CN109490813A - 一种电流互感器特性评估方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流互感器特性评估方法及***，包括：建立描述电流互感器传变性能的数学模型获得电流互感器的稳态特性能和暂态性能；得出不同故障条件下流过差动保护各测互感器的故障电流；将PSCAD的仿真结果作为电流互感器的一次侧输入，得出电流互感器的二次侧输出电流；将电流互感器二次侧输出电流结合电流互感器实际的设计参数研究其铁心的磁感应强度和二次侧极限感应电动势情况；将对不同输入和不同电流互感器模型仿真得到的输出结果分别保存，并作为微机保护的输入参数，研究电流互感器传变特性对继电保护的影响，同时考虑电流互感器的稳态特性和暂态特性，研究电流互感器的特性对继电保护装置的影响。

Description

一种电流互感器特性评估方法及***

技术领域

本发明涉及电力设备测试技术与评估领域，具体地，涉及一种电流互感器特性评估方法及***。

背景技术

电流互感器是一种特殊的变压器，是电力***使用最广泛的测量设备，是发电厂和变配电所的重要电气设备。从用途和功能来分，电流互感器可分为测量用电流互感器和保护用电流互感器两大类。前者主要用于电能计费和电力***正常运行状态下的监视和控制，衡量其性能的主要参数为额定频率与额定电流下的比差和角差。后者主要用于异常运行和设备故障时为继电保护设备提供信号，以便尽可能快速、准确地切除故障设备，缩小故障范围；同时，也可以用于故障监视和故障录波。

保护用电流互感器特殊的应用目的决定了衡量其性能的指标不能仅限于稳态和额定条件下的比差和角差，更要考虑故障条件下受衰减直流分量和大故障电流联合作用下的传变性能。现有的电流互感器特性评估装置大多使用标准电流互感器、升流器、调压器、电流负载箱、互感器校验仪的试验设备，通过现场测量获得电流互感器的指标数据，操作复杂，而且通常只着眼于电流互感器的稳态特性，如角差、比差等指标的测量和分析，而缺乏对电流互感器暂态特性的分析。

由此可以看出，为了提高保护级电流互感器的测量精度，改进继电保护装置的技术能力，根据实物建立TPY型互感器数学模型是有必要的。利用所建模型可开展TPY型电流互感器暂态特性对断路器失灵保护影响的研究，推进保护技术能力的进步，从而为优化智能变电站电流互感器优化配置方案提供依据。将对完善智能变电站设计、发挥智能变电站技术优势、降低智能站建设成本有直接意义。

电流互感器是电力***中用于继电保护和电测量的重要设备，其饱和时的运行特性将使注入继保装置的电流发生波形畸变，对电力***的安全、稳定和经济运行有着重要影响。现阶段除了缺乏设备故障分析手段外，对互感器的暂态传变特性也缺乏了解。从继电保护的内容可以看出，除了可靠性仅与保护装置本身的性能有关外，其它三种特性(选择性、速动性和灵敏性)都会受到互感器传变性能的影响，因此对互感器的特性，特别是在暂态条件下的传变特性，进行研究具有重要的现实意义。以差动保护方案为例，研究电流互感器误差特性对差动继电器动作特性的影响，解决外部故障或正常运行时差动继电器的误动问题始终是差动保护研究的重点和难点。为了保证差动保护的性能最优，一般需要知道差动保护的误差特性曲线，并在此基础上选择正确的继电保护定值和动作特性曲线。然而，在不同的工程实践中，差动保护的应用还存在很多难题，主要包括：1、差动保护的不平衡电流估算困难：准确估算正常运行和外部故障时差动回路的不平衡电流是提高差动保护性能的前提和基础。在工程实践中往往既不考虑电流互感器单体的误差特性以及各电流互感器传变特性的差异，也不考虑***实际的故障特点以及差动回路涉及的电流互感器数量，而是根据工程经验构造不平衡电流变化规律，并将此结果用于差动保护的定值整定，得到的动作特性既不科学，也不可靠。2、差动保护的误差曲线选取不合理：严格来说，当差动回路不平衡电流的变化曲线已知时，差动保护的误差曲线应该随着制动电流定义的变化而发生变化。但是，在工程实践中，继电保护的设计和运行人员往往认为误差曲线是不变的。3、差动保护动作特性的制订缺乏依据：为了提高差动保护的灵敏度，一般要求在满足选择性的前提下尽可能使差动保护的动作特性贴近误差曲线。工程实践中，不同厂家往往采用不同的动作特性曲线，比如双折线、三折线以及三次样条函数拟合的非线性曲线。但是，在误差曲线未知的前提下，该动作特性是否能够精确地符合设备的运行状态是无法判断的。随着以特高压为骨干的大电网的逐步形成，主变投入容量将会达到3000MVA，励磁涌流将会越来越大。由于设备制造技术的局限性，现有的励磁涌流抑制方法在实际工程中还存在着比较大的缺陷。

发明内容

本发明提出一种TPY型电流互感器暂态特性对断路器失灵保护影响的评估方法及***，旨在解决目前电流互感器特性评估的现场操作复杂且通常只着眼于电流互感器的稳态特性而缺乏对电流互感器暂态特性的分析的问题。该方法同时考虑电流互感器的稳态特性和暂态特性，结合不同厂家、不同产品的保护原理，通过数字仿真的手段，研究电流互感器的特性对继电保护装置的影响。

为了解决目前电流互感器特性评估的现场操作复杂且通常只着眼于电流互感器的稳态特性而缺乏对电流互感器暂态特性的分析的问题，提出一种TPY型电流互感器暂态特性对断路器失灵保护影响的评估方法。该方法依据电流互感器的磁化特性，在考虑其稳态特性、暂态特性的情况下，理论推导出电流互感器的数学模型；并通过数字仿真的方式建立一套评估***，结合电流互感器和相应的故障参数，在考虑不同厂家和不同产品原理差异的情况下，精确评估电流互感器特性对断路器失灵保护的影响。

根据实验所测数据与仿真数据进行对比，电流互感器的磁化特性基本吻合，证明了该方法能准确的模拟各种工况下电流互感器的运行特性，对评估电流互感器暂态特性对断路器失灵保护的影响有非常重要的工程实用价值。

利用所建模型可开展TPY型电流互感器暂态特性对断路器失灵保护影响的研究，推进保护技术能力的进步，从而为优化智能变电站电流互感器优化配置方案提供依据。将对完善智能变电站设计、发挥智能变电站技术优势、降低智能站建设成本有直接意义。

本发明提出了一种TPY型电流互感器暂态特性对断路器失灵保护影响的评估方法，所述方法包括：

基于电流互感器数学模型，获得电流互感器的稳态特性能和暂态性能，其中，电流互感器数学模型包括：电流互感器稳态模型和电流互感器暂态模型；

基于被保护对象的仿真***，获得不同故障条件下流过差动保护各测互感器的故障电流；

将PSCAD的仿真结果作为电流互感器的一次侧输入，得出电流互感器的二次侧输出电流；将电流互感器二次侧输出电流结合电流互感器实际的设计参数研究其铁心的磁感应强度和二次侧极限感应电动势情况；将对不同输入和不同电流互感器模型仿真得到的输出结果分别保存，并作为微机保护的输入参数，研究电流互感器传变特性对继电保护的影响。

进一步的，所述方法还包括：

测量描述电流互感器传变特性的电气参数，包括二次绕组电阻、二次绕组漏抗、变比测量、极性校核、激磁损耗电阻、磁化曲线、剩磁系数、二次时间常数、二次负载阻抗和阻抗角；

利用参数获得模块测量的参数，建立描述相应电流互感器传变性能的数学模型。

本申请中方法的优选执行流程包括以下步骤：

步骤一，利用专用测试设备测量描述电流互感器传变特性的电气参数，包括二次绕组电阻、二次绕组漏抗、变比测量、极性校核、激磁损耗电阻、磁化曲线、剩磁系数、二次时间常数、二次负载阻抗和阻抗角；

步骤二，利用步骤一的测量参数，建立描述相应电流互感器传变性能的数学模型；

步骤三，根据步骤二所建立的电流互感器数学模型，通过间接法得出电流互感器的基本稳态特性；

步骤四，利用PSCAD建立被保护对象的仿真***，得出不同故障条件下流过差动保护各测互感器的故障电流。仿真***应能基本真实地描述被保护对象所处的***条件、被保护对象自身的电气参数以及故障位置和条件(电阻短路或金属性短路)等，以求模拟不同故障条件下差动保护不平衡电流的分布情况；

步骤五，利用仿真软件的文件导入或打开功能，将PSCAD的仿真结果作为电流互感器的一次侧输入，得出电流互感器的二次侧输出电流。对于***条件未知的电流互感器传变特性的研究，设置***条件输入功能，由用户手动录入描述电流互感器一次电流的基本参数：稳态交流电流的有效值，故障初始角和一次***时间常数。根据上述参数，内部程序自动给出描述一次电流的数学表达式，并按照一定的采样间隔对该式进行离散化，然后作为输入与电流互感器数学模型接口，***运行流程图如图1所示；

步骤六，将电流互感器二次侧输出电流结合电流互感器实际的设计参数研究其铁心的磁感应强度和二次侧极限感应电动势等情况；

步骤七，将对不同输入和不同电流互感器模型仿真而得到的***输出结果分别保存，以此作为微机保护的输入参数，并结合不同厂家、不同产品的保护原理，研究电流互感器传变特性对继电保护的影响：既需要考虑保护原理存在的差异，也需要考虑保护测量算法和实现手段对评估结果的影响。

评估***框图如图2所示。

进一步，所述电流互感器的特性评估方法步骤二包括：

第一步，建立稳态模型，步骤包括：

步骤1，利用专用测试设备和试验方法测量描述电流互感器传变特性的电气参数：

(1)、利用直流电压试验完成电流互感器二次绕组电阻和二次回路时间常数的测量，利用测得的电流和电压计算出电流互感器的二次绕组电阻，二次回路放电电流由获得，对录波波形中采样点可采用最小二乘法处理，对所求量进行拟合，以获得二次绕组电阻R_ct和二次回路的时间常数T₂₀；

(2)、利用交流空载试验完成电流互感器的激磁电阻测量、磁化曲线测量、变比测试、极性校验和剩磁系数测量：

1)根据电压和电流一个周期内的采样值，计算消耗的有功功率和绕组电阻消耗的有功损耗，从而得到激磁电阻消耗的有功损耗。根据回路计算感应电势有效值，最后根据公式获得激磁电阻。E_m是激磁电势，P_m为有功功率。

2)根据电路得到电流互感器感应电动势，对法拉第感应定律公式两边同时积分得到铁心磁链；由式得到激磁电流。利用磁链和激磁电流建立电流互感器的磁化曲线。由于测试点数量的有限性，因此应根据最小二乘原理拟合出符合要求的磁化曲线。

(3)、利用二次负载试验多个频率测试点的录波结果，分别计算出各试验频率条件下二次负载的阻抗和阻抗角，然后根据负载阻抗随频率的变化关系辨识出二次负载中电阻、电感和分布电容的大小。

步骤2，根据变压器工作原理，如图3所示，当一次电流流过互感器匝数为N₁的一次绕组时，将建立一次磁势同理，二次电流与二次绕组匝数N₂的乘积构成二次磁势一次磁势与二次磁势的相量和即为励磁磁势，得到磁势平衡方程：折算到二次侧后，根据电流互感器的二次电势平衡方程得到一次绕组端电压与二次阻抗的关系磁势和电势平衡方程构成电流互感器的稳态模型。

第二步，建立暂态模型，求取方法包括：

步骤1，暂态过程一次电流建模：电力***发生短路故障时，电流互感器通过短路电流，设短路网络阻抗角φ_K＝π/2，短路前运行电流为零，则计算用一次电流i₁由正弦周期分量与按指数规律衰减的非周期分量组成，即：

步骤2，暂态过程中励磁电流建模：由图1可写出式1，即等值电路的回路方程：

求解微分方程可得暂态励磁电流，再带入暂态一次电流可求得暂态二次电流。

步骤3，暂态过程中电磁耦合建模：利用最小二成法以幂函数形式高精度模拟TPY的磁饱和特性，最终基于四阶离散型龙格库塔法准确求解磁链的准确大小，以此研究TPY型电流互感器励磁电流、原副边电流与磁通及磁链之间的数学关系。

基于上述三个步骤可得最终函数关系式由式2表示：

步骤4，在高剩磁或者直流偏磁环境下的传变特性变化：

当***发生接地故障时，TPY一次绕组流过的短路故障电流i₁为I_R为剩磁折算下的直流电流。设TPY励磁磁通为有TPY二次时间常数：T₂＝L_e/R_b。将一次电流折算到二次侧电流i'₁为:i'₁＝i₁/K_n，K_n为TPY的额定电流比。TPY的微分方程有求解微分方程并带入初值，可得到剩磁影响下的磁通大小。不计电流互感器二次绕组的漏抗和铁芯损耗，在TPY未饱和时有代入一次电流可化简求得剩磁影响下励磁电流大小

进一步，所述电流互感器特性评估方法步骤三中电流互感器的暂态和稳态性能获取方法包括：

步骤1，由于现场条件非常复杂，评估***有必要根据前述测试数据并依据国内现行的电流互感器标准推断其铭牌参数：

(1)电流互感器一次电流额定值由测试所得的变比推断，常见的有1A或者5A规格的电流互感器。

(2)CT类型的判断：根据前述开路试验的测试结果，判断被测试CT的类型。与同变比的保护CT相比，测量CT允许的过载倍数或准确限值系数一般较低，而且误差较大，一般大于10％。

(3)额定负载推断：根据前述二次负载回路试验的测试结果，判断电流互感器可能的额定输出标准值。基本步骤就是通过计算或测量当输入电流为电流互感器二次额定电流、测试频率为工频时，二次试验回路的视在功率。然后，考虑电流互感器二次绕组负载的影响，对视在功率的测试结果进行修正。

(4)准确限值系数的推断：根据额定负载的推断结果，并参考试验得出的二次极限电压的测量值，推断电流互感器可能的准确限值系数。进行准确限值系数的推断时需与额定负载推断交替迭代进行，力争使推断结果偏离额定负载与准确限值系数的偏差总体最小。

步骤2，推断电流互感器的稳态性能：

(1)比差和角差计算的基本步骤：根据设定的负载情况，计算二次负载回路的总阻抗和各分量值；从电流互感器的原边输入额定电流百分比的电流并折算到二次侧；计算前两个条件下的电流互感器二次电流；根据最终的二次电流数据和原边电流数据，计算电流互感器的比差和角差；改变原边电流的百分比，重新执行第二和第四个步骤，直至达到规定的额定电流百分比；改变二次回路的负载阻抗，返回到第一个步骤，重新执行步骤第2～4个步骤，直至结束。

(2)复合误差：对每个测试点来说，当励磁电流的稳态波形确定以后，需要按照计算电流互感器的复合误差。

(3)V-A特性反映的是电流互感器在原边开路的前提下，二次端口电压与二次励磁电流方均根值之间的关系。对交流空载试验中的数据进行处理就可以得到电流互感器的V-A特性曲线。对于每一个测试点来说，对电压、电流的采样数据，需要根据下式分别计算其方均根值：

在实际中往往需要采用曲线拟合的方式得到V-A曲线的连续形式。拟合曲线一般选择为多项式曲线，最高次数为5次应该是足够了，拟合的原则就是最小二乘法。

(4)10％误差特性曲线：计算的前提条件是电流互感器的单值磁化曲线和激磁电阻随感应电势的变化曲线己知。

1)设定负载性质：也就是负载阻抗角，典型值可取0°和37°，也可以手动录入其它值。

2)取电流互感器的输入电流为额定电流的2倍，该值即是目前计算条件下的准确限值系数，下一步的任务就是在激磁特性和误差限值已知的条件下计算允许的负载阻抗大小(阻抗角采用假设条件)。

3)初步设置二次负载阻抗的大小。

4)计算(1)～(3)条件下的二次电流。

5)计算上述条件下的电流互感器的复合误差；

6)根据计算结果，修正二次负载阻抗的大小：如果复合误差大于10％，则二次负载阻抗值降低一定的数值；如果复合误差小于10％，则二次负载阻抗增加一定的数值。

7)重新执行步骤(4)～(6)，直至收敛；

8)改变输入电流的大小或过流倍数，重新计算步骤(3)～(7)。上一次循环计算的二次负载阻抗可作为下一次循环二次负载阻抗的初值(根据本次计算过载倍数与上次计算过载倍数的关系进行反比例修正后采用)。

步骤3，推断电流互感器的暂态性能：

(1)***故障参数的提取：这些参数一般需要供电部门提供，但大多数情况下都无法直接精确知道，需要根据经验或从其它参数推算出来：

1)短路电流I_pac由式计算得来；

2)一次***的时间常数T₁由该短路支路的电感与电阻之比确定，即

3)短路初始角：统计结果表明，短路故障容易发生在峰值附近，有95％的故障往往发生在电压峰值之前的40°以内。因此，短路故障的初始角考虑为50°是比较合理的。

4)短路阻抗角φ由式确定；

5)电流互感器的工作循环及经历时间：电流互感器的工作循环可分为单循环(C-T_I-O)和双循环(C-T_I-O-T_fr-C-T₂-O)两类。前者适用于一般的故障过程，后者对应于存在单次重合闸的故障过程。中间的T₁和T₂均代表继电保护装置的动作时间，目前大多数设备的快速保护动作时间和断路器的固有分闸时间之和一般在40ms～100ms以内，这也是故障可能持续的最长时间。T_fr主要考虑重合闸的闭锁时间，大多数***保持在500ms左右。对于超高压***来说，由于需要考虑潜供电流的影响，重合闸的闭锁时间约在800ms左右。

(2)暂态特性仿真计算：本过程就是以符合***特征的故障电流为输入量，以测试设备的输出参数为模型参数，通过求解微分方程，得出描述电流互感器状态的电路和磁路参数，包括：励磁电流i₀(t)、输出电流i_s(t)、铁心磁链ψ_m(t)和二次侧感应电动势e_m(t)。在此基础上，可以得出电流互感器的磁感应强度B(t)和磁场强度H(t)这些参数。

进一步，所述的电流互感器特性评估方法步骤四中模拟工况包括：

无故障情况下增大线路电流、故障情况下电流互感器的传变特性和故障情况下多次重合闸后电流互感器的传变特性。故障情况包含了线路运行过程中常见的所有故障类型。将对不同输入和不同电流互感器模型仿真而得到的***输出结果分别保存，以此作为微机保护的输入参数，并结合不同厂家、不同产品的保护原理，研究电流互感器传变特性对继电保护的影响。

进一步，所述的电流互感器特性评估方法步骤五中磁化曲线的拟合方法包括：

采用工程上广泛应用的奇数次的幂函数多项式拟合方法。磁化特性拟合流程如图4所示。

具体可以表示为：i₀＝k₁Ψ+k₂Ψ³+k₃Ψ⁵。采用最小二乘法求解上式中系数K₁、K₂、K₃。首先确定待求函数y＝f(Ψ)＝i₀＝k₁Ψ+k₂Ψ³+k₃Ψ⁵，使磁化曲线能够最佳地拟合实验观测数据(I_i,U_i)(i＝1,2,……N)，即使得式取得最小值。写成矩阵形式有：

I＝[I₁ I₂ … I_N]^T (5)

K＝[K₁ K₂ K₃]^T (6)

目标函数为：

minδ²＝(I-GK)^T(I-GK) (8)

K是最小二乘解的充分必要条件是满足正规方程组：

G^TGK＝G^TI (9)

由于f(Ψ)＝i₀＝k₁Ψ+k₂Ψ³+k₃Ψ⁵，基函数f₁(Ψ)＝Ψ，f₂(Ψ)＝Ψ³，f₃(Ψ)＝Ψ⁵，因此可以得到：

通过上式可求得k₁、k₂、k₃的值，并通过拟合函数求得拟合磁化曲线。

进一步，所述的电流互感器特性评估方法步骤五中磁链微分方程的求解方法包括：

磁链方程是非线性方程，其中含有指数函数和三角函数，无法求出该方程的显示解，因此必须利用数值计算的原理进行求解。为了提高计算精度，将采用4阶离散龙格库塔法进行求解。对微分方程一般的解法可表示为：Y_n+1＝Y_n+h×D(t_n,Y_n)。其中D(t_n,Y_n)是动点在(t_n,t_n+1)中的平均速度。设Y_n是精确的，则有：

所以得到：

由于右函数的高阶导数或者无法直接得到、或者计算太过复杂，实际的做法是：用[t_n,t_n+1]区间中解曲线邻域的一些已知点函数值的线性组合来代替F(t,Y)的导数，从而得到高阶的单步法公式。

将方程带入该方法可得微分方程为：

解上述微分方程：

该部分利用编程即可求得磁链Ψ的解。将磁链的解带入磁链的拟合表达式即可求出励磁电流的i₀，再将结果带入方程式1即可求出二次侧电流大小。

进一步，所述的电流互感器特性评估方法步骤六中剩磁折算电流的折算方法包括：

剩磁折算电流的频率范围在0.001～0.1Hz，数值可达上百安(A)，为反映其幅值和方向的时变性及频率特征，近似用长周期的余弦函数来模拟剩磁折算电流。由于剩磁折算电流变化的时间尺度远大于工频电流变化的时间尺度，即在工频周期内可将剩磁折算电流视作准直流。

进一步，所述的电流互感器磁化曲线相关数据需根据《GB16847-1997保护用电流互感器暂态该特性要求》中关于铁心励磁特性确定的说明进行获取。试验采用交流法，在二次端子上施加实际正弦波交流电压，测量相应的励磁电流，试验可以在降低的频率下进行，以避免绕组和二次端子承受不能容许的电压。记录二次端子上施加电压的有效值与相应励磁电流i₀的有效值。二次匝链磁通值Ψ，可由频率f'下的实测所加电压的方均根值U'按式得出，这样便可得到励磁电流i₀与磁链Ψ之间一一的对应关系。

进一步，将所述电流互感器特性评估方法封装成评估***，整个评估流程如图5所示。

本申请还提供了一种电流互感器特性评估***，所述***包括：

第一获得模块，用于基于电流互感器数学模型，获得电流互感器的稳态特性能和暂态性能，其中，电流互感器数学模型包括：电流互感器稳态模型和电流互感器暂态模型；

第二获得模块，用于基于被保护对象的仿真***，获得不同故障条件下流过差动保护各测互感器的故障电流；

评估模块，用于将PSCAD的仿真结果作为电流互感器的一次侧输入，得出电流互感器的二次侧输出电流；将电流互感器二次侧输出电流结合电流互感器实际的设计参数研究其铁心的磁感应强度和二次侧极限感应电动势情况；将对不同输入和不同电流互感器模型仿真得到的输出结果作为微机保护的输入参数，研究电流互感器传变特性对继电保护的影响。

其中，前述执行流程中步骤六和步骤七需要对电流互感器进行继电保护评估，相应地，本发明的所述***的优选实施例还包括：

基本参数设置模块：规定与被评估电力设备差动保护有关的输入参数、计算参数、计算过程、参数定义等，使评估结果具有针对性。本模块的功能就是建立对不同厂家保护设备或原理的基本描述。

组合误差特性模块：该模块的主要功能就是根据差动电流与制动电流的变化关系，补充各种外部故障条件下差动(不平衡)电流与制动电流的关系数据库，得出能够完整描述保护CT组合误差特性的数学表达式或数据曲线。

动作行为分析模块：本模块的主要功能是将差动保护的动作特性曲线与测量出来的CT组合误差特性曲线在同一坐标下绘制出来，并通过调整保护定值和比较两者之间的配合关系得到不同保护方案和定值对不同故障的安全系数。另外，假如能够得到现场录波器提供的测量结果，并通过仿真、计算和保护原理模拟而得到故障点在误差曲线平面上的位置，还可以判断出保护的动作特性是否合理，并再现故障时保护的动作轨迹。

组合特性误差模块：本模块的主要功能就是以实际的仿真计算数据为依据，以具体的保护计算方法为手段，研究各种保护配置方案条件下差动保护CT的组合误差特性，并以此特性为根据来改善差动保护的整定计算。本模块的主要任务就是显示各种保护方案下，电力设备区外故障时差动回路的不平衡电流随时间的变化关系，并将这些数据作为绘制差动保护误差特性曲线的依据。由于误差特性一般仅研究有效值(或等效有效值)的变化对动作特性的影响，因此波形应为各种保护方案下差动电流和制动电流随时间的变化，以及二者之间的对应关系。

对于误差曲线的处理，还应考虑动作方程的描述，其主要目的就是研究差动保护实际的动作方程与CT组合误差特性曲线的关系。在故障过程中，如果二者之间的配合裕度较小，则继电保护发生误动的几率则较高。相反，如果二者之间的配合裕度较大，则继电保护在发生轻微故障时的拒动几率则较高。将继电保护实际的动作方程与CT组合误差特性在同一坐标系中绘制出来，并通过游标逐点比较二者之间的差别，则可以对继电保护抗区外故障误动的能力进行定量评估。

根据国内继电保护装置的研制情况，动作特性一般需要至少考虑三折线形式。

本组合误差特性模块的研究对象为前者，而每次仿真尽可能根据一种故障点或故障类型，因此有必要将每次的仿真结果都存储到特定的数据文件当中，并不断扩充源数据，增强曲线的普遍性意义。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

保护用电流互感器特殊的应用目的决定了衡量其性能的指标不能仅限于稳态和额定条件下的比差和角差，更要考虑故障条件下受衰减直流分量和大故障电流联合作用下的传变性能。现有的电流互感器特性评估装置大多使用标准电流互感器、升流器、调压器、电流负载箱、互感器校验仪的试验设备，通过现场测量获得电流互感器的指标数据，操作复杂，而且通常只着眼于电流互感器的稳态特性，如角差、比差等指标的测量和分析，而缺乏对电流互感器暂态特性的分析。

为此本发明提出一种TPY型电流互感器暂态特性对断路器失灵保护影响的评估方法。该方法将不同输入和不同电流互感器模型仿真而得到的***输出结果分别保存，以此作为微机保护的输入参数，并结合不同厂家、不同产品的保护原理，能够快速给出较准确的电流互感器性能评估结果，为提高保护级电流互感器的测量精度、改进继电保护装置的技术能力提供依据。利用所建模型可开展电流互感器暂态特性对断路器失灵保护影响的研究，推进保护技术能力的进步，从而为优化智能变电站电流互感器优化配置方案提供根据。本发明将对完善智能变电站设计、发挥智能变电站技术优势、降低智能站建设成本有直接意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是电流互感器特性评估***整体运行流程示意图；

图2是电流互感器特性评估***各模块框图；

图3是变压器工作原理示意图；

图4是磁化特性拟合流程示意图；

图5是电流互感器特性评估***评估流程示意图；

图6是TPY型电流互感器激磁电压与励磁电流曲线描述示意图；

图7是P型电流互感器激磁电压与励磁电流曲线描述示意图；

图8是TPY型电流互感器磁化曲线拟合示意图；

图9是P型电流互感器磁化曲线拟合示意图；

图10是电流互感器测试电路示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

由前述已知电流互感器的铁芯具有非线性的磁化特性，因此对电流互感器的磁化过程的合理描述是***建模的关键。本案例在PSCAD中完成了P级和TPY级两种电流互感器的模型搭建，后续仿真将针对两种互感器在不同电流大小、不同二次侧负载特性等多种工况下进行。

磁化曲线的拟合：

实测500kVTPY型电流互感器V-I特性如表1和图6所示，其中激磁电压数值为相有效值，励磁电流数值为相峰值。

表1实测TPY型电流互感器励磁曲线数据

励磁电流(A)	激磁电压(V)	励磁电流(A)	激磁电压(V)
				0.786105	22502.7	0.016825	955.9891
0.597427	22088.86	0.012793	718.9678
				0.45358	21269.38	0.009725	543.749
0.344526	19147.19	0.007389	393.5753
				0.261691	15592.67	0.005617	295.0777
0.198933	12108.68	0.004266	220.147
				0.151203	9301.59	0.003244	162.8779
0.114945	7093.929	0.002471	119.4868
				0.087317	5252.696	0.001874	87.6184
0.066365	3960.217	0.001425	63.8335
				0.050495	2979.856	0.001082	46.7329
0.038326	2239.148	0.000823	34.5246
				0.029138	1684.717	0.000627	24.6746
0.022144	1269.333	0.000476	14.3853

实测500kV P型电流互感器V-I特性如表2和图7所示，

表2实测P型电流互感器励磁曲线数据

根据最小二成法以幂函数形式高精度模拟的方法，基于表1数据和可得到TPY型电流互感器的拟合系数为：

基于表2的数据可得到P型电流互感器的拟合系数为：

TPY和P级电流互感器的拟合磁化曲线与实际曲线对比如图8和图9所示。由图可看出实际曲线与模拟曲线基本吻合。对于TPY型电流互感器，折算到二次侧的拐点电流约为0.32A，磁链约为80Wb；对于P型电流互感器，折算到二次侧的拐点电流约为0.01A，磁链约为5.5Wb。

基于电流互感器数学建模最终的函数关系表达式式2，参照PSCAD仿真惯例，二次侧电流测量值折算到一次侧，且采用kA作为模型输入和输出电流单位。但为了与二次侧实测结果对应，模型提供的内部输出量集合均为归算到二次侧的结果，电流对应单位为A。仿真工况一：无故障下，增大线路电流周期分量幅值，无非周期分量：

设置仿真参数时，二次侧负载额定阻抗设置为15Ω，匝比参照实际给定为4000匝。对于500kV线路，输送容量拟定为2000MW，计算获取额定运行相电流峰值约为3kA。

搭建如图10所示的简单电路，理想电压源回路阻抗(电源内阻和线路电阻)总计2Ω，TPY型和P型电流互感器二次侧带阻感性负载，大小为15Ω，阻抗角为50°，对应电阻为9.6Ω，电感为0.0366H。施加额定一次侧电流3kA(峰值)，进行仿真。

由仿真结果可知，在输入额定电流，带额定阻抗的条件下：TPY型电流互感器励磁电流峰值仅为约0.14mA，磁链峰值仅为约0.035Wb，远远小于拐点励磁电流(0.32A)和拐点磁链(80Wb)大小，也未饱和，输出电流与输入电流之间误差仅为约万分之二；P型电流互感器励磁电流峰值仅为约0.09mA，磁链峰值仅为约0.035Wb，远远小于拐点励磁电流(0.01A)和拐点磁链(5.5Wb)大小，也就远未饱和，输出电流与输入电流之间误差仅为约万分之一。由此可知，在正常运行下，P级电流互感器和TPY电流互感器测量误差均可忽略。

考虑到500KV线路开关遮断容量为63kA，对应相电流峰值为89.10kA，故保持二次侧负载为额定阻抗，进一步增大线路电流至63kA，对TPY型和P型电流互感器进行仿真。

在输入遮断容量对应电流，二次侧带额定阻抗的条件下：TPY型电流互感器励磁电流峰值仅为约0.0045A，磁链峰值仅为约1.05Wb，远小于拐点励磁电流(0.32A)和拐点磁链(80Wb)大小，仍旧工作在非饱和区，测量误差小于万分之一；P型电流互感器励磁电流峰值仅为约0.0025A，磁链峰值仅为约1.1Wb，也小于拐点励磁电流(0.01A)和拐点磁链(5.5Wb)大小，测量误差小于千分之一。

额定阻抗下，为使P型电流互感器饱和，必须继续增大一次电流，由表2可知拐点磁链约为5.5Wb，对应二次侧计算电压为1200V(有效值)。与二次侧阻抗计算可得此时二次侧电流约为80A(有效值)，折算到一次侧即为320kA(有效值)，为观察到明显的饱和现象，在一次侧注入600kA(有效值)电流观察P型电流互感器仿真。同样的注入电流下，对TPY型电流互感器进行仿真。

由仿真结果可知，P型电流互感器励磁电流峰值已达到0.15A，磁链峰值为约10Wb，互感器已经越过拐点进入饱和工作区，励磁电流出现明显畸变；对于TPY型电流互感器，励磁电流峰值才达到0.04A，磁链峰值为约10Wb，仍小于拐点对应值，TPY工作在非饱和区。

为使TPY饱和，必须施加极大的一次电流。由表1可知拐点磁链约为80Wb，对应二次侧计算电压为19991V(有效值)。与二次侧阻抗计算可得此时二次侧电流约为1185A(有效值)，折算到一次侧即为4739kA(有效值)，为观察到明显的饱和现象，将在一次侧注入6000kA(有效值)电流，进行仿真。同样的注入电流下，对P型电流互感器进行仿真。

由仿真结果可知，TPY型电流互感器在一次侧电流达到6000kA后，励磁电流峰值可达到0.52A，磁链峰值为约100Wb，越过拐点进入饱和工作区，电流出现明显畸变。然而，现实中一般不会出现如此大的电流。因此，可以判定，TPY型电流互感器几乎不可能饱和。相同工况下，P型电流互感器励磁电流峰值已达到1200A，磁链峰值为约58Wb，二次侧电流波形均发生严重畸变。

仿真工况二：故障情况下，线路电流含有周期分量和无非周期分量

由于直流分量的存在，铁芯饱和过程迅速加快，饱和后的励磁阻抗大幅减小，二次时间常数将变小，这将使得电流互感器一次侧断开后励磁绕组中的磁场能量无法有效快速释放，造成二次侧电流衰减变慢，从而形成了拖尾效应。由此看来，拖尾的直接原因还是由于铁芯的磁饱和效应，饱和程度越高，拖尾现象越明显。故障电流切断后互感器出现了明显的拖尾现象。

假设故障电流按照开关遮断容量63kA考虑，一次侧时间常数为0.08s，下面给将针对二次侧不同负荷大小、负荷类型进行仿真验证。负载阻抗大小为额定值15Ω，电阻为9.6Ω，电感为0.0366H，设定0s发生故障，200ms后故障跳闸的仿真，仿真时长设定为0.8s，对TPY型和P型电流互感器进行仿真。

在额定阻感性负载条件下单次故障跳闸：TPY型电流互感器励磁电流峰值为约0.06A，磁链峰值为约16.5Wb，未达到饱和，故障过程中最大电流测量误差为约千分之三。由于直流分量的存在，激磁发生单方向偏移，仍旧存在微小的拖尾电流现象，一次侧拖尾电流有效值约为0.22kA。P型电流互感器励磁电流峰值为约1.7A，磁链峰值为约16Wb，已进入深度饱和，一次侧拖尾电流有效值约为5kA，故障过程中最大电流测量误差为约6％。由此可见，故障情况下TPY型电流互感器性能明显优于P型电流互感器。

将负载改变为纯电阻，电阻为15Ω，电感为0.0001H，其余仿真工况不变，对TPY型和P型电流互感器进行仿真。

由仿真结果可以看出，纯阻性负载条件下TPY型电流互感器励磁电流峰值为约0.095A，磁链峰值为约25Wb，测量误差增大至千分之五。虽未达到饱和，但是拖尾电流一次侧有效值增大至0.38kA。因此可以推断，拖尾电流受二次侧时间常数影响较大，电阻越大，时间常数越小，拖尾电流越大，衰减越慢。P型电流互感器励磁电流峰值为约5.4A，磁链峰值为约20Wb，已进入深度饱和，拖尾电流一次侧有效值高达11kA，故障过程中最大电流测量误差为约15％。

将负载改变为纯电感，电阻为0.001Ω，电感为0.0478H，其余仿真工况不变，对TPY型和P型电流互感器进行仿真。

纯感性负载条件TPY型电流互感器励磁电流峰值为约0.008A，磁链峰值为约2Wb，未达到饱和，拖尾电流有效值初值为0.005kA，故障过程中最大测量误差为约万分之二。可见，负载为纯电感后，二次侧时间常数很大，拖尾电流很快就衰减了。P型电流互感器励磁电流峰值为约0.0045A，磁链峰值为约2Wb，未进入饱和，拖尾电流有效值初值仅为0.003kA，故障过程中最大电流测量误差为约万分之三。

总结上述仿真结果如表3和表4所示，可以看出：无论二次侧负载如何设置，TPY型电流互感器在遮断容量对应短路电路的暂态过程中均能保持良好的测量性能，具有很好的负载适应性。P型电流互感器在暂态过程中极易发生饱和，造成电流测量误差的剧增，甚至超过《GB16847—1997保护用电流互感器暂态特性要求》中关于电流互感器最大峰值瞬时值误差应当小于10％的规定。

表3故障条件下负载阻抗特性对TPY型电流互感器的影响

表4故障条件下负载阻抗特性对P型电流互感器的影响

仿真工况三：C-O-C-O

额定阻抗条件下(R2＝9.6Ω，L2＝0.0336H)，设定C1＝0.1s，O1＝0.1s，C2＝0.1s，O2＝0.1s进行故障重合闸多个循环过程(5个)的仿真，仿真时长设定为2s，对TPY型和P型电流互感器进行仿真。

故障电流条件下多次故障重合闸(额定阻抗)，线路切断后磁链不会降低，即剩磁保留在切断的水平。重合闸后，新建立的磁通与剩磁极性相同，叠加后铁芯会更加趋于饱和，励磁电流也迅速增加，该过程的不断重复会使得磁链和励磁电流不断叠加。

对于TPY型电流互感器，最后磁链峰值高达120Wb，励磁电流峰值高达0.92A，明显超过拐点对应值，进入深度饱和状态，因此由励磁电流反映的测量误差不断扩大，第一个通电周期最大误差最大为0.4％，而到最后一个通电周期(总计5个COCO循环)最大误差已经达到3.3％。在循环COCO过程中，直流磁链不断积累，励磁电流愈来愈大，拖尾现象也越来越明显，第一次分闸后拖尾电流有效值初值为0.22kA，经过多个COCO过程，到最后一次分闸拖尾电流有效值初值增长为3.7kA。

对于P型电流互感器，最后磁链峰值高达23Wb，励磁电流峰值高达12A，远远超过拐点对应值，进入深度饱和状态，第一个通电周期最大误差最大为25％，而到最后一个通电周期(总计5个COCO循环)最大误差已经达到37.5％。第一次分闸后拖尾电流有效值初值为20kA，经过多个COCO过程，到最后一次分闸拖尾电流有效值初值增长为30kA。于此同时，由于铁芯逐渐进入深度饱和，两种互感器的拖尾现象也逐渐明显。

由上述案例可看出，由本发明提供的方法能准确的评估电流互感器的特性，并能判断其暂态性能对于断路器失灵保护的影响。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种电流互感器特性评估方法，其特征在于，所述方法包括：

基于电流互感器数学模型，获得电流互感器的稳态特性能和暂态性能，其中，电流互感器数学模型包括：电流互感器稳态模型和电流互感器暂态模型；

基于被保护对象的仿真***，获得不同故障条件下流过差动保护各测互感器的故障电流；

将PSCAD的仿真结果作为电流互感器的一次侧输入，得出电流互感器的二次侧输出电流；

将电流互感器二次侧输出电流结合电流互感器实际的设计参数研究其铁心的磁感应强度和二次侧极限感应电动势情况；

将对不同输入和不同电流互感器模型仿真得到的输出结果作为微机保护的输入参数，研究电流互感器传变特性对继电保护的影响。

2.根据权利要求1所述的电流互感器特性评估方法，其特征在于，所述方法还包括：

测量描述电流互感器传变特性的电气参数，包括二次绕组电阻、二次绕组漏抗、变比测量、极性校核、激磁损耗电阻、磁化曲线、剩磁系数、二次时间常数、二次负载阻抗和阻抗角；

利用参数获得模块测量的参数，建立描述相应电流互感器传变性能的数学模型。

3.根据权利要求1所述的电流互感器特性评估方法，其特征在于，电流互感器稳态模型包括：磁势平衡方程和电势平衡方程，其中，磁势平衡方程为：其中，为励磁电流；为一次电流；N₁为一次绕组匝数；为一次磁势；为二次电流；N₂为二次绕组匝数；为二次磁势；

电势平衡方程其中，为二次电势，为二次回路电压，为二次回路电流，R'₂为二次回路电阻，j为向量虚部算子，X'₂为二次回路电抗；一次绕组端电压与二次阻抗的关系为其中，为一次回路电压，R'_z为负载电阻，X'_z为负载电抗。

4.根据权利要求1所述的电流互感器特性评估方法，其特征在于，电流互感器暂态模型为：

其中，k₁,k₂,k₃为拟合系数，ψ为磁链，L₂为二次电感，i₁为一次电流，i₂为二次电流，R₂为二次电阻，t为时间。

5.根据权利要求1所述的电流互感器特性评估方法，其特征在于，所述方法还包括：在获得电流互感器的稳态特性能和暂态性能之前，判断电流互感器的铭牌参数，具体包括：

电流互感器一次电流额定值由测试所得的变比判断；

CT类型的判断：根据开路试验的测试结果，判断被测试CT的类型；

额定负载判断：根据二次负载回路试验的测试结果，判断电流互感器额定输出标准值；

准确限值系数的判断：根据额定负载的推断结果，并参考试验得出的二次极限电压的测量值，判断电流互感器可能的准确限值系数。

6.根据权利要求1所述的电流互感器特性评估方法，其特征在于，获得电流互感器的稳态性能，具体包括：计算电流互感器的比差和角差；计算电流互感器的复合误差；计算电流互感器的V-A特性；计算电流互感器的10％误差特性曲线。

7.根据权利要求1所述的电流互感器特性评估方法，其特征在于，获得电流互感器的暂态性能，具体包括：

提取电流互感器暂态特性仿真***的故障参数；

电流互感器暂态特性仿真计算：以符合暂态特性仿真***特征的故障电流为输入量，以测试设备的输出参数为模型参数，通过求解微分方程，得出描述电流互感器状态的电路和磁路参数，包括：励磁电流i₀(t)、输出电流i_s(t)、铁心磁链ψ_m(t)和二次侧感应电动势e_m(t)，获得电流互感器的磁感应强度B(t)和磁场强度H(t)。

8.根据权利要求1所述的电流互感器特性评估方法，其特征在于，基于被保护对象的仿真***，得出不同故障条件下流过差动保护各测互感器的故障电流中磁化曲线的拟合方法包括：

i₀＝k₁Ψ+k₂Ψ³+k₃Ψ⁵，Ψ为磁链，采用最小二乘法求解上式中系数k₁,k₂,k₃；首先确定待求函数y＝f(Ψ)＝i₀＝k₁Ψ+k₂Ψ³+k₃Ψ⁵，使磁化曲线能够最佳地拟合实验观测数据(I_i,U_i)(i＝1,2,……N)，即使得式取得最小值；写成矩阵形式有：

I＝[I₁ I₂…I_N]^T (5)

K＝[K₁ K₂ K₃]^T (6)

其中，I_N为电流的第n个提取值；

目标函数为：

minδ²＝(I-GK)^T(I-GK) (8)

K是最小二乘解的充分必要条件是满足正规方程组：

G^TGK＝G^TI (9)

由于f(Ψ)＝i₀＝k₁Ψ+k₂Ψ³+k₃Ψ⁵，基函数f₁(Ψ)＝Ψ，f₂(Ψ)＝Ψ³，f₃(Ψ)＝Ψ⁵，因此可以得到：

通过上式可求得k₁、k₂、k₃的值，并通过拟合函数求得拟合磁化曲线。

9.根据权利要求1所述的电流互感器特性评估方法，其特征在于，将PSCAD的仿真结果作为电流互感器的一次侧输入，得出电流互感器的二次侧输出电流中磁链微分方程的求解方法包括：

对微分方程Y_n+1＝Y_n+h×D(t_n,Y_n)，其中，D(t_n,Y_n)是动点在(t_n,t_n+1)中的平均速度，h为步长，Y_n为第n个函数值，则有：

得到：

可得微分方程为：

解上述微分方程：

可求得磁链Ψ的解，将磁链的解带入磁链的拟合表达式即可求出励磁电流的i₀，基于励磁电流i₀求出二次侧电流大小。

10.一种电流互感器特性评估***，其特征在于，所述***包括：

第一获得模块，用于基于电流互感器数学模型，获得电流互感器的稳态特性能和暂态性能，其中，电流互感器数学模型包括：电流互感器稳态模型和电流互感器暂态模型；

第二获得模块，用于基于被保护对象的仿真***，获得不同故障条件下流过差动保护各测互感器的故障电流；

评估模块，用于将PSCAD的仿真结果作为电流互感器的一次侧输入，得出电流互感器的二次侧输出电流；将电流互感器二次侧输出电流结合电流互感器实际的设计参数研究其铁心的磁感应强度和二次侧极限感应电动势情况；将对不同输入和不同电流互感器模型仿真得到的输出结果作为微机保护的输入参数，研究电流互感器传变特性对继电保护的影响。