1000 kV保护用电流互感器励磁特性试验及数据分析

孔祥平，高　磊，黄浩声，李　鹏，王　业

（江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103）



1000 kV保护用电流互感器励磁特性试验及数据分析

孔祥平，高磊，黄浩声，李鹏，王业

（江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103）

摘要：保护用电流互感器（TA）的性能优劣直接影响保护装置的动作行为和电力系统的运行安全，而检验其性能是否满足运行要求的最有效方法是对保护用电流互感器开展励磁特性试验。文中介绍了工频法、变频法和直流法等几种常用的励磁特性试验方法及其优缺点，并指出需采用变频法对1000 kV套管电流互感器进行励磁特性试验。最后介绍了特高压输变电工程中1000 kV套管电流互感器的励磁特性试验方案，并以1000 kV气体绝缘全封闭组合电器的套管电流互感器的励磁特性试验为例，对现场试验数据和被测电流互感器的性能进行了分析。

关键词：保护用电流互感器；性能检验；励磁特性试验；数据分析

保护用电流互感器（TA）是继电保护装置的主要设备之一，其性能直接影响电力系统的安全运行［ 1 ］。由于保护用TA的性能无法满足实际现场应用要求而导致TA饱和，从而引起保护误动的事件时有发生，特别是各侧TA饱和性能不一致造成差动保护误动的问题尤为突出［ 2 ］。对保护用TA开展励磁特性试验，是检测保护用TA性能最常用、最有效的方法。通过开展励磁特性试验，可以检查TA的铁心质量，判断TA的绕组有无匝间短路、励磁特性曲线是否满足保护装置运行要求，以确保设备安全运行［ 3 ］。

1　TA励磁特性试验方法

TA励磁特性试验的接线如图1所示。

图1　TA励磁特性试验原理接线

在图1中，N1为TA一次绕组匝数，N2为被测二次绕组匝数。在进行励磁特性试验时，TA一次绕组、以及除被测二次绕组外的其余二次绕组均应开路。根据图1中试验电源输出电压频率f的不同，TA励磁特性试验方法可分为工频法、直流法和变频法等3种。

1.1工频法

所谓的工频法，就是在工频条件下对TA进行励磁特性试验。在试验过程中，保持试验电源输出电压的频率f=50 Hz不变，调节其幅值，使得被测二次绕组中的电流逐渐上升，从而绘制被测绕组的励磁特性曲线。

工频法原理简单，试验电源易获取且操作方便，但是为保证被测TA的安全，试验电源的输出电压不能过高，一般不超过2500 V。然而，在特高压输变电工程中，高电压、大变比的保护用TA在现场被大量采用。此类TA的拐点电压较高，传统的工频法难以满足试验要求。

1.2直流法

直流法是通过试验电源在被测二次绕组上施加一恒定的直流电压，使磁通逐渐上升并达到饱和来确定TA的励磁特性［ 4 ］。利用直流法进行TA励磁特性试验的过程是测量、记录励磁电流I，并对绕组两端电压进行积分得到磁通Φ。根据记录的电流和磁通绘制TA各绕组的Φ- I励磁特性曲线。

直流法可以避免TA绕组和二次端子承受过电压，通过正反充放电的测量方法可得到完整的励磁曲线，但无法适用于三相角接TA的励磁特性试验。

1.3变频法

所谓变频法，其采取的试验电源的输出电压频率是变化的。在励磁特性试验过程中，可以不断地降低输出电压频率，以相应地将折算至50 Hz条件下的等效电压值提高至TA的拐点电压以上［ 5，6 ］，从而得到被测TA的励磁特性曲线。

变频法实现TA励磁特性试验的原理是励磁阻抗Zm=j2πfLm的大小与电压频率成正比，因而降低频率可以降低励磁阻抗，从而能够在较低励磁电压下获得相同的励磁电流。试验频率fx下实测试验电源输出电压的峰值Ux与额定频率f下的等效电压峰值U的折算关系为：

采用变频法进行TA的励磁特性试验的优点主要体现在以下几个方面：（1）理论上可以满足任何电压等级下任意变比的TA励磁特性试验要求；（2）设备输出容量低，无需大容量的升压装置，工作效率高，且不受试验场所限制；（3）在低电压下完成试验，试验过程中人身、设备安全得到保障。

2　1000 kV套管TA励磁特性试验方案

在特高压输变电工程中，1000 kV TA主要安装在变压器、电抗器套管处以及GIS断路器两侧，均为套管式TA。由于1000 kV套管TA的变比很大，其拐点电压较高，尤其是1000 kV GIS套管TA的拐点电压甚至高达27 000 V。为了满足高电压、大变比TA励磁特性试验的要求，得到完整、准确的TA励磁特性曲线，在现场使用变频法开展TA励磁特性试验。下面分别介绍变压器/电抗器套管TA和GIS套管TA的励磁特性试验方法。

2.1主变/电抗器套管TA励磁特性试验

变压器/电抗器套管TA励磁特性测试接线如图2所示。在进行某相套管TA试验时，TA分析仪的2 个C1端接套管TA所测量绕组的S1端，TA分析仪的2个C2端接套管TA所测量绕组的S2端并接地。试验时保证TA一次侧、除被测二次绕组外的其余二次绕组开路。

图2　变压器/电抗器套管TA励磁特性测试接线

2.2GIS套管TA励磁特性试验

将GIS套管TA两端一次线断开，并合上接地刀闸，按图3所示方法接线，TA分析仪的2个C1端接TA所测量绕组的S1端，TA分析仪的2个C2端接TA所测量绕组的S2端并接地。试验时保证TA一次侧、除被测二次绕组外的其余二次绕组开路。

按上述接线方式接线完毕后，把被测TA绕组的铭牌参数输入到TA分析仪，确认正确后，点击开始即可进行相关试验。

2.3试验注意事项

1000 kV套管TA励磁特性试验属于特殊性交接试验，由于现场正在施工，试验环境较为复杂，在试验过程中尤其需要注意以下事项，以确保试验人员和周围其他工作人员的人身安全以及TA分析仪和被测TA的设备安全。

图3　GIS套管TA励磁特性测试接线

（1）试验人员应熟悉TA励磁特性试验的有关步骤和方法，提前做好试验前的各项准备工作。

（2）进入试验现场，试验人员必须戴安全帽、穿绝缘鞋。

（3）试验前应详细了解现场情况，并与施工单位和TA厂家的技术人员进行充分沟通，检查安全工器具、被测TA和测试仪器。

（4）合理使用临时电源；保证TA分析仪金属外壳接地良好；试验线路接好后，必须检查确认无误后，才能进行试验。

（5）试验应在试验负责人统一指挥下进行；试验过程应呼唱，试验人员在试验过程中注意力应高度集中，防止异常情况的发生；出现异常情况时，应立即停止试验，查清原因后决定是否继续试验。

（6）在作业单元遇交叉作业情况时，立即停止工作。直至协商完成后，并安排专人进行看护，方可继续试验。

（7）遇突发降雨、大风、雷电等恶劣天气情况，立即降压降流，切断电源，停止试验。

3　励磁特性试验数据分析

依据GB 16847—1997［ 7 ］和GB/T 50832—2013［ 8 ］等标准，利用变频法对1000 kV GIS套管的5P级和TPY级保护用TA开展了励磁特性试验。5P级和TPY级保护用TA的主要技术参数如表1所示。出厂试验数据如表2所示。利用变频法得到的现场试验数据则如表3所示，励磁特性曲线分别如图4、图5所示。

对比表2和表3可以看出，被测1000 kV GIS套管的5P级和TPY级保护用TA的出厂试验数据与现场试验数据的差别较小。下面主要针对被测5P级和TPY级保护用TA的拐点电压进行分析。对于TPY级保护用TA，其额定二次极限电动势Ea1为：

表1　1000 kV GIS套管TA主要技术参数

表2　1000 kV GIS套管TA出厂试验数据

表3　1000 kV GIS套管TA现场试验数据

图4　CT121的励磁特性曲线

图5　CT125的励磁特性曲线

式中：Kssc为对称短路电流倍数；Isn为额定二次电流；RTA1为被测TPY级保护用TA的二次绕组电阻；Zbn1为被测TPY级保护用TA的额定负荷（功率因数取1）；Ktd为额定暂态面积系数。

按照单次励磁（C-O）工作循环计算，则：

式中：ωs=314.16 rad/s，为同步角频率；Tp=0.12 s，为1000 kV系统一次回路时间常数；Ts=3.9 s，为TPY级保护用TA的二次回路时间常数；t1=0.1 s，为断路器首次切断时间。计算可得Ktd约为22.0；由式（1）计算可得，Eal=18 616 V。

对于5P级保护用TA，其额定二次极限电动势：

式中：Kalf为准确限值系数；RTA2为被测 5P级保护用TA的二次绕组电阻；Zbn2为被测5P级保护用TA的额定负荷（功率因数取1）。计算可得，Esl=1416 V。

对比式（2）、式（4）和表3所示的套管TA现场试验数据可以发现，被测TPY级和5P级保护用TA的拐点电压实际值大于其相应的额定二次极限电动势；同时与出厂试验数据和同类别TA的励磁特性试验结果进行比较，被测TPY级和5P级保护用TA符合运行使用要求。

4　结束语

开展保护用电流互感器的励磁特性试验，以检验其性能是否满足运行要求，是特高压输变电工程的一项重要现场交接试验。文中介绍了1000 kV 变压器、电抗器和GIS的套管TA励磁特性试验方案；并指出需采取变频法开展1000 kV 套管TA的励磁特性试验，以应对特高压现场中高电压、大变比TA拐点电压高的实际情况。同时，从拐点电压的角度对1000 kV GIS套管TA的现场试验数据进行了分析。该研究成果可以为特高压现场开展保护用TA的励磁特性试验提供借鉴。

参考文献：

［1］ 李园园，沈 军，朱晓彤，等. 区域电网电缆—架空线混合线路故障区间判别方法及实现［J］. 江苏电机工程，2014，33（2）：64-68.

［2］ 覃燕凤. TA饱和特性对继电保护的影响分析［J］. 电气开关，2013（3）：96-99.

［3］ 梁仕斌，王建新. 电流互感器励磁特性试验及其新方法［J］. 继电器，2007，35（S）：398-402.

［4］ 王茂松，田文革，杜建嵩，等. 测定保护用电流互感器铁心励磁特性的直流法［J］. 变压器，2005，42（4）：1-3.

［5］ 梁仕斌，文 华，赵 涓，等. 低频变频电源测量铁磁元件伏安特性的一种补偿计算方法［J］. 中国电机工程学报，2010，30（3）：125-129.

［6］ 张地生，孔 忻，李 晗，等. 电流互感器伏安特性测试方法的研究［J］. 高压电器，2012，48（6）：80-84.

［7］ 全国变压器标准化技术委员会. GB 16874—1997 保护用电流互感器暂态特性技术要求［S］. 北京：中国标准出版社，1997.

［8］ 全国变压器标准化技术委员会. GB/T 50832—2013 1000 kV系统电气装置安装工程电气设备交接试验标准［S］. 北京：中国计划出版社，2013.

孔祥平（1988），男，江西上饶人，工程师，从事电力系统继电保护研究工作；

高磊（1982），男，山东青岛人，高级工程师，从事智能变电站调试、运维技术的研究工作；

黄浩声（1979），男，浙江温岭人，高级工程师，从事直流输电控制与保护研究工作；

李鹏（1982），男，陕西周至人，高级工程师，从事直流输电控制与保护研究工作；

王业（1984），男，江苏南京人，工程师，从事直流输电控制与保护研究工作。

Excitation Features Testing and Field Data Analysis for the Current Transformer Used in 1000 kV Protection

KONG Xiangping， GAO Lei， HUANG Haosheng， LI Peng， WANG Ye
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute， Nanjing 211103， China）

Abstract：The performance of the current transformer used in protection is of great significance to the action of relay protection and the operation safety of power systems. In order to evaluate the performance of the current transformer used in protection， it is necessary to implement excitation features test. The commonly used excitation features testing methods （such as power frequency method， variable frequency method and direct current method）， as well as their advantages and disadvantages are introduced. It is pointed that the variable frequency method should be adopted for the excitation features testing of 1000 kV current transformer. Moreover， the excitation features testing schemes for the 1000 kV current transformer used in Gas Insulated Switchgear （GIS） are introduced. Finally， according to the field testing data of the 1000 kV current transformer， the performances of the tested current transformers are analyzed.

Key words：current transformer used in protection； performance evaluation； excitation features testing； data analysis

中图分类号：TM452

文献标志码：B

文章编号：1009-0665（2016）03-0060-04

作者简介：

收稿日期：2015 -11-13；修回日期：2015-12-28