继电保护互感器技术的应用与不足

【摘要】互感器技术是继电保护工作的重要组成部分，是确保继电保护装置正常运行的基础。简要介绍了互感器技术在继电保护工作中的应用，提出了当前互感器技术的不足和新式光电互感器的优点。互感器技术是电网安全保护工作的重要组成部分，呼吁技术人员关注和研究互感器技术，为电网安全保护工作贡献力量。

【关键词】互感器技术；继电保护；光电式互感器

1引言

随着科技的发展，人们对电力的需求和质量要求都在不断提升，导致电网输配变容量不断增加，电网的安全保护工作压力也越来越大。作为电力系统检测、继电保护的基础，互感器技术成为电网运行中不可或缺的重要组成部分。

2互感器技术原理

互感器在原理上类似于变压器，是利用电磁感应原理将一次电压、电流转换成二次侧小电压、电流的测量设备。继电保护及测量仪表都是通过互感器二次侧电压、电流来判断二次侧运行状况，继而实现对被测电路的测量和保护工作。互感器按类型分为电压互感器和电流互感器两种。电压互感器是将一次侧高电压转变成二次侧低电压，用来测量被测电路电压的设备。电压互感器的一次线圈并联在被测回路上，并且二次回路电压较高，阻抗很大，工作电流小，如果电压互感器二次回路短路，将产生很大的短路电流，损坏电压互感器甚至危害工作人员安全[1]。因此电压互感器的二次回路不允许短路，可装设熔断保护。电流互感器是将一次侧高电流转变成二次侧低电流，用来测量被测电路输送的电流、电能等数据。电流互感器一次线圈串联在被测回路上，并且起二次回路电压很低，阻抗很小。起二次回路电流取决于一次线圈的电流大小，与其所带负荷无关。电流互感器二次回路开路，会使一次电流全部转化为励磁电流，导致互感器磁心饱和发热损坏，二次侧产生高压危害人身安全。因此电流互感器二次回路不允许开路，且不能装设熔断保护[2]。

3互感器技术继电保护的应用

3.1电压保护

电压保护是指电压互感器并联在被测电流中，测量被测电路电压峰值、有效值、零序电压、相位、频率等因数，间接控制对电压峰值过高、过电压、低电压、相位异常和频率偏高等电压异常情况进行保护切断[3]。目前通常电压保护有过电压保护、低电压保护等。过电压是指任何峰值大于正常运行下稳态电压的相应最大峰值的电压。过电压保护分为瞬态过电压和暂态过电压，瞬态过电压是指持续时间极短，如雷击、开关操作、静电放电等。瞬态过电压主要通过防雷装置保护。而暂态过电压持续时间比较长，在0.1～1000ms之间，主要有谐振过电压、甩负荷过电压、中性点漂移导致的过电压和转移过电压等。这些过电压故障严重时可能导致电器设备损坏，电器绝缘被击穿等，危害极大，严重威胁电网及用电用户安全。因此，过电压保护是继电保护中的重要项目之一。电压保护使用电压互感器并联在被测回路中，用较低的变压互感器的二次回路电压替代被测电压，以达到安全、有效的继电保护工作。

3.2过电流保护

过电流保护是指当电流超过预定最大值时，保护装置动作切断隔离过电流回路的保护。过电流保护分为短路速断保护和过负荷保护，短路速断保护是指发生相间短路或接地短路时，短路回路产生极大故障电流，保护装置动作切断被测回路的过程，过负荷短路是指线路所挂负荷容量超过了线路允许最大值，导致线路电流过高，从而使保护装置动作的过程。过电流保护通常是使用电流互感器串联在被测回路中，监测被测回路电流峰值和有效值，当被测回路出现电流大小超过设定的允许值时，互感器二次回路电流使保护装置动作，达到切断和隔离故障回路的效果。

3.3零序保护

零序保护是指在大短路电流接地系统中发生接地故障，导致线路产生零序电流、零序电压，利用这些电气量构成保护原理的接地短路保护装置。零序电流保护的原理，是在三相线路或N线上安装电流互感器（CT），利用这些CT来检测三相的电流，由此计算零序电流大小。当线路上所接的三相负荷完全平衡时，线路无接地，可正常运行；当线路上所接的三相负荷不平衡，电路产生不平衡电流，不平衡电流达到了预设的动作值时使控制继电保护装置动作，从而达到零序保护的目的。同时，当三相发生接地故障时，接地相产生一个很大的接地短路电流，此时的零序电流是三相不平衡电流与接地短路电流的矢量和，因此零序电流大小剧增，使零序保护动作，达到接地短路保护目的。

3.4差动保护

差动保护是输入设备或线轮两端电流矢量差，当电流矢量差达到设定的动作值时驱动保护装置动作，被测线路两端之间的设备。差动保护是反映被保护设备或区域两侧电流差而动作的保护装置。依照基尔霍夫定理，电路中流入同一个节点的所有电流的矢量和等于零。把被保护的电气设备看成是一个节点，那么正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零。当变压器、电动机发电机等设备出现故障时，流进被故障设备的电流和流出的电流不相等，即存在差动电流。使用电流互感器（CT）检测故障设备两端电流，则流入CT电流互感器的两端电流存在一个矢量差即差动电流，当差动电流达到了设定的动作值时，使差动保护装置动作，继而达到切断故障设备和回路的效果[4]。差动保护通常作为变压器主保护，是继电保护中最重要的保护之一。

4现有互感器技术的不足

当前主流互感器技术，即电磁式互感器技术仍有很多缺陷和不足之处，使得互感器在保护工作上事故频发。（1）互感器误差。互感器容易受特定因素影响，如线圈匝数、磁芯横截面积、电流频率等因素影响，导致互感器二次回路误差较大。二次回路的小误差，则算到一次回路就是一个较大的误差，容易导致继电保护装置误动作和拒动，对电网的安全运行危害极大。电力系统中存在大量的感性负荷和容性负荷，这些感性负荷和容性负荷在一定条件下会产生谐振现象，引起谐振过电压；在系统发生单相接地故障时，导致非故障相电压升高、引起发生位移；单相接地电弧熄灭后，容易导致电压互感器的铁芯饱和。谐振现象、单相接地故障、积极单相接地短路电流电弧熄灭等，均可能引起电压互感器严重误差。在中性点不接地系统中，发生单相接地时非故障相对地电压上升到根号三倍，因单相短路接地时可带故障运行两小时，电压互感器不但误差很大而且导致过热损坏。（2）电流互感器误差。正常运行中的电流互感器产生剩磁是一种普遍存在的现象。正常工况下，剩磁不会自动消失，滞留在磁心中产生磁滞。对于长期运行的电流互感器，磁滞对测量和保护电流互感器的性能都会产生影响，使电流互感器的误差，严重时，将导致电能计量错误、继电保护误动和拒动等事故。（3）铁磁谐振。铁磁谐振是由于铁磁心的非线性特性等原因，电压互感器磁芯饱和之后发生持续性的谐振过电压现象。如果线路所带负荷呈较大感性负荷，同时带有大容量的深井泵。当系统电压出现波动或持续性谐波，电路中电流或电压发生突变，可能导致电压互感器铁心迅速饱和、感抗减小，当感抗小于容抗时，就有可能产生铁磁谐振。铁磁谐振会导致电压互感器产生很大的激磁电流和电压突变。严重时，将导致磁心的温度迅速升高，导致电压互感器烧坏。

5互感器技术的发展趋势

近年来，一种新型的光电式互感器(OCT)技术引起关注，国内外的高等院校，科研单位、制造商投入大量的资金和科研人员在不断地开发和研制各种电压等级的光电式电流互感器。光电式互感器是利用法拉第磁光效应，即当线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，其偏振面会发生旋转，旋转角与平行于光线方向的磁场有线性关系，利用这一原理来测量被测短路电流等信息[5]。光电互感器具有以下优点：体积小，绝缘结构简单；无铁芯、无磁饱和及铁磁谐振引发的问题；具有良好的抗电磁干扰性，不会有低压侧开路出现高电压的危险；频率响应范围宽，动态范围大，测量准确度高；不充油，无燃烧、爆炸等危险；光电式互感器是能顺应电力计量与保护的数字化、微机化和自动化的新型互感器技术。但是光电式互感器技术仍有很多不足之处。其一，测量小电流时，法拉第旋转角非常小，而传感器的灵敏度有限，测信号被噪声所淹没，导致光电式互感器输出读数波动较大，线性度较差，准确度也略超出计量要求；其二，温度应力等外界因素引起的光在介质中产生双折射现象，也是降低了检测灵敏度的一大因素；其三，机械振动温度变化等因素都会引起输出光强的变化，以及传输输入光信号的光纤所表现出的偏振特性受到应力温度等因素影响，而产生部分偏振，使输入光信号进入偏振器后因为消偏而引起光强波动，导致互感器测量误差。可以看出，光电式互感器将是未来互感技术的主流，但是互感器存在不足之处，需要继续投入分析和研究。

6结语

互感器技术是继电保护的基础，在继电保护工作中占据重要地位。但由于现有的互感器仍有很多不足之处，致使继电保护工作事故时有发生，或需要投入大量运检人工，才能确保电网保护正常运行。新型电子式互感器因其线性特性好、误差小、受环境影响低等优点，将会是电磁式互感器技术的理想替代品。本文意在给广大电力工作者和相关专业讲述现有互感器技术在继电保护工作中的应用，讨论了电磁式互感器的不足，介绍了新式光电互感器技术的发展现状，呼吁广大技术人员积极投入互感器技术的研究和创新，为智能电网发展提供支持。

【参考文献】

[1]周迁.剩磁对电流互感器误差的影响[J].通信电源技术，2018，35(12)：32-33.

[2]刘天晓，晁岳振，杨绍辉.浅谈当前电力系统继电保护运行维护与应用[J].山东工业技术，2019(7)：209.

[3]杨飞.分析智能变电站继电保护检测和调试技术[J].科技与创新，2019(15)：79-80.

[4]吴路明，薛明军，陈琦，等.一起电子互感器异常引发的复杂发展性故障分析及改进[J].华电技术，2020，42(6)：10-15，30.

[5]张鹏，王玮，徐丙垠，等.模拟光电式电流互感器的频率特性分析[J].电力自动化设备，2020，40(2):42-48.

作者：张良武 胡帅 金龙 王廷旺 袁焕炯 单位：国网新疆电力有限公司检修公司 国网新疆电力科学研究院 广州市仟顺电子设备有限公司