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RTDS的电流互感器模型及其饱和特性研究

摘要:对RTDS电流互感器模型的电路结构和计算回路进行了深入分析,并对其稳态饱和和暂态饱和特性进行了仿真试验,结果表明RTDS的电流互感器模型能够准确体现电流互感器的各种饱和特性,符合继电保护电流互感器饱和动模试验要求。

关键词:电流互感器;饱和;RTDS仿真;动模试验

0 引言

在电力系统中,为了获取一次系统中的电流数据,需要在一次系统中接入电流互感器,将一次系统中的大电流变换为二次系统中的小电流或数字信号,并将一次系统和二次系统进行隔离。目前电磁型电流互感器是应用最为广泛的电流互感器,由于铁磁物质的磁通不能无限制提高,因此在电流互感器饱和的情况下,电流互感器传变的二次电流将出现畸变,严重影响继电保护尤其是差动保护的动作性能。为此电流互感器饱和试验项目一直是继电保护动模试验的重点项目之一。

RTDS(Real Time Digital Simulator)是国际上研制和投入商业化应用最早的数字实时仿真装置,目前已被广泛应用于交直流电力系统仿真试验、研究、故障分析和人员培训等领域,尤其是在电力系统动模试验中,由于其仿真精度高、建模方便、重现性好等特点,已替代原有的物理仿真而成为主要的动模试验工具。

本文对RTDS的电流互感器模型原理及其饱和特性进行了相应的分析研究,验证了RTDS的电流互感器模型的正确性,在RTDS上进行电流互感器饱和试验是可行的。

1 RTDS简介

RTDS由建模软件(RSCAD)、计算处理和接口等硬件设备组成,包括配套的工作站或微机,可以连续和实时地模拟电力系统的电磁暂态和机电暂态现象,典型的仿真步长为50 us。由于RTDS能够维持实时条件下的连续运行,实际的控制保护设备就可以连接到RTDS进行闭环试验以分析和研究控制保护设备的性能。

RTDS的用户和RTDS仿真系统间的所有互动都是通过基于Java技术的RSCAD(Real time Simulator CAD)用户界面软件来完成。RSCAD软件主要包括Draft、Runtime、TLine/Cable和Multiplot等模块。

Draft模块是建模处理的模块,用来搭建需要仿真的电力系统的接线图并完成相关参数的输入,一旦接线图的组建和数据输入完成,用户可以将其存盘并编译用于仿真的运行。

Runtime模块是运行模块,RTDS仿真系统必须它才能运行,仿真时用户可以用表计、图标和图形监视感兴趣的系统参量。

TLine/Cable模块用于定义与架空输电线和地下电缆有关的参数文件,能以实际几何参数的格式或是集中参数的方式输入交直流线路及电缆的参数。

Multiplot模块用于RTDS仿真结果的后处理和分析。在Multiplot模块中有一些格式化和分析的功能,如:图形的缩放功能、曲线计算(带算术和三角函数)、单相和三相傅里叶分析、谐波失真分析等。

2 RTDS的电流互感器模型[1]

RTDS中电流互感器模型主要分为单相模型和三相模型,同时为了满足低阻抗差动保护和高阻抗差动保护测试的需要,还有4CT模型和6CT模型。电流互感器模型的计算结果不会影响一次系统的计算结果。

RTDS的三相电流互感器模型在单相模型的基础上,考虑了多个电流互感器的相互影响。与实际的电力系统中的应用一样,RTDS的电流互感器三相模型采用Y型接法或D型接法,其Y型简化结构如图1所示,D型接法以此类推。图中,CT_A,CT_B,CT_C分别为ABC三相电流互感器,Rsec为电流互感器二次侧等值电阻,Lsec为电流互感器二次侧等值电抗。


图1 三相电流互感器Y接模型电路结构图

RTDS采用可变电流源来建立电流互感器计算模型,其中模拟激磁支路饱和特性和铁芯损耗的非线性支路分别用不同的电流源来模拟。图2是RTDS中基于上述电流源处理方法建立的电流互感器计算模型。图中,Isec为理想传变时的电流互感器二次侧电流,Imag为电流互感器的激磁电流,Ymag为电流互感器的激磁回路等值电纳,Iloss为电流互感器的损耗电流,Gloss为电流互感器的等值损耗电导,Lsec和Rsec分别为电流互感器二次侧等值电感和电阻,IBUR为实际从电流互感器二次侧得到的电流。


图2 电流互感器模型计算电路图

图中,Imag和Iloss部分模拟电流互感器磁芯的非线性效应,分别对应磁芯饱和特性和铁芯损耗(含涡流损耗和磁滞损耗)。其中,饱和特性与铁芯所用材料有关,对于简单的电流互感器模型,其饱和特性可用式1表示:

H(t)= B1×B(t)+ B2×B35(t) (1)

式中的第一项B1×B(t)为线性项,代表变压器的B-H特性不饱和部分;第二项B2×B35(t)为非线性项,用来模拟B-H特性曲线的饱和段。只要恰当地选择系数B1和B2,式(1)可以很好地表示真实的磁化特性。用户可以在仿真前给出B-H曲线上的一些数据点,RTDS将通过最小二乘法进行曲线拟合,从而得到系数B1,B2 的值。

电流互感器的铁芯损耗也需要进行模拟。铁芯损耗通常包括磁滞损耗和涡流损耗,一般很难通过测量确定铁芯损耗哪些是由于磁滞引起,哪些是由于涡流引起。因此通常将二者统一考虑。图2中是采用1个电导元件支路(Gloss)来表示铁芯损耗。

给定铁芯迭片厚度、工作频率以及正弦交变磁通密度的峰值,可以测量铁芯损耗。和B-H特性不同的是,铁芯损耗不仅与铁磁材料有关,还与互感器的设计有关。决定铁芯损耗的主要因素包括铁芯迭片厚度、工作频率以及交变磁通密度Bmax的峰值。通常制造商都会提供这些参数取不同数值时铁芯损耗试验曲线(每千克或者单位体积)。从这样一组曲线可以得到比较合适的电导Gloss数值。

对于给定的铁芯迭片厚度,和固定的磁通交变频率,功率损耗密度PL(W/kg或者W/m3)就是磁通密度的函数,即:PL=f(Bmax)。这个函数可以采用式(2)来近似表达:

, (2)

用户需要定义PL- Bmax曲线上的10个点,RTDS通过曲线拟合得出系数G1。图2中的电导Gloss可以看着是G1的函数。

3 电流互感器饱和特性分类

电流互感器的饱和大体可以分为两类:稳态饱和和暂态饱和。

稳态饱和指电流互感器中通过对称短路电流出现的饱和情况,其特征为饱和波形的正负半波大体对称,线性时间小于5 ms(1/4周波),其波形形态主要与电流互感器的二次负载特性相关。

暂态饱和是由于短路电流中的非周期分量引起的,由于铁磁材料的特性,非周期分量电流将导致电流互感器的铁心磁通向单方向偏移,当累积的铁心磁通超过电流互感器设计的最大磁通时,电流互感器将进入饱和,由于短路电流的非周期分量的衰减特性,这种饱和通常只存在一段时间,因此被称为暂态饱和。

4 RTDS的电流互感器饱和波形分析

4.1 稳态饱和

根据电流互感器二次侧所接负荷性质的不同,二次电流波形应表现出不同的畸变特征。

如果电流互感器二次负荷为纯电阻,在铁芯磁通达到饱和后,一次电流将用于维持铁芯的饱和状态,二次电流立即下降为零,并将一直维持到励磁电流降为零。在一次电流为零时,二次电动势将反相,磁通开始从饱和状态以未饱和时的相同速率下降,该变化将一直持续到铁芯的再次反相达到饱和,使二次电流再次下降为零,并维持到该值再次过零时。该情况下的RTDS电流互感器饱和波形如图3所示。


图3 二次负荷为纯电阻时的稳态饱和波形(横坐标单位 时间/ms,纵坐标单位电流/A)

如果电流互感器二次负荷为纯电感,在铁芯磁通达到饱和后,二次电动势为零,而此时二次电流值保持恒定,等于饱和瞬时值。当一次电流降到饱和发生时的幅值,励磁电流重新为零,铁芯磁通退出饱和并反向变化,直至反向饱和。该情况下的RTDS电流互感器饱和波形变化情况如图4所示。


图4 二次负荷为纯电感时稳态饱和情况(横坐标单位 时间/ms,纵坐标单位 电流/A)

如果电流互感器二次负荷为阻抗,在铁芯磁通达到饱和后,二次电流值既不会维持恒定,也不会突降为零,而是按指数规律衰减,当励磁电流重新为零时,铁芯磁通退出饱和并开始反向变化,直至反向饱和。该情况下的RTDS电流互感器饱和波形变化情况如图5所示。


图5 二次负荷为阻抗时稳态饱和情况(横坐标单位 时间/ms,纵坐标单位 电流/A)

4.2 暂态饱和

电流互感器的暂态饱和时一个非常复杂的过程,它受诸多因数的影响,主要有:一次短路电流的大小和偏移程度,一次回路和二次回路的时间常数,电流互感器二次侧所接负荷的情况,电流互感器剩磁的大小和方向等。

在暂态过程中,一次电流一般都会含有一定的非周期分量,对电流互感器的暂态特性造成不利影响。分析电流互感器的暂态饱和可分为两种情况:一种是饱和磁通小于稳态周期分量磁通,该情况下一般在短路后的第一个半波就开始饱和;另一种情况是饱和磁通大于稳态周期磁通,但由于磁通中非周期分量的影响而导致饱和,此种情况下一般是在短路后发生几个半波后开始饱和。

这两种情况的RTDS电流互感器饱和波形变化情况如图6所示。


图6 饱和磁通小于周期分量磁通时的暂态饱和波形(横坐标单位 时间/ms,纵坐标单位 电流/A)

5 结语

本文介绍了RTDS仿真系统的构成,对RTDS中的电流互感器模型的等值电路和仿真原理进行了详细的研究和分析,最后通过对RTDS中的电流互感器模型的稳态饱和和暂态饱和仿真分析,验证了RTDS中的电流互感器模型能准确仿真实际电流互感器的饱和特性,可用于对继电保护的抗电流互感器饱和性能试验。

参考文献:www.bojingchina.com摘自北极星电力网

[1] 孙海顺,庄良文,王 伟,等. 基于RTDS的电力系统(交流部分)模型的建立与审定[R]. 河南:许昌开普电器检测研究院,2005.

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点击次数:  发布日期:2015-09-14  【打印此页】  【关闭

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