保護(hù)用電流互感器10%誤差的校核方法

熊 超

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州 510663）

1 電流互感器的誤差

電流互感器是將電力系統(tǒng)的一次大電流變換成與其成正比的二次小電流，然后輸入到測(cè)量?jī)x表或繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置中，并將低壓設(shè)備與高壓線路隔離，是一種常見的電氣設(shè)備。其等值電路如圖 1所示，相量圖如圖2所示。

圖1 電流互感器等值電路

圖2 相量圖

在理想條件下，以下電流變換等式成立：

在實(shí)際情況下，從圖1中看出：

式中，Ie為勵(lì)磁電流，為輸入電流的一部分，是用來建立磁場(chǎng)的工作電流。

因?yàn)殡娏骰ジ衅髟谡＿\(yùn)行工況下勵(lì)磁阻抗較大，磁通密度較低，勵(lì)磁電流很小，所以誤差可以被忽略不計(jì)。但是當(dāng)在短路時(shí)一次側(cè)短路電流很大，磁通密度很大，使互感器鐵心飽和，勵(lì)磁阻抗變小，勵(lì)磁電流增大，誤差就會(huì)變大。一般情況下勵(lì)磁阻抗呈現(xiàn)電抗性質(zhì)，二次負(fù)載呈阻抗性質(zhì)，所以在二次感應(yīng)電勢(shì)E的作用下，I2和勵(lì)磁電流Ie相位不同，造成了角度誤差 δ。角度誤差和二次回路負(fù)載的特性有關(guān)。因此，電流互感器的誤差與其二次電流及二次負(fù)載均有關(guān)。當(dāng)二次電流很大時(shí)誤差增大，二次負(fù)載阻抗增大時(shí)誤差也增大。

2 電流互感器的10%誤差及10%誤差曲線

電流互感器的10%誤差是指將電流互感器的二次電流和變比的乘積與一次電流差的百分?jǐn)?shù)等于10%。保護(hù)用電流互感器的工作特點(diǎn)不同于測(cè)量電流互感器，測(cè)量用的電流互感器，是要考慮在正常運(yùn)行工況下的變比誤差和角度誤差；但作為保護(hù)用的電流互感器，為了保證繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，要考慮當(dāng)電力設(shè)備發(fā)生故障，一次短路電流劇增時(shí)能正確地在二次側(cè)反映出故障電流的幅值和相位，不會(huì)因?yàn)殡娏骰ジ衅麒F心飽和等因素引起的誤差使保護(hù)裝置拒動(dòng)或誤動(dòng)。一般情況下系統(tǒng)一次的故障電流要比正常工況下的的電流大幾倍甚至更多， 為確保繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的電流采樣值能如實(shí)反映一次側(cè)設(shè)備通過的電流值， 規(guī)定電流互感器的一次電流I1等于最大短路電流時(shí)，其電流誤差不允許超過10%。

電流互感器10%誤差曲線是保護(hù)電流互感器的一個(gè)重要的基本特性。是指電流互感器的誤差為10%時(shí)，其一次電流I1除以額定電流I1N的倍數(shù)m與其二次側(cè)負(fù)載阻抗Zb的關(guān)系曲線， 即 m=f( Zb)。在電氣設(shè)備一次側(cè)流過很大的短路電流時(shí)，電流互感器鐵心飽和，誤差就會(huì)增大，這對(duì)繼電保護(hù)裝置的靈敏度和選擇性造成影響。但如果誤差不超過10%，就不會(huì)影響繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的正確性。根據(jù)電流互感器10%誤差曲線及系統(tǒng)故障時(shí)最大一次電流，可以確定滿足10%誤差時(shí)電流互感器允許的最大二次負(fù)載。

3 電流互感器10%誤差曲線試驗(yàn)及計(jì)算

一般情況下電流互感器的10%誤差曲線是由制造廠商根據(jù)設(shè)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果在說明書中給出的。如果設(shè)備說明書中未提供此數(shù)據(jù)，或者設(shè)備已運(yùn)行多年，需重新校核電流互感器的特性時(shí)，就要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)重新取得相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制電流互感器的10%誤差曲線?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中首先要繪制出其二次繞組的伏安特性曲線，其次還要知道電流互感器的變比，系統(tǒng)故障時(shí)的最大一次電流，電流互感器二次接線方式及二次設(shè)備的阻抗等。其中，二次設(shè)備的阻抗包含回路導(dǎo)線的電阻和接觸電阻等。

1）收集數(shù)據(jù)

試驗(yàn)需要收集的數(shù)據(jù)如下：電流互感器的變比、接線方式、繞組分布情況、準(zhǔn)確級(jí)、允許流過電流互感器的最大故障電流等。

2）用萬用表測(cè)量電流互感器相應(yīng)二次繞組的直流電阻R2，以近似代替電流互感器二次繞組漏抗Z2。

3）用伏安特性法測(cè)試電流互感器的 U=f( Ie)曲線

電流互感器的伏安特性曲線是指其勵(lì)磁電流Ie與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系曲線， 即 E=f( Ie)。因E =U - IeZ2，而 U=f( Ie)曲線可用試驗(yàn)方法求出，具體方法是將電流互感器一次側(cè)開路，斷開二次側(cè)所有負(fù)荷后從電流互感器本體二次側(cè)施加一個(gè)電壓，讀取電流值。電壓值由零逐漸上升，注意升壓過程中不得降低后再升高，目的是避免因磁滯回線使伏安特性曲線不平滑，影響到計(jì)算的精準(zhǔn)度。可預(yù)先選取幾個(gè)電流點(diǎn)，逐點(diǎn)讀取相應(yīng)電壓值。通入的電流或電壓以不超過制造廠技術(shù)條件的規(guī)定為準(zhǔn)。試驗(yàn)的過程中，如果出現(xiàn)當(dāng)電壓只增加了一個(gè)很小的值而電流卻增大很多時(shí)，說明電流互感器的鐵心已近似飽和，此時(shí)就應(yīng)停止試驗(yàn)。電流值一般做到5A，有特殊需要時(shí)做到飽和為止。試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出伏安特性曲線。這種方法由于所需電源及設(shè)備容量較大，很難用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

二次側(cè)通電流法是試驗(yàn)的另一種方法，此方法是在電流互感器二次側(cè)通入電流，通?？山柚鷮Ｓ玫臏y(cè)試儀來完成，需要的電源及測(cè)試設(shè)備的容量較小，其結(jié)果與一次電流法所得相同。

4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的伏安特性曲線，計(jì)算出勵(lì)磁阻抗、勵(lì)磁電壓、電流倍數(shù)與允許二次負(fù)載的關(guān)系，并繪制出10%誤差曲線。

在電流互感器一次繞組開路情況下，在二次線圈加電壓，此時(shí)流經(jīng)二次繞組的電流即為電流互感器的的勵(lì)磁電流。根據(jù)等值電路圖得

當(dāng)電流互感器的變比誤差為10%時(shí)，勵(lì)磁電流Ie為一次側(cè)電流變換到二次側(cè)電流的10%。例如當(dāng)為1A時(shí)，則Ie為0.1A，I2為0.9A。所以一次電流變換到二次側(cè)時(shí)為勵(lì)磁電流的10倍，二次側(cè)電流為勵(lì)磁電流的9倍，即

Ie= I1Ki- I2= (1- 0.9)I1Ki= 0.1I1Ki，(Ki為電流互感器變比)

當(dāng)電流互感器二次側(cè)額定電流為 5A時(shí)，電流倍數(shù)為

即

而二次側(cè)阻抗：Z2+ Zfh= E0I2=E09I0

因此，允許負(fù)荷

根據(jù)以上式（1）至（3），求出電流倍數(shù)m10和允許負(fù)荷Zfh，畫出電流互感器的10%誤差曲線。

5）測(cè)定電流互感器的二次負(fù)荷阻抗

電流互感器的二次阻抗是指電流互感器二次端子所呈現(xiàn)的負(fù)荷阻抗。它包括繼電器阻抗，連接導(dǎo)線阻抗。

（1）計(jì)算電流互感器二次負(fù)荷

電流互感器二次的負(fù)荷為其輸出電壓的與輸出的電流之比；Zfh=U2/I2。其值的大小與電流互感器的接線方式、故障類型有關(guān)。

各種接線方式下的電流互感器的二次計(jì)算負(fù)荷匯總見表1。為可靠系數(shù)。當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限t≤0.5s時(shí)取 1.5；t＞ 0.5s 時(shí)取1.3。

7）分析結(jié)果

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得的阻抗值按最嚴(yán)重的短路類型換算成Z；再根據(jù)計(jì)算出的電流倍數(shù)m10找出與之相對(duì)應(yīng)的允許阻抗值Zfh，若Z≤Zfh時(shí)，則為合格。

8）計(jì)算實(shí)例

選取一臺(tái)電流互感器， 變比為1200/5A，使用CT分析儀測(cè)試出其伏安特性數(shù)據(jù)及曲線如下，圖3是伏安特性曲線，表2為曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。Z2=0.368Ω

表1 四種接線方式，在不同的短路狀態(tài)下電流互感器的二次計(jì)算負(fù)荷

（2）用電流電壓法測(cè)定最大負(fù)荷阻抗

電流電壓法是在電流互感器根部通電流進(jìn)行的一種測(cè)量方法，用來測(cè)量電流互感器二次回路AB、BC、CA和A0相的阻抗。計(jì)算公式為

6）電流倍數(shù)m10的計(jì)算

為確保所選用電流互感器變比誤差不超過10%，發(fā)生故障時(shí)一次側(cè)能承受的電流與額定電流的比值不應(yīng)小于下列各式的計(jì)算值：

（1）縱差保護(hù)：m10=KkIkmaxI1N

Ikmax為最大穿越故障短路一次電流；I1N為一次側(cè)額定電流；Kk為可靠系數(shù)。通常取1.3。

（2）母線保護(hù)：m10=KkIkmaxI1N

Ikmax為外部短路時(shí)，流過電流互感器的最大電流；Kk為可靠系數(shù)。取1.3。

（3）電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)： m10=KkIop/I2NKcon

Iop為保護(hù)裝置的動(dòng)作電流；Kk為可靠系數(shù)。取1.1；I2N為二次側(cè)額定電流；Kcon為接線系數(shù)。

（4）距離保護(hù)：m10=KkIkI1N

Ik為保護(hù)裝置第一段末端短路時(shí)故障電流；Kk

圖3 電流互感器的伏安特性

表2 電流互感器伏安特性數(shù)據(jù)

根據(jù)伏安特性曲線，依據(jù)上面式（1）至（3）計(jì)算出電流倍數(shù)m10和允許負(fù)荷Zfh，計(jì)算結(jié)果列表3。

表3 電流互感器10%誤差曲線數(shù)據(jù)

根據(jù)表3數(shù)據(jù)做出電流互感器10%誤差曲線如圖4。

圖4 電流互感器的10%誤差曲線

實(shí)際情況下，若該電流互感器一次側(cè)可能通過的最大短路電流是額定電流的9倍，實(shí)際測(cè)得的二次負(fù)載阻抗為8.4Ω，那么此時(shí)該電流互感器能否滿足繼電保護(hù)的要求呢？根據(jù)圖 4中電流互感器 10%誤差曲線，當(dāng)m=9.2時(shí)，其允許的二次負(fù)載為9Ω（圖中A點(diǎn)），現(xiàn)二次負(fù)載阻抗為8.4Ω（圖中B點(diǎn)），其電流倍數(shù)大于9.2，所以此電流互感器滿足要求。

4 結(jié)論

當(dāng)電流互感器不滿足10%誤差要求時(shí)，可采取以下措施：

1）串聯(lián)相同級(jí)別的備用電流互感器。

2）可增大二次回路電纜的截面。

3）提高電流互感器的變比。

4）改用伏安特性較高的互感器二次繞阻。