电流互感器的原理分析及特性试验

　　【摘要】本文作者详细的阐述了电流互感器的原理分析及特性试验。 　　【关键词】电流互感器；原理；技术参数；试验 　　1. 电流互感器基本原理 　　（1）为保证电力系统的安全和经济运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护。通常的测量和保护装置不能直接接到高电压大电流的电力回路上， 需将这些高电平的电力参数按比例变换成低电平的参数或信号，以供给测量仪器、仪表、继电保护和其他类似电器使用。进行这种变换的变压器，通常称为互感器或仪用变压器。 　　（2）互感器作为一种特殊的变压器，其特性与一般变压器有类似之处，但也有其特定的性能要求。电流互感器（current transformer）简称CT，是将一次回路的大电流成正比的变换为二次小电流以供给测量仪器仪表继电保护及其他类似电器。电流互感器的基本电路如图1。 　　图1电流互感器的基本电路 　　（3）电流互感器的一次绕组和二次绕组绕在同一闭合的铁心上，如果一次绕组带电而二次绕组开路，互感器成为一个带铁心的电抗器。一次绕组中的电压降等于铁心磁通在该绕组中引起的电动势， 铁心磁通也在二次绕组中感应出相应的电动势。如果二次绕组的回路通过一个阻抗形成闭合回路，则二次回路中将产生一个电流，此电流在铁心中产生磁通趋向于抵消一次绕组产生的磁通。忽略误差时，二次回路电流与一次回路电流之比值等于一次绕组匝数与二次绕组匝数之比。 电流互感器的用途是实现被测电流值的变换，与普通变压器不同的是其输出容量很小。一般不超过数十伏安。一组电流互感器通常有多个铁心，即具有多个绕组，提供不同的用途。中压的（如10KV级）某些类型互感器可能只有1～3个二次绕组。而超高压的电流互感器的二次绕组可多达6～8个。 　　（4）电流互感器的一次绕组通常串接于被测量的一次电路中，二次绕组通过导线或电缆串接仪表及继电保护等二次设备。电流互感器二次电流在正常运行及规定的故障条件下，应与一次电流成正比，其比值和相位不超过规定值。电流互感器的额定一次电流和额定二次电流是作为互感器性能基准的一次电流和二次电流。 电流互感器按其用途和性能特点可分为两大类：一类是测量用电流互感器，主要在电力系统正常运行时将相应电路的电流变换供给测量仪表积分仪表和其他类似电器，用于状态监视记录和电能计量等用途。另一类是保护用互感器，主要在电力系统非正常运行和故障状态下，将相应电路的电流变换供给继电保护装置和其他类似电器，以便启动有关设备清除故障，也可实现故障监视和录波。 　　（5）测量用和保护用两类电流互感器的工作范围和性能差别很大一般不能共用。但可组装在一组电流互感器内，由不同的铁心和二次绕组分别实现测量和保护功能。 　　2. 电流互感器技术参数及意义 　　（1）实际一次电流Ip——实际一次电流方均根值（有效值）； 　　额定一次电流Ipn——作为电流互感器性能基准的一次电流值，是长期连续正常运行一次电流值； 　　国标 GB1208-1997规定标准值（以下简称标准值）： 10 12.5 15 20 25 30 40 50 60 75A以及它们十进制倍数或小数，一般 10-500kV电流互感器额定一次电流50-2500A， 用于100-600MW大型发电机10-20kV出线侧的电流互感器一次电流可达到6000-25000A。 　　（2）额定仪表限值一次电流IPL。测量用电流互感器在二次负荷等于额定负荷，且复合误差等 于或大于10%时的最小一次电流值。 　　（3）仪表保安系数FS。测量用电流互感器额定仪表限值一次电流IPL对额定一次电流Ipn之 比，标准值为5和10。 　　（4）额定准确限值一次电流Ipal。保护用电流互感器在稳态情况能满足复合误差要求的最大 一次电流值； 准确限值系数Kalf（或ALF） 　　保护用电流互感器额定准确限值一次电流Ipal与额定一次电流Ipn之比， Kalf = Ipal /Ipn； 　　标准值：5 10 15 20 30 ，产品样本中最大可达到40。 　　（5）测量用电流互感器二次极限感应电势。仪表保安系数FS、二次额定电流及额定负荷与二次绕组阻抗的相量和乘积。 　　（6）保护用电流互感器二次极限感应电势。由准确限值系数Kalf（或ALF） 、二次额定电流 及额定负荷与二次绕组阻抗的相量和乘积。 　　（7）实际二次电流Is。测量条件下通过的实际二次电流方均根值（有效值）； 　　额定二次电流Isn。作为电流互感器性能基准的二次电流值，是长期连续正常运行二次 电流值； 　　额定电流比Kn。 kn= Ipn/ Isn； 　　负荷。二次回路阻抗，用欧姆和功率因数表示。负荷通常以视在功率伏安值表示，它是在规定功率因数及额定二次电流下所汲取的。 　　（8）额定负荷。确定互感器准确等级所依据的负荷值。 　　额定输出。在额定二次电流及接有额定负荷条件下，互感器所供给二次回路的视在功率 值（在规定功率因数下以伏安表示）。 　　（9）标准值为：2.5 5 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100 VA。 　　电流误差（比误差）εI εI= （kn Is- Ip）/ Ip×100% ； 　　复合误差εc。稳态条件下一次电流瞬时值ip与二次电流瞬时值is乘以Kn两者之差的方 均根值， 　　准确等级。对电流互感器所给定的等级，互感器在规定使用条件下的误差应在规定限度内。 　　（10）对于测量用电流互感器，以额定一次电流情况下互感器二次侧接入额定负荷（VA）时的二次电流误差限值为互感器的准确等级，（例如15VA0.2级 、30VA 0.5级等）。标准值为：0.1 0.2 0.5 1 3 5。 　　（11）对于保护用电流互感器，以保护用互感器类型（P、PR、PX和TPS、TPX、TPY、TPZ等）、额定准确限值一次电流下的复合误差值、Kalf（或ALF） 准确限值系数、额定输出（VA）等参数标注准确等级（例如：30VA 5P10、15VA 10P20等）。标准值为：5P 10P 　　（12）励磁电流Ie。在一次绕组和其他绕组开路的情况下，以额定频率的正弦波电压时驾驭二次 接线端子时，二次绕组所汲取的电流方均根值。 　　3. 电流互感器试验 　　电流互感器试验分为出厂试验、交接验收试验、大修试验、预防性试验。按试验性质和要求分为绝缘试验和特性试验。 电流互感器特性试验项目包括： 测量二次绕组的直流电阻； 极性试验； 变比试验； 伏安特性试验。 　　3.1测量二次绕组的直流电阻： 电流互感器的二次绕组直流电阻较小，应使用双臂电桥测试比较准确。也可采用直流压降法，通入直流电流，测量电流、电压计算求得。现场试验一般不要求测试。但是如果需要根据伏安特性绘制误差特性曲线，使用到二次绕组直流电阻值。如果没有互感器的出厂测试值，就要在现场测试二次绕组的直流电阻值。 　　3.2极性试验。 　　（1）极性试验的目的是为了检查一、二次绕组之间的极性关系是否正确。电流互感器一、 二次绕组规定为减极性。所谓减极性，就是当从一侧绕组的参考正极性端通入交流电流时，同时在另一侧绕组中产生感应电势，如果另一侧绕组外部端子接有负载或短接，将有电流从另一侧绕组的参考极性端流出，由非极性端返回。两侧绕组电流所产生的磁势相减。 极性试验的方法一般采用直流法，试验接线如图3。 　　图2试验接线 　　（2）图2中电源E一般使用1.5-3V干电池，试验时加在匝数少的绕组侧，匝数多的绕组侧接一个直流电压表，电压表的量程根据两侧绕组匝数比确定，匝数比越大，量程选的越大。 试验时，当开关S闭合时，如果电压表V指针正偏转，两侧绕组的极性关系为减极性，指针反偏转为加极性。 　　3.3变比试验。 　　（1）变比试验的目的是为了检查电流互感器的实际变流比是否于额定变流比相否，也称为误差试验。理想的电流互感器应当是一、二次侧电流值按额定变流比变换，相位一致。由于二 次绕组端子接有负荷阻抗，需要施加一定的端电压，产生端电压需要一部分励磁电流，使得从二次绕组端子流出的电流与理想变换电流有一定的误差。分析误差的电流互感器的等值电路和相量图如图3。 　　图3电流互感器等值电路及相量图 　　（2）图3中Ip/kn为按额定变流比变换的理想变换电流，Ie为产生端电压Us所需的励磁电流，Is为二次绕组流出的实际电流。通过相量图可以看出，由于Ie的存在，使得Is与Ip/kn之间的幅值和相位均出现了误差。其中幅值差称为比误差εI 　　（3）对于计量专用的准确等级为0.2或0.5级电流互感器，对额定电流情况下的变流比误差要求很高，比误差、角误差都需要测试，一般采用电桥原理的互感器校验仪，由计量人员测试，测试要求比较高。 　　（4）对于保护用电流互感器，对额定电流情况下的变流比误差要求不太高，一般只测试比误差，现场试验只要求做核对性测试，无明显差别即可。 现场核对性变比测试的接线原理图如图4。 　　图4现场核对性变比测试的接线原理图 　　（5）图4中T1为调压器，用来将交流电源转变为连续可调的电压。T2为升流变压器（简 称升流器），用来将调压器输出的高压（相对于低压侧）小电流，转变为低压大电流。TAn为标准电流互感器，一般比被试互感器准确等级高1-2个等级。Tax为被试电流互感器。A1、A2为便携式0.5级标准电流表。 　　（6）试验时升流器输出与TAn、Tax一次绕组串联连接，TAn、Tax二次绕组分别接A1、A2， TAn额定变比与TAx额定变比相同。调整T1输出电压，A1、A2有电流指示，对比A1、A2读数应接近。试验时根据试验设备容量，一次电流要求升到被试电流互感器的20～100% 额定值。当被试电流互感器一次电流低于50%额定值时，试验误差允许大于额定电流时的 误差限值。 　　3.4伏安特性试验。 　　（1）伏安特性是确定电流互感器在故障电流情况下变流比误差的一个主要特性。 对于保护用电流互感器，用准确限值系数Kalf（或ALF）确定当故障时复合变流比误差等于10%额定变流比时一次故障电流与额定电流倍数，确保通入保护装置的二次故障电流误差不超过10%。 　　（2）对于测量用电流互感器，用仪表保安系数FS确定当故障时复合变流比误差等于大于10%额定变流比时一次故障电流与额定电流倍数，确保通入测量仪器仪表的故障电流不致于过大而损坏，FS比Kalf低得多。 电流互感器在故障电流下变比误差增大，是由于电流互感器铁心饱和使得励磁电流增大造成的，该励磁电流存在与一次绕组中，通过等值可变换到二次绕组侧，图3中的Ie就是从一次绕组变换来的一次励磁电流。在故障电流下，与二次电流在负荷阻抗上的电压降US对应的二次绕组内感电动势ES， 确定了对应的二次绕组励磁电流Ie。 用伏安特性试验可间接求得Ie与 ES的对应关系，伏安特性试验的接线原理如图5。 　　图5伏安特性试验的接线原理 　　（3）试验时电流互感器TAx一次绕组开路，二次绕组施加交流试验电压，逐点读取试验电压、试验电流，通入的电流电压不超过制造厂技术条件的规定为准，当电流增大而电压变化不大时，说明铁心已经饱和，应停止试验。根据试验数据绘出伏安特性。 　　（4）内感电势Es可以从试验数据求得：Es=U-IeZct≈U-IeRct，Rct可在现场实测求得。 T2为升压变压器，当试验电压超过T1输出最大值时实用，试验电压低于T1输出最大值时可不用。 准确限值系数 　　Kalf（或ALF）是对应于二次绕组接额定负荷情况下，电流互感器复合误差等10%（或5%）额定变流比时一次实际电流与额定一次电流的比值。如果二次负荷与额定值不相符，对应10%（5%）误差值的一次实际电流与额定一次电流的比值也不同。 　　图6 　　（5）用mct表示在确保10%（5%）误差值情况下一次实际电流与额定一次电流的比值与二次负荷阻抗Zb变化关系特性参数，绘制mct与Zb关系曲线，称为10%（5%）误差曲线。由图3（a）可知：Es=Us+Is（Rct+jXct+Rb+jXb） 由于Xct、Xb与Rct、 Rb相比较小，实用时可以忽略，则 　　Es=Us+Is（Rct +Rb） 　　由试验得到的Ie和Es，通过计算可求得mct与Rb关系曲线， 对应10%误差， 　　Rb= ES 9Ie -Rct 　　当二次额定电流5A时， 　　mct=2Ie m=ip/5*n n 变比 折算成Ie：励磁电流 当二次额定电流1A时，mct=10Ie 对应5%误差， 　　Rb= ES 19Ie -Rct 　　当二次额定电流5A时， mct=4Ie 　　当二次额定电流为1A时， mct=20Ie 按伏安特性试验数据求出伏安特性曲线Ue=f（Ie）及Ee= f（Ie）如图6（a），其中Een为额定电流下励磁电流Ien所对应的内感电势，Ees为准确限值电流下励磁电流Ies所对应的内感电势。 　　（6）按伏安特性试验数据绘制的误差特性曲线如图6（b），其中Rb为二次绕组负荷电阻，一般情况下负荷电抗较小可忽略，用Rb代替负荷阻抗Zb。 m为误差限值10%（或5%）情况下接入不同的负荷电阻值时对应的实际一次电流与额定一次电流比值，Rba为额定二次绕组负荷电阻，mct为对应于Rba的m值，mct近似于准确限值系数Kalf（或ALF） 。