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1、ICS29.180CCSK41OB中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB/Z20840.1002023互感器第100部分：电力系统保护用电流互感器应用导则InstrumenttransformersPart100zGuidanceforapplicationofcurrenttransformersinpowersystemprotection(IECTR61869-100:2017,MOD)2024-07-01实施2023-12-28发布国家市场监督管理总局妗本国家标准化管理委员会及伟目次前言V引言VO1范围12规范性引用文件13术语、定义和符号14电流互感器设计过程中的责任51.1 历
2、史51.2 电流互感器设计过程细分55 暂态设计的基本理论方程65.1 电路65.2 暂态现象IO6 工作循环146.1 C-O工作循环146.2 C-O-C-O工作循环386.3 暂态设计汇总427暂态面积系数KU的数值计算法431.1 概述431.2 基本电路441.3 算法451.4 计算方法451.5 参考算例468 铁芯饱和与剩磁498.1 饱和的常规定义498.2 有气隙铁芯与无气隙铁芯528.3 产生剩磁可能的原因549 实用性建议579.1 同一绕组规定不同PR准确级的风险579.2 TPY级暂态面积系数KU对相位差）和二次回路时间常数T,的限制5710不同准确级之间的关系57
3、10.1 概述5710.2 极限条件下的电动势计算5810.3 极限条件下励磁（或磁化）电流的计算5810.4 应用示例5910.5 准确级规范的最低要求5910.6 用有气隙铁芯代替无气隙铁芯6011保护功能及其对CT规范的修正6111.1 概述6111.2 一般应用建议61113过流保护：ANSI代码：505150N51N/67/67N;IEC符号：16411.4 距离保护：ANSI编码：2121N;IEC符号：ZT。、T3）:用数字CT仿真（软件）和继电保护装置（硬件）测试验证第一次的结果。如有必要，则修正Ks和K并包括安全系数；在继电保护说明书中公布最不利故障情况下的参数要求。因此，暂
4、态系数K（从继保的角度）就转变为暂态面积系数KU（从CT尺寸和结构的角度），这里K包含了安全裕度M:KU=KtxMo测试之后，如果测试结果与计算结果有偏差，则K可不由最初的KU决定。注：保护装置制造商通常使用整套的系统IED（软件和硬件）进行测试，得出总暂态面积系数K作为电流互感器的参数要求而发布。根据保护功能和应用情况，该系数考虑了达到饱和所得的最小时间、剩磁系数以及其他因素。在这些测试中，故障初始角涵盖整个的定义区间，不仅限于理论上的最不利情况。更详细的信息参见8.2。项目设计；考虑继电保护说明书中对电流互感器的要求：用IT,找出本项目电网中短路电流的最不利情形，核实说明书中是否考虑了这些
5、情形；一计第出额定一次电流Im、K、负荷R,等参数，应用继电保护说明书中的KU确定所窗的电流互感器参数；-CT制造商可直接应用这些规定的参数设计CT,而不考虑ra、t”。、ttr.T,等参数。为了兼容GB16847,或者，计算出Ka、t”a、八tr、T,、T,)直接用作KU而不经测试，其责任由项目相关方承担：-计算额定一次电流Im、K、负荷R,等系统参数，并规定所需的电流互感器参数(准确级、Ctf、tr、Tp);一电流互感器制造商可计算出以ta、ta、r、ir、T,为函数的Ku,K=Ku0电流互感器设计中宜考虑的更详细的电路图如图3所示，该电路包括：用等效短路电路表示的一次系统；-电流互感器(
6、CT):一作为负荷的保护装置。一次短路电流直流分量的时间常数：To=1.oR,=Xo/(oRp)标引符号说明：io1次电流；im磁化电流；i,二次电流；1.额定变比：1.u电流互感器非线性电感：1.p一次电路电感：R,额定电阻性负荷：Ra二次绕组电阻：R,次电路阻抗的电阻分量；u一次电压；U1相间运行电压；X,一一次电路阻抗的掇性分量；W角频率。图3完整电气回路按照GB/T15544.1-2023,一次等效短路电路图代表整个一次电路，引入一次短路电流i。(I),该电流由交流分量和直流分量组成，如图4所示，其中直流分量随一次时间常数T,呈指数衰减。为简化起见，这里只讨论远离电源点的短路。标引符号
7、说明：io1次电流；I额定一次短路电流：e自然对数的底；t-时间；To规定的一次时间常数：卜根据GB/T15544.12023计算峰值短路电流的系数。如果T,趋于时，则k达到它的最大值k=20图4一次短路电流在GB/T20840.2中，Ia的标准值规定为Im的2.5倍。该值并没有严格对应于最不利情况下的值2kIp,即2.83Ip例如：在50HZ下，系数k=2.52=1.77仅对应于X2/R,为11且T,为35ms时的值。5.1.23E互感器电流互感器用额定变比k、非线性电感1.a及其磁化曲线和绕组电阻R4表示。图5给出了一个典型的CT铁芯随时间变化的磁化曲线，即非线性电感1.a中的磁通巾与磁化
8、（励磁）电流im（t）之间的关系（由图3电路获得），采用间接法测得（一次端开路，从二次端励磁和测量）。如果施加额定频率（如50HZ）的电压，则灰色曲线是不同幅值的稳态励磁测量结果。如果用直流电压对退磁的CT铁芯进行励磁（见GB/T20840.2的直流法），则结果为红色曲线。如果直流电压对具有正向剩磁的铁芯进行励磁，则结果是蓝色的初始曲线（参见图51）。直流与交流励磁曲线的主要区别在于交流情况下涡流较大。这些测量显示磁化曲线具有以下特征有陡峭的线性部分，被磁饱和所限制：由于磁滞现象，有不重合的上升和下降段的曲线。结果显示是一条模糊不清的曲线（见图5）,它取决于频率和初始状态。直流（最大剩磁）标引
9、符号说明：亚一一电流互感器铁芯的磁通：im磁化电流t时间。图51.Cr的非线性磁通非线性特性非常难描述，有必要作简化处理。因此，第一步忽略磁滞效应，将磁化特性简化为通过原点存在饱和段的曲线，如图6中的虚线所示。第二步，忽略铁芯磁化特性曲线的饱和段，这条曲线通常可用一个恒定电感1.n的简化模型表示，1.m为磁化曲线线性部分的斜率，如图6的红色实线所示。标引符号说明：业一一电流互感器铁芯的磁通;im磁化电流：1.m线性化励磁电感：t时间。图6电波互感器的线性化励磁电感上述简化的线性分析理论可归纳为以下两步：忽略磁滞现象；忽略饱和。该简化的线性分析理论只能正确描述以下磁化行为：没有剩磁的退磁铁芯，或
10、者剩磁显著降低的带气隙铁芯；一在到达第一次饱和的时间之前，或到达准确限值规定时间t之前。5.2 衡初照5.21 廨在图7中，采用非线性模型对其短路特性进行了仿真，具体配置如下：电流互感器参数：500/1A,2.5VA,5P20,R=2Q,实际负荷等于额定负荷;系统参数：I=IOkA=20Im,T,=50ms。GB/Z20840.1002023t/sPdem(I)4mag(1)标引符号说明：Io-电流；isdm一预先退磁铁芯中的二次电流；i.mg预先磁化铁芯中的二次电流；k,一一额定变比：t时间；t,ldm预先退磁铁芯中最大可能的1值：fm.msg=预先磁化铁芯中最大可能的t值；亚一一电流互感器
11、铁芯的磁通：Tm=预先退磁铁芯中的磁通：业mg预先磁化铁芯中的磁通。图7用非线性模型仿真的单相短路特性图7仿真的是A相具有最大直流分量且交流分量T,为20倍额定一次电流I。该Cr为保护级5P20,是按照直流分量衰减后对称稳态电流设计。然而，无论铁芯是否退磁，由于直流分量的存在，在故障发生后短时内即出现饱和。因此，需要具有额外暂态面积系数KU的暂态特性CT准确级TPX、TPY.TPZo仿真起始于一个退磁的CT铁芯（蓝线）和一个饱和铁芯（90%剩磁，红线）。图7最上面的图形给出了磁通亚与磁化电流im的关系。它具有磁滞和饱和特性。由于铁芯饱和，磁通只能在正和负的限值之间交替变化。起始于无剩磁（去磁）
12、的CT铁芯在tlam=6.5ms时达到第一次饱和。而有剩磁铁芯在更早的时间tlmg=3ms时达到第一次饱和。在某些情况下，这可能会导致一些保护装置误动，如差动保护。而在其他情况下，如过流保护，就不会产生误动，但这可能导致保护系统的反应变慢。应用带气隙的铁芯可很容易地避免剩磁对某些保护功能的负面影响。在这种情况下，为了简化，可忽略磁滞现象（第一步简化）,从保护功能的角度考虑，对CT二次电流信号质量的要求由准确限值时间t给出。该值定义为第一次故障发生后的最小不饱和时段。在此区间内，磁通应在磁化曲线的线性段，由保护功能决定是否跳闸。第一次饱和之后的时间不在此考虑范围之内。根据要求的时间ta,暂态系数
13、K和暂态面积系数KU可分别通过计算和/或继电保护测试来确定（见第6章）。所以，针对此目的，仅关注励磁曲线的线性段。可通过忽略饱和（第二步简化）将物理问题进一步降低并简化为线性问题。利用线性问题中的恒定电感1.m,微分方程式（D可用合适的数学方法求解。5.22故瘴初始角在图7的单相退磁铁芯仿真计算中，选择个故障接通角来获得最高的直流分量，据此得到准确限值规定时间t约为6.5mso宜注意的是，这个t值只对一相短路有效。在多相短路的情况下，还宜考虑其他相。在相同条件下，对上述仿真进行相应的补充。在图8中，A相的直流分量最高，而B相、C相的直流分量则较低。尽管如此，仍然可看到B相（f5ms）比A相更早出现饱和。因此，有必要进一步详细考虑故障初始角或接通角的变动对铁芯饱和的影响。标引符说明：i电流；i一次电流；is二次电流：k1额定变比;t时间。图8三相短路特性5.2.3微分方程基于上述两步简化，用线性物理问题中的恒定电感1.m代替图3中的1.Cr,磁化电流im和一次电流iO(t)的一阶线性微分方程可写成式(1):T+皿空1.(0)-0磁化特性可用二次匝链磁通的解析式表达为式(2):3E(t)=1.mim(t)(1)(2)磁通包含暂态部分(由一次短路电流的直流分量引起)和稳态交流部分。图9以简化的形式给出了这些部分。标引符号说明：
