電流互感器對電能計(jì)量的影響分析

盧嘉棟

【摘要】 本文在分析電流互感器工作原理的基礎(chǔ)上，對電流互感器對電能計(jì)量的影響進(jìn)行了分析。本文嘗試采用建立電流互感器模型的方式，對其運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行了分析。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)暫態(tài)飽和與電流互感器是其電能計(jì)量產(chǎn)生誤差的重要原因。針對這一結(jié)果，本文提出了相應(yīng)的減少電流互感器電能計(jì)量誤差的方法。

【關(guān)鍵詞】 電流互感器 電能計(jì)量 影響

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能在日常的生產(chǎn)生活中逐漸起到了越來越重要的作用，人們的各種活動都離不開電力的應(yīng)用。而電能計(jì)量是確保電力企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效益的關(guān)鍵，其計(jì)量的準(zhǔn)確性和有效性直接決定著用戶和企業(yè)兩方面的利益。電力計(jì)量裝置主要由電能表、二次回路、電流互感器等幾個(gè)部分組成，而其中電流互感器是最為重要的，也是電流計(jì)量裝置測試精確性的決定性因素。

不僅在電力計(jì)量裝置中，在整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，電流互感器也起著重要的作用。但是在這種設(shè)備的實(shí)際使用過程中，若出現(xiàn)飽和或剩磁現(xiàn)象時(shí)，就會導(dǎo)致計(jì)量裝置中的電流大小出現(xiàn)較大的變化，從而極大的影響了計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性。本文就將對引起電流互感器計(jì)量精度的因素進(jìn)行分析和總結(jié)，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施。

一、電流互感器簡介

互感器有兩種類型，分別是電流互感器（TA）和電壓互感器（TV）。在電能計(jì)量裝置中作為信號源元件，在電力系統(tǒng)中則起到了一次高壓回路和二次控制回路的作用，相當(dāng)于橋梁的作用于。

本文主要研究的是電流互感器。電流互感器是電能計(jì)量裝置中的重要組成部分，但其自身具有的一個(gè)缺陷是在達(dá)到飽和狀態(tài)后電流的波形容易發(fā)生畸變，對電能計(jì)量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生極大的影響。

為了提高電流互感器的計(jì)量精度，必須對其誤差的原因進(jìn)行深入的分析和了解，只有這樣才能采取相應(yīng)的措施進(jìn)行解決。本文采取了理論研究和仿真相結(jié)合的方法對電流互感器的電能計(jì)量原理進(jìn)行了分析，并建立了相應(yīng)的模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

電流互感器的結(jié)構(gòu)分析電流互感器的核心原理主要是電磁感應(yīng)原理，其主要是由閉合的繞組和鐵芯以及絕緣外殼組成的。繞組分為一次繞組和兩次繞組，對于一次繞組來說，因?yàn)槠鋼碛泻苌俚脑褦?shù)，使得在實(shí)際檢測的時(shí)候，需要電流全部通過線路；而二次繞組因?yàn)槠漭^多的匝數(shù)，主要串聯(lián)在保護(hù)電路以及測量設(shè)備中，而由于其二次回路的閉合性，使得電流互感器能夠在近乎短路的狀態(tài)工作。電流互感器承載著一次和二次系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)功能，能夠?qū)⒋箅娏鬓D(zhuǎn)變成小電流，供向系統(tǒng)的各個(gè)部分，并且能夠真實(shí)的反應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，同時(shí)也在保證著工作人員的安全。

電流互感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與常見的變壓器十分相似，都是由兩個(gè)繞在閉合鐵心且相互絕緣的繞組組成的。繞組的匝數(shù)分別為N1和N2，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TA的一次繞組與被測電路采用串聯(lián)的方式，二次繞組則與電流表線圈進(jìn)行串聯(lián)。由于電能表的內(nèi)阻很小，TA可以看成二次短路的變壓器。在這種情況下，I0N1很小，I0N1在I1N1中所占的比例也很小。TA的向量圖見圖2（a），其中Φ為由激磁安匝數(shù)在鐵心中建立的磁通，U2為二次感應(yīng)電壓，二次回路電流I2滯后于U2角度，一次安匝數(shù)I1N1與二次安匝數(shù)I2N2向量和等于I0N1，即

電流互感器一次繞組與電路之間采用串聯(lián)的方法進(jìn)行連接。二次繞組與電能表串聯(lián)。電能表的內(nèi)阻很小，因此電流互感器可以看做是二次短路運(yùn)行的變壓器。電流互感器磁路中的磁通密度也很小。通常在0.08～0.1T之間，因此磁損耗較小。這種情況下，在鐵心中起到傳遞能量作用的激磁安匝數(shù)。

二、電流互感器的誤差分析

在電流互感器的實(shí)際使用過程中，其內(nèi)部會產(chǎn)生比差和角差。這一誤差是難以避免的，也就是說實(shí)際電流與額定電流比總是存在一定的差異的。電流互感器的誤差來源如圖2所示。

從圖2中可以看出，-I2N2與I1N1并沒有完全重合，-I2N2超前于I1N1，長度卻不及I1N1，這是由于I0N1不為0.這也就是說，TA的誤差主要是由于勵(lì)磁電流造成的，因此，只能通過減小 勵(lì)磁電流來降低誤差，而不能消除TA的勵(lì)磁電流。根據(jù)圖2，利用正弦定理是可以推算出TA的比差和角差的，比差用fI表示，角差用δI表示，其計(jì)算公式分別為：

其中，I0N1與φ之間的夾角用θ表示；I2N2與U2之間的夾角用2？表示。通過上述的公式可知，在勵(lì)磁電流的影響下，比差fI的值是負(fù)的，向負(fù)方向變化。角差δI是正的，向正方向變化。正是因?yàn)槿绱?，會使得最終的測量結(jié)果出現(xiàn)誤差，結(jié)果是偏小的，而電能計(jì)量也是偏小的。

電流互感器的作用原理是鐵心線圈電磁感應(yīng)。而鐵心線圈磁化曲線具有非線性，這會進(jìn)一步造成誤差的產(chǎn)生。此外，剩磁也是電流互感器產(chǎn)生誤差的重要原因。剩磁是鐵磁材料特有的一種現(xiàn)象，尤其是在系統(tǒng)發(fā)生短路或跳閘、合閘等現(xiàn)象時(shí)，電流互感器的剩磁現(xiàn)象尤其明顯。電流互感器的剩磁程度主要取決于電流開斷瞬間鐵心中的磁通大小。當(dāng)線路出現(xiàn)短路現(xiàn)象時(shí)，磁通由原來的穩(wěn)定狀態(tài)短路電流、非周期分量和二次回路阻抗共同決定。當(dāng)電流互感器處于飽和狀態(tài)時(shí)，剩磁現(xiàn)象將會是最為明顯的。

三、電流互感器的誤差來源分析

電流互感器的主要作用進(jìn)行電力企業(yè)電力銷售情況和用戶電能消耗情況的，其計(jì)量精準(zhǔn)性直接不僅影響到了電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還會影響到用戶的利益。近年來，電力技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，人們對電能質(zhì)量的要求也在不斷提高，電能計(jì)量的精準(zhǔn)性獲得了人們更多的重視。但在實(shí)際情況中，電能計(jì)量尤其是電流互感器的計(jì)量精讀還存在較大的缺陷，給電力企業(yè)和用戶帶來了一些影響。

3.1電能表選用不合理

在實(shí)際使用過程中，用戶端的電流變化較大，電流互感器經(jīng)常處于低載負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，這將極大的影響電能計(jì)量的精讀。另外，當(dāng)電能表與實(shí)際測量參數(shù)不一致時(shí)，也會增加測量的誤差，并由于三相不平衡還會在中性點(diǎn)附近產(chǎn)生少量的電流。

3.2電流互感器的選用不合理

當(dāng)電流通過一次繞組時(shí)，會產(chǎn)生一次磁動勢。根據(jù)電磁感應(yīng)和磁動勢平衡原理就可以知道，這時(shí)二次繞組中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，二次磁動勢會抵消一次磁動勢。要使這一能量轉(zhuǎn)換能夠持續(xù)存在，就需要給鐵芯持續(xù)供給一個(gè)激磁磁動勢。由此可見，激磁磁動勢是造成電流互感器誤差的重要原因之一。

激磁磁動勢具體是通過影響電流互感器的角差和比差來影響計(jì)量精度的。從互感器的作用原理可以知道，當(dāng)一次電流為額定電流的30%-60%時(shí)，互感器的計(jì)量精度是最高的。

四、減小電流互感器對電能計(jì)量誤差的策略

4.1 采用高精度“S”電流互感器

在電能的實(shí)際運(yùn)輸輸送過程中，電路的負(fù)荷電流常常不到額定電流的30%。而使用“S”級電流互感器，可以確保電能計(jì)量在負(fù)荷達(dá)到1%-120%時(shí)的計(jì)量精度。

在電流互感器中，二次負(fù)荷包括外接導(dǎo)線、電流線圈、電能表的電阻和阻抗等。因此選擇電流互感器時(shí)，可以從這幾個(gè)方面進(jìn)行綜合的考慮。在確保電流互感器的容量的同時(shí)，盡量選擇阻抗較低的電能表，電子電能表就是不錯(cuò)的選擇。減小外接導(dǎo)線電阻等方法也能減小阻抗，提高電流互感器的精度。

4.2合理控制一次電流及其二次負(fù)荷

電流互感器一次電流大小應(yīng)該為額定負(fù)荷的30%-60%，若無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，則應(yīng)該選擇穩(wěn)定性較高的電流互感器，減少變比，實(shí)現(xiàn)提高電能計(jì)量精度的目標(biāo)。合理選擇電流互感器的額定電流，能夠確保電流互感器在更好的狀態(tài)下運(yùn)行，從而有效的減小電能計(jì)量的誤差。此外，還可以通過采用專業(yè)計(jì)量用互感器或計(jì)量用繞組的方式進(jìn)一步提高計(jì)量精度。

4.3對電流互感器進(jìn)行必要的檢修

電流互感器的檢修主要有三個(gè)部分。首先是對電流互感器銘牌和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的全面檢查，確認(rèn)其線路工作狀態(tài)是否符合要求；其次要檢查電流互感器的一次及二次回路，重點(diǎn)檢查回路是否存在短路、開路等問題，二次端子的極性有無錯(cuò)誤等；最后是對電流互感器的接線處的檢查，這一步主要是確保接線的準(zhǔn)確性，減少電路出現(xiàn)開路、多點(diǎn)接地等問題的發(fā)生頻率，防止事故的發(fā)生。

五、實(shí)例分析

下文將以電流互感器二次A相電流斷線為例，分析電流互感器對電能計(jì)量的影響。在某工廠的日常巡檢中發(fā)現(xiàn)，工廠變電所接在A相的計(jì)量裝置并沒有電流通過。通過值班記錄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年3月24日的用電量突然大幅度減少。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，該電能計(jì)量裝置的電流回路上連接了其它的設(shè)備，例如有功率表、電力定量器等。

經(jīng)過最終的檢查發(fā)現(xiàn)，定量器A相進(jìn)線端已經(jīng)脫落。測試功率因數(shù)為0.98，在接線出現(xiàn)問題的那段時(shí)間里用電量為288600KW·h。在A相電流線段期間，計(jì)量接線的情況如圖3所示。

為了研究電流互感器二次A相電流斷線對電能計(jì)量的影響，首先要對在不同功率因數(shù)下電能計(jì)量的情況進(jìn)行分析，然后得出在A相電流斷線時(shí)，電能計(jì)量的更正系數(shù)，給出A相電流計(jì)量的正確計(jì)算公式，之后就可以計(jì)算出在A相電流斷線期間實(shí)際的電能。通過一系列的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在A相電流接線出現(xiàn)問題的期間，電廠實(shí)際消耗的電量為516594 KW·h。因此，應(yīng)追補(bǔ)電量為227994 KW·h。通過上述的分析不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流互感器的二次A相電流斷線時(shí)會影響到電能計(jì)量的結(jié)果。同理，當(dāng)電流互感器二次A相、B相、 C相電流斷線或者出現(xiàn)連接錯(cuò)誤時(shí)都會對電能計(jì)量產(chǎn)生一定的影響。因此，在發(fā)現(xiàn)用電量異常時(shí)應(yīng)對電流互感器進(jìn)行檢查。

六、 結(jié)語

隨著人們生活水平的提高，電能在人們生活中作用也越來越大。而電能計(jì)量作是確保電力輸送效率和電能應(yīng)用效果的關(guān)鍵性因素，對其精度影響因素的研究有著很高的現(xiàn)實(shí)意義。本文在闡述了電流互感器誤差原因的基礎(chǔ)上，根據(jù)電流互感器在實(shí)際使用過程中的特點(diǎn)，針對電能計(jì)量的影響因素提出了相應(yīng)的解決辦法，最大限度的提高電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，以便提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。確保用戶的利益。

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