电流互感器二次回路综合评估新技术研究

朱丹

(云南电网公司德宏供电局，云南 德宏 678400)

电流互感器二次回路综合评估新技术研究

朱丹

(云南电网公司德宏供电局，云南 德宏 678400)

结合电能计量装置检测相关技术，分析电流互感器二次回路综合评估的新技术及实现方法，展望了相关新技术应用进一步发展的方向。重点介绍了电流互感器及二次回路高频导纳法的测试原理和测试方法，以及通过导纳测试数据来判断电流互感器及二次回路的方法。

电流互感器；带电测试；高频导纳

0 前言

为了保证电力系统的安全经济运行，必须对电力设备的运行情况进行监视和测量，一般的测量和保护装置不允许直接接入一次高压设备，需要将一次系统的大电流变换成小电流，才能供测量仪表和保护装置使用，这就要用到电流互感器(Current Transformer简称CT)。CT是依据电磁感应原理，由闭合的铁芯和绕组组成，是当前电力系统运行中的重要组成设备，是交流电流中二次系统和一次系统间的联络元件，可用于给测量仪器、保护和仪表、控制装置等传递信息。对CT的检测就显得尤为重要。传统的CT检测方法主要是由专业人员定期携带仪器设备到现场进行周期检验[1]，工作效率低、易出错，且不要求对CT二次回路实际负荷、在线运行状况进行周期常规测试， 这种模式难以全面细致评估CT的实际运运行状况，且存在一定的安全隐患；另外，不论针对CT及二次回路的阻抗还是导纳，常规方法都是采取停电情况下进行检测，对于已经投入现场运行的CT，目前尚无有效的手段去检测其比差、角差及二次阻抗值。而单靠周期性的停电检测不利于生产运行，而且还不能及时检测到CT的实际运行情况，错过了维护的最好时机。带电测试却能够很好地弥补这一缺陷，对于怀疑可能存在故障隐患的CT，可以有针对性的对其进行测试；对其它带电运行中的CT，通过定期带电检测，也可以达到评估在线运行CT的状况。本文结合一款新型的测试仪 (型号：505B)的基本原理和使用经验，来探讨CT及二次回路的带电测试技术和通过测试数据对电流互感器及二次回路综合评估的方法。

1 电流互感器及二次回路带电测试

505B测试仪采用全新的电子测量技术和电工测量技术，可以简化电路与产品结构，实现产品的小型化，方便对CT在线或离线进行快速、准确的测试。现场接线简单，很容易串入在线CT的二次回路，实现CT二次负荷及二次回路导纳的测试，满足对CT工作状况的检测和评估需求[2]。

1.1 电流互感器二次负荷带电测试

通过带电状态下采集CT二次电压和电流进行CT二次负荷测试。其中考虑到CT二次端电压较小、现场电磁场干扰较大等因素，系统对电压信号的采集采用高阻抗的采集原理；电流的采集方式灵活，可通过电流夹钳和将测试仪串接至CT二次回路两种方法实现。采集到的电压电流信号在测试仪中央处理器中由公式S=U×I计算出CT实际二次负荷。

接线方式如下，可根据实际使用需要选用。1)带电CT二次负荷测试——采用夹钳接入

图1 夹钳接线方式

2)带电CT二次负荷测试——采用串接接入

图2 串入接线方式

通过上述接线方式进行测试CT二次负荷，可以很好地实现带电测试的目的，并且不影响CT的正常工作。通过测量得出的CT实际二次负荷数据，可以对CT的工作状况进行分析，根据实际负荷和额定负荷的比例关系，判断CT实际二次负荷是否工作在正常范围内，从而对CT计量或保护的准确性做出判断[3]。

1.2 电流互感器及二次回路高频导纳测试

1.2.1 技术背景

传统的对CT评估方法一般需要升流器、负载箱和调压器等多种设备，测试效率不高，查不到因长时间恶化而产生的故障。研究发现，CT及二次回路在正常工作状态下导纳值基本不变，而在CT及二次回路发生故障时，如匝间短路、CT带载能力恶化、二次端子接触不良、计量回路被分流窃电等都会造成CT及二次回路的导纳值偏移正常值，随着时间推移，故障逐步恶化时导纳值和正常值比起来往往会明显出现较大的偏移。这是因为当一次暂态过程受不同负载时间常数的影响、残留在铁心的直流成分过多、匝间受绝缘破坏击穿、温升铁心导磁率下降等情况都会反应在铁心阻抗的变化上。然而不仅CT内部结构的恶化会产生明显的导纳变化，其它的一些状态也可能导致CT及二次回路导纳的变化，可以从CT特性及二次回路的等值电路上来进一步分析导纳值变化和CT工作状况的关系。

图3 电流互感器内部结构和等值电路

CT在其线性工作区域可以被当作一个恒流源，内阻无限大，二次侧的输出不会因为二次负载导纳的变化而变化。当二次阻抗持续增大时，二次励磁电压将会达到CT饱和点，此时，CT特性将会进入非线性区域工作，从而励磁电流增大，二次侧电流将会被励磁回路分流。从CT及二次回路的等值电路中 (图3b)可以推算出CT理论误差公式：

其中，Rct为二次回路直流电阻，x′2为CT一次折算到二次的漏抗。

Zb为负载阻抗，Y磁导纳。

由上述分析可以得出，CT误差和二次回路导纳大小有关，二次回路导纳或阻抗大小是由负载阻抗和励磁阻抗因素决定。在正常工作情况下，负载阻抗基本不会变化，励磁阻抗将随着二次励磁电压E2=Es=i2(Zs+Zb)的变化而变化，通过查看CT的励磁特性曲线我们可以更加直观的了解到，如下图4所示。

图4 CT励磁特性曲线

由上述可以得知，CT误差受励磁阻抗的影响，励磁阻抗受励磁电压的影响。而造成CT误差出现变化即励磁电压出现变化的因素有以下几种[4]：

1)CT内部故障引起，常见于内部线圈绝缘破坏或CT漏磁；

2)CT初级电流出现直流成分；

3)CT二次回路电阻异常变化，常见于二次回路中端子锈蚀，接触不良。

1.2.2 技术实现原理

CT内部及二次回路出现的导纳变化，都将反映在CT励磁特性和二次回路阻抗的变化上，即二次侧回路导纳大小主要由负载阻抗和励磁特性决定。反之，我们就可以通过测量得出的CT及二次回路的导纳数据来推测CT的工作状况。然而对CT二次回路阻抗、励磁阻抗的在线、带电测量却难以实现。因此，本设备在利用上述研究成果的基础上，设计在运行中的CT二次回路工频电流上叠加一个异频测试信号的办法来达到测量CT及二次回路导纳的目的。原理框图如图5所示，将测试仪串入被测CT二次回路中，测试时，主处理器控制产生PWM方波信号，经过波形转换成正弦波信号叠加到CT二次回路中去，然后，经过信号的放大、滤波、交直转换等一系列筛选处理后，对信号采集分析，进而通过显示屏将测试数据呈现出来。原理如上所述，但在实际测试中考虑到谐波及工频信号对异频测试信号的干扰，参照谐波干扰和信号频率之间的关系曲线，如下图6所示，选择l kHz到2 kHz的高频信号作为测试信号效果较为显著，且能够满足灵敏度要求。该监测仪选用注入1.6 kHz的信号的方法进行测试，1.6 kHz的频率约为33次谐波频率，能够极大的减少谐波信号对测试造成的影响，避免了因二次电流的变化和干扰造成测试数据波动，提高了设备的稳定性和抗干扰能力。且短时注入1.6 kHz的小信号，不会影响CT及二次回路的正常稳定的工作。

图5 CT及其二次回路高频导纳测试原理框图

图6 CT二次回路的高次谐波特性

1.2.3 技术应用

现场实际测试采取的接线方式如下图7所示，将测试仪串入CT二次回路中，按下测试键，自动读取数据，操作十分简单且设备因采用高性能处理器计算，测量数据具有速度快、精度高的特点。在该种接线方式下，会测试到包含电表在内的整个CT及二次回路的导纳数值。通过对比累积数据，CT正常情况下，总的结果偏移量不超过平均值的50%，而当CT或二次回路发生故障时，导纳值与正常情况下相比将会明显偏差。同时，导纳的角度值完全取决于CT的铁芯材料，一般有镍铁合金、纯硅钢片等，然而材料确定的话角度一般是稳定的，但当CT异常时，角度也会出现一定的偏差。故在实际判断中便可以通过数据的比对来达到评估CT及二次回路工作状况的目的。下面以常见的CT二次回路异常工作状况为例，参照CT及二次回路高频导纳测试原理，分析导纳值的变化情况，从而为判断故障具体形成原因提供参考依据，方法如下：

根据测试仪实际测量CT及二次回路的导纳值Y，推算出CT及二次回路的总阻抗Z。

具体实现方式如下：

其中 C=G/(G×G+B×B)，代表回路阻抗的阻性成分，即实部

D=B/(G×G+B×B)，代表回路阻抗的电抗部分，即虚部

根据总阻抗的变化，结合实部和虚部的变化，来综合分析。

1)假设CT二次回路分流，可能表现为窃电或其他意外情况，此时，等效于在CT二次回路上并接一个电阻，则CT负载阻抗减小，CT及二次回路总阻抗Z必然减少，主要为阻性分量的减小。

2)假设CT内部匝间短路，CT内部出现匝间短路，会使CT二次绕组阻抗减小，这将直接导致CT误差发生变化。假设CT二次负荷阻抗(包括线路阻抗)没有发生变化，我们可以根据测量线路总阻抗减去CT二次负荷阻抗来判断CT铁芯阻抗是否发生变化。

3)线路电阻增大，该情况一般是由于线路接触片生锈或松动等原因造成，此时，将导致CT二次负荷增大，引发计量误差增大。具体表现为回路总阻抗增大，主要为阻性分量的增大。

图7 CT及二次回路高频导纳测试接线方式

除了以上描述的二次回路异常情况外，现场还存在着很多种其它情况，比如：若电表发生故障，则会造成环路跨接、对地短路，此时测出的导纳数据也会高出正常值，等等。这些异常也会造成导纳值的偏高或偏低。我们就需要在实际运用中结合以上技术原理和方法，通过对CT及二次回路的导纳值定期监测，建立起历史数据库，将最新测量的数据与历史数据进行对比，综合评估CT及其二次回路的工作状况[5]。另外，对导纳值偏离正常值较大的情况也可以利用横向和纵向比较法进行分析，重视三相对比测量，重视每一相当前和历史变化走势，重视持续变化的情况，同时也可以结合CT及二次回路总导纳、二次负荷导纳等分项导纳值进行分析，从而对各种异常情况做出较为准确的定性判断。

2 结束语

文中从电流互感器的实际应用出发，结合当前电流互感器及二次回路检测过程中存在的一些局限，在充分分析电流互感器及二次回路等效电路的基础上，研究带电测试技术以及评估电流互感器及二次回路工作状况的有效办法。通过理论分析研究，以上的技术手段是真实可取的，实际应用中分析方法是有效的。带电电流互感器二次负荷测试方法，接线简单，设备操作方便；但是，通过技术研究的深入，还有一些值得改进的地方，比如：如何进一步提高测试的精度，使测量数据更为准确；如何使通过高频导纳法来评估电流互感器及二次回路更加的简便而不用进行大量的比对分析。这些地方的改进可能还需要长期的应用实践，不断的积累评估判断经验，并且利用先进的计算机技术建立起一套完整的专家系统，来辅助决策。

[1] DL/T448-2000，电能计量装置技术管理规程 [S].

[2] 厦门红相电力设备股份有限公司.505B中文操作手册V1.1[Z].2011.

[3] GB 1208-2006，电流互感器 [S].

[4] 白洋.电能计量装置远程效验监测系统 [J].电测与仪表，2005，(7)：30-32.

[5] 兰世红，等.导纳法在二次回路故障监测中的应用分析[J].电测与仪表，2007，(3)：25-29.

Research on Application of New Technology in Comprehensive Assessment of Current Transformer Secondary Loop

ZHU Dan
(Dehong Electric Power Supply Bureau，Dehong，Yunnan 678400)

This paper combined with the latest achievements of electric energy metering device test related technologies，the current transformer secondary loop new technology and realization of the comprehensive evaluation method，and analyzes the related methods and significance of the new technology application，and prospects the related new technology application in the direction of further development.

current transformer；charged test；high-frequency admittance method

TM93

B

1006-7345(2014)04-0020-05

2014-04-17

朱丹 (1981)，男，硕士，工程师，云南电网德宏供电局，研究方向为电气工程及其自动化 (e-mail)zhudan_work＠163.com。

云南省2013年科技项目，项目名称：电流互感器二次回路综合评估新技术应用研究，编号：K-YN2013-236