剩磁對電流互感器誤差的影響

周 遷

（云南電力技術(shù)有限責任公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

電力系統(tǒng)用電流互感器是將電力系統(tǒng)中一次側(cè)大電流通過電磁感應(yīng)原理轉(zhuǎn)換到二次側(cè)小電流（1 A/5 A），供計量儀表、測量儀表及保護裝置使用的一種特殊變壓器，是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)元件。目前，我國計量規(guī)程規(guī)定計量繞組的準確度等級為0.2級。

長期運行的電流互感器在檢定時往往發(fā)現(xiàn)誤差超差，不能滿足計量準確度等級要求。究其原因，影響因素是多種多樣的，但是剩磁對互感器誤差超差準確度等級下降的影響尤其明顯。

1 電流互感器誤差產(chǎn)生的原因

根據(jù)基本電磁感應(yīng)關(guān)系，得出互感器的等效電路圖（圖1）。將二次側(cè)的電流和阻抗折算到一次側(cè)，二次繞組阻抗為與，一次側(cè)繞組很小，可以忽略；一次電流用表示，勵磁支路的勵磁電流為，阻抗用電阻為，電抗為X0，二次側(cè)所帶負荷用和表示。當一次繞組中流過電流時，由于電磁感應(yīng)在二次繞組中會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2，在二次繞組帶有負荷的情況下，二次繞組中會產(chǎn)生電流在勵磁回路中會產(chǎn)生勵磁電流以產(chǎn)生磁通。

根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL），所有進入某節(jié)點的電流的總和等于所有離開該節(jié)點的電流的總和，故一次電流為：

電流互感器的誤差（比值差）f的計算公式為：

圖1 互感器的等效電路

其中，K為電流互感器的額定電流比。

由式（1）和式（2），可得：

根據(jù)式（3）可得出，勵磁電流I0的存在是導(dǎo)致互感器存在誤差的原因。

2 剩磁產(chǎn)生的原因

電流互感器產(chǎn)生的剩磁分為穩(wěn)態(tài)剩磁和暫態(tài)剩磁。穩(wěn)態(tài)剩磁主要是由于互感器自身鐵磁材料固有的磁滯特性產(chǎn)生，暫態(tài)剩磁主要是由短路故障下的剩磁產(chǎn)生。

剩磁產(chǎn)生的原理可通過圖2說明，圖中H為磁場強度，B為磁感應(yīng)強度，Oa為磁化曲線，Br為剩余磁感應(yīng)強度。當鐵磁材料從未磁化狀態(tài)（B=0、H=0）開始磁化時，低漏磁鐵芯可以看作H=NIm，N為匝數(shù)。在勵磁電流Im作用下，H增加，B隨著H的增加而非線性增加。當H增加到Hs后，B增加緩慢，趨于穩(wěn)定到Bs，這時磁化到達飽和狀態(tài)，稱為磁飽和；當H從Hs開始減小時，B隨著減小，但不沿原曲線減?。划擧減小到0時，B減小到Br，此時無磁場強度，但是鐵磁材料中仍保留一定的磁性Br，這種現(xiàn)象就是磁滯效應(yīng)，其中Br為剩余磁感應(yīng)強度，簡稱剩磁。從變化曲線可以看出，若想消除剩磁，需要反向增加磁場強度H到Hc，Hc稱為矯頑力。

圖2 剩磁產(chǎn)生的曲線

由圖2可得出：

（1）B的變化始終落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)場；

（2）圖中的bc曲線段稱為退磁曲線；

（3）H上升到某一值和下降到同一數(shù)值時，鐵磁材料內(nèi)的B值不相同，即磁化過程和鐵磁材料過去的磁化經(jīng)歷有關(guān)。

暫態(tài)剩磁產(chǎn)生的原因主要有以下幾方面：（1）運行過程中對斷路器進線跳閘、合閘操作；（2）電力系統(tǒng)發(fā)生短路；（3）電流互感器經(jīng)歷過開路運行；（4）對互感器進行試驗時也可能產(chǎn)生剩磁[1]。

3 剩磁造成互感器誤差偏大的原因

從磁化分析可得到，電流互感器的基本誤差ε等于勵磁磁勢F0和工作磁勢F1之比，即：

從電路方面可得，基本誤差ε等于勵磁電流I0與工作電流I1之比，即：

根據(jù)安培環(huán)路定理和法拉第電磁感應(yīng)定律，可得：

根據(jù)磁化曲線B（H、ψ），可以計算出電流互感器基本誤差：

其中，f和δ分別為電流互感器的比值差和相位差，ψ為電流互感器的鐵芯損耗角，α為二次回路功率因數(shù)角。當鐵芯存在剩磁時，不管剩磁的方向，其勵磁磁勢F0將相應(yīng)增大，使誤差增大并向負向偏移[2]，造成電能計量偏小。

4 減小剩磁影響的措施

4.1 消除剩磁對測量用電流互感器影響的措施

（1）采用疊片式鐵芯可以大大降低剩磁的影響。由于疊片式鐵芯連接處有較大的磁阻，使得鐵芯原有的矯頑力降低，鐵芯的單位磁化能量降低，即剩磁減小。缺點是在相同條件（鐵芯截面積、二次負荷等）下必須增加互感器的匝數(shù)，這對絕緣和材料成本都有影響。

（2）非晶材料和坡莫合金材料矯頑力很小，用這兩種材料制成的電流互感器的殘留剩磁對0.2級準確度幾乎沒有影響。與硅鋼片相比，這兩種材料的磁導(dǎo)率高4倍以上，缺點是價格偏高[3]。

（3）設(shè)計制造時適當加大鐵芯截面積，減小鐵芯磁通密度，使電流互感器工作的磁通密度遠離貼心的飽和磁密點，可以使磁路暢通，不會使一次繞組產(chǎn)生的磁場選擇其他路徑而產(chǎn)生漏磁場，從而減少剩磁對互感器準確度等級的影響。

（4）在試驗環(huán)節(jié)控制。修改現(xiàn)行檢定規(guī)程的有關(guān)條款要求，測量用電流互感器應(yīng)該在退磁和充磁兩種狀態(tài)下都能滿足準確等級的要求，而不是只對退磁試驗后的準確度等級做出要求。

（5）采用電子式互感器。電子式互感器無電磁感應(yīng)，具有暫態(tài)特性好，無剩磁、無飽和、絕緣結(jié)構(gòu)簡單、無需油和氣作為絕緣介質(zhì)等優(yōu)點。

4.2 電流互感器的退磁方法

根據(jù)互感器鐵芯的磁化過程和退磁原理，平時主要采用以下兩種方法退磁。

4.2.1 開路法

選擇一、二次繞組中匝數(shù)較少的繞組（一般為一次），通過10%～15%的額定電流，其他繞組均開路，將電流平穩(wěn)、緩慢的降至0。匝數(shù)最多的繞組接監(jiān)視電壓表，當電壓表讀數(shù)達到2.6 kV時退磁。

4.2.2 閉路法

二次繞組接上額定負荷10～20倍的電阻（若有兩個或兩個以上二次繞組，其余繞組開路），一次繞組通上額定的1.2倍電流，然后緩慢降至0。

5 結(jié) 論

正常運行中的電流互感器，在操作和故障中都可能產(chǎn)生鐵芯剩磁，這是普遍存在的情況。正常工況下，鐵芯運行在小磁滯回線狀態(tài)，剩磁不會自動消失。長期使用過程中，剩磁對測量保護和電流互感器的性能都會產(chǎn)生影響，使得電流互感器的誤差往負方向偏移，造成電能計量損失。測量用電流互感器可以采用磁導(dǎo)率高、剩磁系數(shù)小的優(yōu)質(zhì)鐵芯材料，以保證剩磁的影響量不會偏大，如疊片式鐵芯、非晶和坡莫合金材料等。在試驗過程中進行控制，確?；ジ衅髟谕舜藕统浯艃煞N狀態(tài)下都能滿足準確等級的要求。另外，條件允許的情況下，在每次大擾動后進行退磁，以保證互感器的準確度等級滿足要求。