一种电流互感器工作状态监控系统及其控制方法与流程

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种电流互感器工作状态监控系统及其控制方法。

背景技术：

在电力系统中，发电机、变压器、电动机等重要元件上均安装了专用的保护级电流互感器（简称CT），常见型号如5P30，用来给继电保护装置提供二次电流，以便继电保护装置能够监测到故障，及时跳闸并隔离故障，保护电力系统的安全运行，但在实际工程应用中，经常出现故障后由于短路电流太大导致CT饱和，饱和后的CT无法有效的将一次电流信息传变到二次回路，导致继电保护装置判断错误，未能正确动作，导致电力系统的变压器、发电机等重要元件烧毁。另外，运行中的CT二次回路由于多种原因，导致出现开路，CT二次回路开路后由于无二次电流的去磁，在较小的一次电流作用下铁心即可进入饱和区，随着一次电流的波动，在CT二次绕组上感应出高峰值的电压，容易导致二次回路上的端子排击穿烧毁、起火以及继电保护、测量仪表等设备损坏。铁心饱和时，因磁通密度的增加和磁通的非正弦性，硅钢片振动力加大，将产生较大的噪声，同时铁心的铁损增大，铁心过热，CT的温度升高，内部绝缘受热后不仅绝缘性能降低，并且会发出异味，甚至冒烟烧坏。

CT饱和不仅导致继电保护装置拒动，同时也会导致误动，《电动机差动保护误动原因分析》（《电气应用》[J]，2014年第9期，卢庆港等）指出由于差动CT二次回路阻抗差异导致电流互感器暂态特性发生变化，电动机尾端的电流互感器出现了暂态饱和，二次电流出现畸变失真，导致差动误动，并提供了CT饱和的实际录波波形以及实际案例分析。

CT作为电力系统中将一次电流转换为二次电流的关键元件，其工作特性影响继电保护装置动作的可靠性和准确性，为了避免CT饱和导致的继电保护判断错误，提高保护动作的正确性，目前继电保护设备厂家在CT饱和识别上进行了很多研究和尝试，但由于CT属于一次设备，而继电保护装置属于二次设备，目前CT饱和识别技术多利用畸变后的CT二次电流的特征进行识别，准确性仍有待提高，如能在CT产品上实现CT非正常工作状态时输出信号则可以提高继电保护动作的可靠性和准确性。

技术实现要素：

本发明提供了一种电流互感器工作状态监控系统及其控制方法，监控系统包括具有双铁心、双绕组结构的电流互感器以及监控模块，电流互感器中两组铁心所用硅钢片材质不同，CT铁心的导磁率高，监测铁心的导磁率低并且绕有监测绕组，监控模块根据监测绕组输出电压的特征进行CT工作状态的监测与识别，当铁心出现饱和时发出信号。

一种电流互感器工作状态监控系统，包括具有双铁心、双绕组结构的电流互感器以及监控模块，具体包括CT铁心、监测铁心、CT绕组、监测绕组、监控模块，监测绕组与监控模块连接，监测绕组缠绕在监测铁心上，CT铁心与缠绕监测绕组后的监测铁心并行放置，CT绕组缠绕在CT铁心、监测绕组和监测铁心的外侧，监测绕组和监测铁心在CT绕组的内侧。

优选的，CT绕组与监控模块连接，CT绕组二次电流流经监控模块并被采样。

优选的，电流互感器中两组铁心所用硅钢片材质不同，导磁特性不同，CT铁心的导磁率高，监测铁心的导磁率低并且绕有监测绕组。

一种电流互感器工作状态监控系统的控制方法，具体为当CT不饱和时，磁通在两组铁心中构成小磁滞回线回环，磁通主要在导磁率较高的CT铁心中通过，对应的监测铁心中通过的磁通很少，监测线圈的输出电压很低；当CT二次回路开路及饱和时，CT铁心由于饱和，导磁率降低，磁通弥散到CT铁心以外形成回环，部分进入监测铁心中，此时监测绕组的感应电压也随之升高，监控模块负责CT工作状态的识别，并发出信号。

优选的，监控模块采用无源方案实现，通过合理配置分压电阻以及采用特定击穿电压的双向TVS管，实现击穿电压阈值的设定，当监测绕组的电压较低时双向TVS管未击穿，当监测绕组的电压较高时，击穿双向TVS管，流过的电流驱动信号继电器动作，继电器输出接点变位发出信号。

优选的，监控模块采用有源方案实现，将监测绕组的输出电压接入数字模块中，数字模块采集监测绕组的输出电压，识别CT的工作状态后驱动接点信号或通讯报文输出。

优选的，监控模块采用有源方案实现，将监测绕组的输出电压和CT绕组的输出电流接入某数字模块中，数字模块不断采集监测绕组的输出电压和CT绕组的输出电流，由数字模块根据设定的电压阈值进行比较判断铁心是否出现饱和，同时综合二次电流进行识别判断是否存在CT开路，然后数字模块分别驱动相应的接点信号或通讯报文编码输出，当发现存在CT开路时，驱动并联在CT绕组两端的过压保护回路接点闭合，将CT的二次电流输出端短路。

优选的，监控模块采用有源方案实现，将监测绕组的输出电压接入某数字模块中，根据监测绕组输出电压的波形特征区分CT铁心饱和以及CT二次回路开路，然后数字模块分别驱动相应的接点信号或通讯报文编码输出，以便其他装置使用，当发现存在CT开路时，驱动并联在CT绕组两端的过压保护回路接点闭合，将CT的二次电流输出端短路。

优选的，CT绕组两端的过压保护回路接点可以集成在监控模块的内部，也可以作为独立模块安装在CT本体、开关柜、控制柜以及其他地方，与CT绕组以及监控模块之间通过电缆连接。

优选的，监控模块既可以作为CT的一部分，集成在CT上，也可以作为独立模块，安装在外部开关柜、控制柜以及其他地方，还可以作为模块将部分功能或全部功能集成到继电保护装置以及其他电力自动化设备上。

优选的，监测铁心可以采用开气隙的方式，降低导磁率，避免快速饱和。

优选的，监控模块具有对外输出信号的接口，既可以通过机械触点实现，也可以通过通讯接口实现。

一种电流互感器工作状态监控系统的控制方法，包括以下步骤：

第一步：监控模块对监测绕组的感应电压进行采样；

第二步：监控模块根据感应电压识别CT的工作状态；

第三步：根据识别结果，输出相应信号及采取相应的控制措施。

优选的，所述第二步中，监控模块使用CT绕组的电流作为判据来区分稳态饱和与CT开路。

有益效果

本发明提供了一种电流互感器工作状态监控系统及其控制方法，具备铁心工作状态监测及报警输出功能，具有双铁心、双绕组结构，在CT开路及饱和时及时的发出报警信号，送到继电保护装置等应用设备上，作为保护动作判据使用，提高继电保护动作的可靠性和准确性，并能够在监测到CT开路时将CT的二次电流输出端短路，保护设备与人身安全。

附图说明

图1为电流互感器铁心不饱和以及饱和状态下的磁滞回线。

图2为一种电流互感器工作状态监控系统的组成结构示意图。

图3为电流互感器内部两个铁心的磁化曲线。

图4为CT铁心在不饱和-暂态饱和-稳态饱和变化过程中感应电压的变化。

图5为励磁涌流导致的CT铁心暂态饱和过程中感应电压的变化。

图6 为一种电流互感器工作状态监控系统的工程应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

CT在正常工作时，由于二次电流的去磁效应，CT铁心中的合成剩余磁通很低，当出现一次电流过大、CT二次回路阻抗过大、CT二次回路开路等情况时，CT铁心中的磁通增大，铁心进入饱和状态，饱和后的铁心的导磁能力急剧降低，导致二次电流无法反应一次电流的实际变化，二次电流畸变失真，另外，CT二次回路开路后的高峰值感应电压不仅影响设备的可靠运行，同时也会导致人身安全事故。

CT铁心为铁磁性材料，根据磁畴的特性，CT铁心工作状态可分为饱和、不饱和两种状态，其中饱和又可以分为暂态饱和、稳态饱和，当CT正常工作时铁心为不饱和状态时，其铁心的磁滞回线如图1中101所示，磁滞回线在小范围内回环，未进入饱和区域。当由于一次电流过大、CT二次回路阻抗过大、CT二次回路开路等原因导致铁心稳态饱和时，其磁滞回线如图1中的102所示，磁滞回线进入饱和区，磁滞回线在第一、第三两个象限内回环，呈现对称性，其中CT开路为稳态饱和的特殊情况。当由于CT铁心剩磁、一次电流中含有非周期分量等原因导致暂态饱和时，如励磁涌流，铁心的磁滞回线在偏向一侧象限的区域中回环，不再呈现对称性，随着非周期分流的衰减和剩磁的逐步退磁，铁心的磁滞回线回环慢慢退出饱和区域，铁心恢复到不饱和状态。

一种电流互感器工作状态监控系统，其工作原理为当CT不饱和时，磁通在两组铁心中构成小磁滞回线回环，磁通主要在导磁率较高的CT铁心中通过，对应的监测铁心中通过的磁通很少，监测线圈的输出电压很低；当CT二次回路开路及饱和时，CT铁心由于饱和，导磁率降低，磁通弥散到CT铁心以外形成回环，部分进入监测铁心中，此时监测绕组的感应电压也随之升高。

一种电流互感器工作状态监控系统，具体包括由CT铁心206、监测铁心202、CT绕组205、监测绕组203组成的电流互感器以及监控模块201，监测绕组203与监控模块201连接，监测绕组203缠绕在监测铁心202上，CT铁心206与缠绕监测绕组203后的监测铁心202并行放置，CT绕组205缠绕在CT铁心206、监测绕组203和监测铁心202的外侧，监测绕组203和监测铁心202在CT绕组205的内侧，一次电流204从监测铁心、CT铁心的中间穿过，CT绕组205与监控模块201连接，CT绕组205的二次电流流经监控模块201并被采样。监控模块201根据感应电压以及二次电流识别铁心的工作状态，提供接点信号或网络报文信号，并能够在监测到CT开路时采取控制措施，避免出现CT开路导致的过电压。。

电流互感器中两个铁心的导磁率不同，监测铁心202和CT铁心206的磁化曲线如图3所示，其中曲线301为CT铁心206的磁化曲线，曲线302为监测铁心202的磁化曲线，在实际应用中，由于CT产品的多样性，曲线301仅为CT铁心206众多可用磁化曲线中的一种常用曲线，在实际制造中，监测铁心202可以通过开气隙的方式或选择不同的导磁材料来改变铁心的导磁率以及磁化曲线的形状。

图2中的监测绕组203和CT绕组205的匝数仅为示意图，用于说明本发明原理，实际匝数与一次电流、铁心所用材料以及监控模块的设计等因素有关。

图4为铁心不饱和-暂态饱和-稳态饱和变化过程中感应电压的变化过程，图4(a)中曲线401为经过CT变比换算后的一次电流，曲线402对应二次回路电流，图4(b)中曲线403为监测绕组的的感应电压，从曲线403可以看出，随着一次电流的增大，CT首先出现暂态饱和，然后进入稳态饱和。

图5中为励磁涌流导致的暂态饱和过程中感应电压的变化，图5(a)中曲线501为经过CT变比换算后的一次励磁涌流电流波形，曲线502对应二次回路电流，图5(b)中曲线503为监测绕组的的感应电压，从曲线503可以看出，励磁涌流状态下，CT铁心工作在暂态饱和，随着励磁涌流的逐渐衰减，CT铁心逐渐退出暂态饱和。

上述的一种电流互感器工作状态监控系统，CT变比以及所用铁心材料不同时，监测绕组的感应电压的变化也不同，为了能够正确识别CT铁心的工作状态，通过合理设置电压识别的门槛值，当铁心饱和时，图4、图5中的感应电压波形在低于门槛值的部分出现明显的间断，波形不连续，间断部分通过间断角来衡量其大小。

当监控模块201只采集监测绕组203的感应电压时，综合图4、图5所示的感应电压波形特征，按照如下原则进行铁心状态识别：

1、不饱和：感应电压小于门槛值；

2、暂态饱和：感应电压高于门槛值，间断角较大，并且感应电压偏向坐标轴的一侧，坐标轴两侧幅值相差较大；

3、稳态饱和：感应电压高于门槛值，感应电压的间断角较小，感应电压分布在坐标轴的两侧，坐标轴两侧的正负幅值相近；

分析上述识别原则可以发现，当使用监测绕组203的感应电压单个判据进行识别时，CT开路作为稳态饱和的特殊情况，与稳态饱和相似，基于感应电压的幅值以及波形特征很难识别。

当监控模块201采集监测绕组203的感应电压以及CT绕组205的电流时，按照如下原则进行铁心状态识别：

1、不饱和：感应电压小于门槛值，二次回流电流很小或为零；

2、饱和：感应电压高于门槛值，二次回路电流不为零；

2、暂态饱和：感应电压高于门槛值，二次回路电流不为零，间断角较大，并且感应电压偏向坐标轴的一侧，坐标轴两侧幅值相差较大；

3、稳态饱和：感应电压高于门槛值，二次回路电流不为零，感应电压的间断角较小，感应电压分布在坐标轴的两侧，坐标轴两侧的正负幅值相近；

4、CT开路：感应电压高于门槛值，二次回路电流为零。

分析上述识别原则可以发现，当使用监测绕组203的感应电压以及CT绕组205的电流两个判据进行综合识别时，能够有效的将CT开路从铁心饱和这个大的范畴中区分出来。

为了避免CT开路导致的过电压，监控模块可以实现CT开路过电压保护保护功能，当监测到CT存在开路时，驱动并联在CT绕组两端的过压保护回路接点闭合，将CT的二次电流输出端短路，避免CT开路的过电压造成的电气设备故障和损坏，同时发出报警信号，通知管理者尽快采取处理措施，恢复正常运行。

在具体工程应用中，监控系统四种典型的实施方案如下：

监控系统实施方案1：

监控模块201采用无源方案实现，通过合理配置分压电阻以及采用特定击穿电压的双向TVS管，实现击穿电压阈值的设定，当监测绕组的电压较低时双向TVS管未击穿，监测绕组中无电流流过，不会影响CT的精度。当监测绕组的电压较高时，击穿双向TVS管，流过的电流驱动信号继电器动作，继电器输出接点变位发出信号，此法无需额外工作电源即可实现CT异常工作状态的报警输出。

监控系统实施方案2：

监控模块采用有源方案实现，将监测绕组的输出电压接入某数字模块中，数字模块不断采集监测绕组的输出电压，由数字模块根据设定的电压阈值进行比较判断后驱动接点信号或通讯报文输出，由于监测绕组为电压输出，监控模块201采用高阻抗输入的采样电路对电压信号进行采样，电流非常微弱，故对CT精度影响可以忽略不计，在工程应用时需要为数字模块提供工作电源。

监控系统实施方案3：

监控模块采用有源方案实现，将监测绕组的输出电压和CT绕组的输出电流接入某数字模块中，数字模块不断采集监测绕组的输出电压和CT绕组的输出电流，由数字模块根据设定的电压阈值进行比较判断铁心是否出现饱和，同时综合二次电流进行识别判断当前是否存在CT开路，如此时二次回路电流为零，则可以判断为CT二次回路开路，当二次回路电流不为零时，则可以判断为CT铁心出现饱和，然后数字模块分别驱动相应的接点信号或通讯报文编码输出，当发现存在CT开路时，驱动并联在CT绕组两端的过压保护回路接点闭合，将CT的二次电流输出端短路，监控模块201电压采样电路为高阻抗输入，同时采用低阻值的采样电阻串联在CT二次回路中或采用霍尔器件对二次电流进行采样，采样电阻或霍尔器件对CT精度的影响可以忽略不计，在工程应用时需要为数字模块提供工作电源。

监控系统实施方案4：

监控模块采用有源方案实现，将监测绕组的输出电压接入某数字模块中，根据监测绕组输出电压的波形特征区分CT铁心饱和以及CT二次回路开路，无需CT绕组的输出电流，然后数字模块分别驱动相应的接点信号或通讯报文编码输出，以便其他装置使用，当发现存在CT开路时，驱动并联在CT绕组两端的过压保护回路接点闭合，将CT的二次电流输出端短路。

上述实施方案1中，由于监控模块为无源，只能识别出铁心是否出现饱和，无法有效分辨出CT开路，继电保护装置当收到监控模块201的输出报警信号时，将根据当前CT回路的二次电流进行综合判断，如此时二次回路电流为零，则可以判断为CT二次回路开路，当二次回路电流不为零时，则可以判断为CT铁心出现饱和，然后由继电保护装置根据设定的算法综合判断决定是否发出CT开路报警信号、CT保护跳闸信号或闭锁保护跳闸，或采取控制措施，将并联在CT绕组两端的过压保护回路接点闭合，将CT的二次电流输出端短路。

CT绕组两端的过压保护回路接点可以集成在监控模块201的内部，也可以作为独立模块安装在开关柜内或控制柜内以及其他地方，与CT绕组以及监控模块之间通过电缆连接。

监控模块201既可以作为CT的一部分，集成在CT上，也可以作为独立模块，就地安装，或采用类似CT二次回路过电压保护器的安装方式，安装在开关柜内或控制柜内以及其他地方，与CT绕组以及监测绕组之间通过二次电缆连接，另外，还可以作为模块将部分功能或全部功能集成到继电保护装置以及其他电力自动化设备上。

监控模块具有对外输出信号的接口，既可以通过机械触点实现，也可以通过通讯接口实现。监控模块201的输出报警信号可以通过电磁继电器、固态继电器以及其他类型继电器的接点变位发出信号，如当铁心正常运行不饱和时，接点常开，当铁心出现饱和及CT开路时，接点闭合，此信号可以送到监控系统报告CT铁心工作在异常状态，也可以送到继电保护装置等应用设备上，作为保护动作判据使用；另外监控模块201的输出报警信号也可以通过光纤、RS485以及其他通讯网络接口发出数据报文信号方式实现。

图6 为一种电流互感器工作状态监控系统的工程应用示意图，监控模块将信号输出到继电保护装置中，供其辅助判断使用。

上述仅针对单相CT进行了实施过程描述，对于多相电力网络中的CT，重复上述实施方案即可，电流互感器部分各相独立，对于监控模块部分则可以合并到一起实现。

本说明书的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。