因此针对不同标准的电流互感器，其励磁特性曲线的绘制方法也不同，由于我国的标准遵从与IEC 体系，因此针对我国的保护用电流互感器励磁特性曲线主要有IEC60044-1/GB1208和IEC60044-6.GB16847两种。

在完成励磁特性曲线后通常要计算励磁特性曲线的拐点电压，拐点电压反映的是电流互感器进入磁饱和区域的阈值，拐点电压以后电流互感器进入深度磁饱和状态，如果电流互感器运行时其二次端电压达到或超过拐点电压，则互感器进入磁饱和状态而失效。

电流互感器两相星型接线的建模与仿真
电流互感器通常采用两相星型接线方式，即将三相交流电网中的两相电流通过变压器等电流互感器的耦合作用转换成低电平的信号输出。

在建模和仿真时，需要考虑电流互感器的构造特点、尺寸参数、磁路结构、磁芯损耗、漏磁等因素。

同时，还需要对信号处理电路和接收设备进行建模，以综合考虑所有影响因素。

基于以上考虑，电流互感器两相星型接线的建模与仿真主要包括以下步骤：
1. 根据电流互感器的实际特点，确定其物理结构、参数和材料。

2. 根据电路理论和电磁学原理，建立电路模型和电磁场模型。

3. 对电路模型进行仿真，并比较仿真结果与实际测试数据的吻合程度，调整参数。

4. 计算和分析模型的动态响应特性，包括频率特性、相位特性、时域波形等。

5. 结合信号处理电路和接收设备的模型，进行综合仿真。

6. 对仿真结果进行评估和分析，为电流互感器的设计和优化提供依据。

需要注意的是，电流互感器的两相星型接线可能存在潜在的缺陷和问题，如非对称性、漏磁等，并可能会对电网稳定性造成影响。

因此，在进行建模和仿真时，需要加以考虑和分析，并根据实际情况进行相应的优化和改进。

文章编号:1004-289X (2010)06-0041-04电流互感器饱和及其影响因素的仿真研究郑 岗,熊列彬,邢桂凤,高 毅(西南交通大学电气工程学院,四川 成都 610031)摘 要:电流互感器(TA )是电力系统中的重要传变设备,但电流互感器的铁芯饱和可能引起微机继电保护误动和拒动。

首先分析了电流互感器的饱和过程,得出了影响互感器暂态特性的主要因素。

然后应用电力系统仿真软件MATLAB ,建立了电流互感器模型,对电流互感器的饱和特性进行了详细分析和仿真;仿真结果与理论分析完全一致。

关键词:电流互感器;铁芯饱和;暂态特性;MATLAB 中图分类号:TM 452 文献标识码:BSi m ul ation Study on Current Transfor m er Saturaiton and Its Infl uenci ng FactorsZHENG Gang,X IONG L ie bin ,X I NG Gu i f eng,GAO Yi(School of E lectrica l Eng i n eering ,South w est Jiao tong Un iversity ,Chengdu 610031,China)Abstract :A current transfor m er is an i m portant trans m issi o n fac ility i n e lectric po w er syste m s ,bu t the ir on co re sat u rati n o f the transfor m er can resu lt i n the m alfuncti o n and re f u si n g acti o n o fm icroco mputer relay protecti o n .The papre ana l y zes the stauration process o f the current transfor m er and gets m ain factors that effects transient characteristic of t h e cur ren t transfor m er .Then the si m u lati o n so ft w are MATL AB of the electric syste m is used to buil d the current transfor m er m ode.l The saturati o n charcteristic o f the current transfor m er is analyzed and si m u lated .The resu lts are un ifor m w ith theo retica l analysis ..K ey words :current transfor m er ;iron core saturati o n;transient characteristic ;MATLAB1 引言电流互感器(TA )是一种电量传变装置,实质是一种特殊用途的变压器。

电流互感器的建模和仿真研究电流互感器是一种常见的用于电力系统中的传感器，能够将高电流转化成为低电流，从而避免了高电压误伤的风险。

在电能计量、保护及监控等方面都有着广泛的应用。

本文将会探讨电流互感器的建模和仿真研究。

一、电流互感器的原理及结构电流互感器的工作原理相对简单，它通过密绕线圈的设计，将电流隔离并降低，进而捕捉和输出一个低电流信号以提供检测和测量。

不同的电压和电流等级以及脉冲波高压的操作条件下，所选取的电感器的比率、精度以及负载等方面都非常重要。

电流互感器通常由一个圆柱形的铁芯和绕组组成，电流通过铁芯，使之磁化，进而产生磁通量，磁通量通过绕组，并产生电动势，这个电动势将信号变小再输出。

电流互感器有两类：模拟式的互感器和数字式互感器。

模拟式互感器是模拟电路，它把高电流信号转换成低电流信号，然后输出。

而数字式互感器则是数字电路，它将高电流转化成为数字信号，进行处理量化之后再输出。

二、建模和仿真研究为了更好地理解电流互感器的工作原理，我们可以利用一些仿真软件，比如MATLAB/Simulink，来进行建模和仿真研究。

1. 模拟式互感器建模首先我们先来看模拟式互感器的建模。

建模过程主要分为以下几个步骤：（1）建立电路模型，电路模型包括铁芯、绕组、负载和电源等；（2）确定各个元件的参数，例如铁芯的面积、磁导率、绕组的匝数、细节等；（3）应用基本的物理原理，编写方程或进行数值计算，以获得有关模型的数据；（4）制作图表，以便对模拟数据进行可视化展示。

2. 数字式互感器建模数字式互感器的建模相较于模拟式互感器相对简单。

因为数字化的优化使得尺寸更小，精度更高。

数字化的计算机实现使得电路模型没有了传统芯片的限制，可以轻松的建立模型、仿真。

仿真建模需要考虑许多因素，包括互感器的设计和材料的选择，模拟引导绕组的方向，引导磁通变化的影响。

建模是一个非常复杂的过程，需要经过多次调整和修改才能够获得准确的结果。

三、总结电流互感器是一种广泛应用于电力系统监控和保护的传感器。