DQZHAN訊：RTDS的電流互感器模型及其飽和特性研究

摘要：對(duì)RTDS電流互感器模型的電路結(jié)構(gòu)和計(jì)算回路進(jìn)行了深入分析，并對(duì)其穩(wěn)態(tài)飽和和暫態(tài)飽和特性進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明RTDS的電流互感器模型能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)電流互感器的各種飽和特性，符合繼電保護(hù)電流互感器飽和動(dòng)模試驗(yàn)要求。

關(guān)鍵詞：電流互感器;飽和;RTDS仿真;動(dòng)模試驗(yàn)

0 引言

在電力系統(tǒng)中，為了獲取一次系統(tǒng)中的電流數(shù)據(jù)，需要在一次系統(tǒng)中接入電流互感器，將一次系統(tǒng)中的大電流變換為二次系統(tǒng)中的小電流或數(shù)字信號(hào)，并將一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)進(jìn)行隔離。目前電磁型電流互感器是應(yīng)用*為廣泛的電流互感器，由于鐵磁物質(zhì)的磁通不能無(wú)限制提高，因此在電流互感器飽和的情況下，電流互感器傳變的二次電流將出現(xiàn)畸變，嚴(yán)重影響繼電保護(hù)尤其是差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作性能。為此電流互感器飽和試驗(yàn)項(xiàng)目一直是繼電保護(hù)動(dòng)模試驗(yàn)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。

RTDS(Real Time Digital Simulator)是國(guó)際上研制和投入商業(yè)化應(yīng)用*早的數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置，目前已被廣泛應(yīng)用于交直流電力系統(tǒng)仿真試驗(yàn)、研究、故障分析和人員培訓(xùn)等領(lǐng)域，尤其是在電力系統(tǒng)動(dòng)模試驗(yàn)中，由于其仿真精度高、建模方便、重現(xiàn)性好等特點(diǎn)，已替代原有的物理仿真而成為主要的動(dòng)模試驗(yàn)工具。

本文對(duì)RTDS的電流互感器模型原理及其飽和特性進(jìn)行了相應(yīng)的分析研究，驗(yàn)證了RTDS的電流互感器模型的正確性，在RTDS上進(jìn)行電流互感器飽和試驗(yàn)是可行的。

1 RTDS簡(jiǎn)介

RTDS由建模軟件(RSCAD)、計(jì)算處理和接口等硬件設(shè)備組成，包括配套的工作站或微機(jī)，可以連續(xù)和實(shí)時(shí)地模擬電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)現(xiàn)象，典型的仿真步長(zhǎng)為50 us。由于RTDS能夠維持實(shí)時(shí)條件下的連續(xù)運(yùn)行，實(shí)際的控制保護(hù)設(shè)備就可以連接到RTDS進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)以分析和研究控制保護(hù)設(shè)備的性能。

RTDS的用戶和RTDS仿真系統(tǒng)間的所有互動(dòng)都是通過(guò)基于Java技術(shù)的RSCAD(Real time Simulator CAD)用戶界面軟件來(lái)完成。RSCAD軟件主要包括Draft、Runtime、TLine/Cable和Multiplot等模塊。

Draft模塊是建模處理的模塊，用來(lái)搭建需要仿真的電力系統(tǒng)的接線圖并完成相關(guān)參數(shù)的輸入，一旦接線圖的組建和數(shù)據(jù)輸入完成，用戶可以將其存盤并編譯用于仿真的運(yùn)行。

Runtime模塊是運(yùn)行模塊，RTDS仿真系統(tǒng)必須它才能運(yùn)行，仿真時(shí)用戶可以用表計(jì)、圖標(biāo)和圖形監(jiān)視感興趣的系統(tǒng)參量。

TLine/Cable模塊用于定義與架空輸電線和地下電纜有關(guān)的參數(shù)文件，能以實(shí)際幾何參數(shù)的格式或是集中參數(shù)的方式輸入交直流線路及電纜的參數(shù)。

Multiplot模塊用于RTDS仿真結(jié)果的后處理和分析。在Multiplot模塊中有一些格式化和分析的功能，如：圖形的縮放功能、曲線計(jì)算(帶算術(shù)和三角函數(shù))、單相和三相傅里葉分析、諧波失真分析等。

2 RTDS的電流互感器模型[1]

RTDS中電流互感器模型主要分為單相模型和三相模型，同時(shí)為了滿足低阻抗差動(dòng)保護(hù)和高阻抗差動(dòng)保護(hù)測(cè)試的需要，還有4CT模型和6CT模型。電流互感器模型的計(jì)算結(jié)果不會(huì)影響一次系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果。

RTDS的三相電流互感器模型在單相模型的基礎(chǔ)上，考慮了多個(gè)電流互感器的相互影響。與實(shí)際的電力系統(tǒng)中的應(yīng)用一樣，RTDS的電流互感器三相模型采用Y型接法或D型接法，其Y型簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示，D型接法以此類推。圖中，CT_A，CT_B，CT_C分別為ABC三相電流互感器，Rsec為電流互感器二次側(cè)等值電阻，Lsec為電流互感器二次側(cè)等值電抗。

圖1 三相電流互感器Y接模型電路結(jié)構(gòu)圖

RTDS采用可變電流源來(lái)建立電流互感器計(jì)算模型，其中模擬激磁支路飽和特性和鐵芯損耗的非線性支路分別用不同的電流源來(lái)模擬。圖2是RTDS中基于上述電流源處理方法建立的電流互感器計(jì)算模型。圖中，Isec為理想傳變時(shí)的電流互感器二次側(cè)電流，Imag為電流互感器的激磁電流，Ymag為電流互感器的激磁回路等值電納，Iloss為電流互感器的損耗電流，Gloss為電流互感器的等值損耗電導(dǎo)，Lsec和Rsec分別為電流互感器二次側(cè)等值電感和電阻，IBUR為實(shí)際從電流互感器二次側(cè)得到的電流。

圖2 電流互感器模型計(jì)算電路圖

圖中，Imag和Iloss部分模擬電流互感器磁芯的非線性效應(yīng)，分別對(duì)應(yīng)磁芯飽和特性和鐵芯損耗(含渦流損耗和磁滯損耗)。其中，飽和特性與鐵芯所用材料有關(guān)，對(duì)于簡(jiǎn)單的電流互感器模型，其飽和特性可用式1表示：

H(t)= B1×B(t)+ B2×B35(t) (1)

式中的**項(xiàng)B1×B(t)為線性項(xiàng)，代表變壓器的B-H特性不飽和部分;**項(xiàng)B2×B35(t)為非線性項(xiàng)，用來(lái)模擬B-H特性曲線的飽和段。只要恰當(dāng)?shù)剡x擇系數(shù)B1和B2，式(1)可以很好地表示真實(shí)的磁化特性。用戶可以在仿真前給出B-H曲線上的一些數(shù)據(jù)點(diǎn)，RTDS將通過(guò)*小二乘法進(jìn)行曲線擬合，從而得到系數(shù)B1，B2 的值。

電流互感器的鐵芯損耗也需要進(jìn)行模擬。鐵芯損耗通常包括磁滯損耗和渦流損耗，一般很難通過(guò)測(cè)量確定鐵芯損耗哪些是由于磁滯引起，哪些是由于渦流引起。因此通常將二者統(tǒng)一考慮。圖2中是采用1個(gè)電導(dǎo)元件支路(Gloss)來(lái)表示鐵芯損耗。

給定鐵芯迭片厚度、工作頻率以及正弦交變磁通密度的峰值，可以測(cè)量鐵芯損耗。和B-H特性不同的是，鐵芯損耗不僅與鐵磁材料有關(guān)，還與互感器的設(shè)計(jì)有關(guān)。決定鐵芯損耗的主要因素包括鐵芯迭片厚度、工作頻率以及交變磁通密度Bmax的峰值。通常制造商都會(huì)提供這些參數(shù)取不同數(shù)值時(shí)鐵芯損耗試驗(yàn)曲線(每千克或者單位體積)。從這樣一組曲線可以得到比較合適的電導(dǎo)Gloss數(shù)值。

對(duì)于給定的鐵芯迭片厚度，和固定的磁通交變頻率，功率損耗密度PL(W/kg或者W/m3)就是磁通密度的函數(shù)，即：PL=f(Bmax)。這個(gè)函數(shù)可以采用式(2)來(lái)近似表達(dá)：

, (2)

用戶需要定義PL- Bmax曲線上的10個(gè)點(diǎn)，RTDS通過(guò)曲線擬合得出系數(shù)G1。圖2中的電導(dǎo)Gloss可以看著是G1的函數(shù)。

3 電流互感器飽和特性分類

電流互感器的飽和大體可以分為兩類：穩(wěn)態(tài)飽和和暫態(tài)飽和。

穩(wěn)態(tài)飽和指電流互感器中通過(guò)對(duì)稱短路電流出現(xiàn)的飽和情況，其特征為飽和波形的正負(fù)半波大體對(duì)稱，線性時(shí)間小于5 ms(1/4周波)，其波形形態(tài)主要與電流互感器的二次負(fù)載特性相關(guān)。

暫態(tài)飽和是由于短路電流中的非周期分量引起的，由于鐵磁材料的特性，非周期分量電流將導(dǎo)致電流互感器的鐵心磁通向單方向偏移，當(dāng)累積的鐵心磁通超過(guò)電流互感器設(shè)計(jì)的*大磁通時(shí)，電流互感器將進(jìn)入飽和，由于短路電流的非周期分量的衰減特性，這種飽和通常只存在一段時(shí)間，因此被稱為暫態(tài)飽和。

4 RTDS的電流互感器飽和波形分析

4.1 穩(wěn)態(tài)飽和

根據(jù)電流互感器二次側(cè)所接負(fù)荷性質(zhì)的不同，二次電流波形應(yīng)表現(xiàn)出不同的畸變特征。

如果電流互感器二次負(fù)荷為純電阻，在鐵芯磁通達(dá)到飽和后，一次電流將用于維持鐵芯的飽和狀態(tài)，二次電流立即下降為零，并將一直維持到勵(lì)磁電流降為零。在一次電流為零時(shí)，二次電動(dòng)勢(shì)將反相，磁通開始從飽和狀態(tài)以未飽和時(shí)的相同速率下降，該變化將一直持續(xù)到鐵芯的再次反相達(dá)到飽和，使二次電流再次下降為零，并維持到該值再次過(guò)零時(shí)。該情況下的RTDS電流互感器飽和波形如圖3所示。

圖3 二次負(fù)荷為純電阻時(shí)的穩(wěn)態(tài)飽和波形(橫坐標(biāo)單位 時(shí)間/ms，縱坐標(biāo)單位電流/A)

如果電流互感器二次負(fù)荷為純電感，在鐵芯磁通達(dá)到飽和后，二次電動(dòng)勢(shì)為零，而此時(shí)二次電流值保持恒定，等于飽和瞬時(shí)值。當(dāng)一次電流降到飽和發(fā)生時(shí)的幅值，勵(lì)磁電流重新為零，鐵芯磁通退出飽和并反向變化，直至反向飽和。該情況下的RTDS電流互感器飽和波形變化情況如圖4所示。

圖4 二次負(fù)荷為純電感時(shí)穩(wěn)態(tài)飽和情況(橫坐標(biāo)單位 時(shí)間/ms，縱坐標(biāo)單位 電流/A)

如果電流互感器二次負(fù)荷為阻抗，在鐵芯磁通達(dá)到飽和后，二次電流值既不會(huì)維持恒定，也不會(huì)突降為零，而是按指數(shù)規(guī)律衰減，當(dāng)勵(lì)磁電流重新為零時(shí)，鐵芯磁通退出飽和并開始反向變化，直至反向飽和。該情況下的RTDS電流互感器飽和波形變化情況如圖5所示。

圖5 二次負(fù)荷為阻抗時(shí)穩(wěn)態(tài)飽和情況(橫坐標(biāo)單位 時(shí)間/ms，縱坐標(biāo)單位 電流/A)

4.2 暫態(tài)飽和

電流互感器的暫態(tài)飽和時(shí)一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它受諸多因數(shù)的影響，主要有：一次短路電流的大小和偏移程度，一次回路和二次回路的時(shí)間常數(shù)，電流互感器二次側(cè)所接負(fù)荷的情況，電流互感器剩磁的大小和方向等。

在暫態(tài)過(guò)程中，一次電流一般都會(huì)含有一定的非周期分量，對(duì)電流互感器的暫態(tài)特性造成不利影響。分析電流互感器的暫態(tài)飽和可分為兩種情況：一種是飽和磁通小于穩(wěn)態(tài)周期分量磁通，該情況下一般在短路后的**個(gè)半波就開始飽和;另一種情況是飽和磁通大于穩(wěn)態(tài)周期磁通，但由于磁通中非周期分量的影響而導(dǎo)致飽和，此種情況下一般是在短路后發(fā)生幾個(gè)半波后開始飽和。

這兩種情況的RTDS電流互感器飽和波形變化情況如圖6所示。

圖6 飽和磁通小于周期分量磁通時(shí)的暫態(tài)飽和波形(橫坐標(biāo)單位 時(shí)間/ms，縱坐標(biāo)單位 電流/A)

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了RTDS仿真系統(tǒng)的構(gòu)成，對(duì)RTDS中的電流互感器模型的等值電路和仿真原理進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，*后通過(guò)對(duì)RTDS中的電流互感器模型的穩(wěn)態(tài)飽和和暫態(tài)飽和仿真分析，驗(yàn)證了RTDS中的電流互感器模型能準(zhǔn)確仿真實(shí)際電流互感器的飽和特性，可用于對(duì)繼電保護(hù)的抗電流互感器飽和性能試驗(yàn)。