电流互感器校验原理及方法分析

高 龙,赵琳琳

(国网河北省电力公司保定供电分公司,河北 保定 071000)

电流互感器校验原理及方法分析

高 龙,赵琳琳

(国网河北省电力公司保定供电分公司,河北 保定 071000)

结合电流互感器校验在变电站中的实际应用,以现行电流互感器的技术标准为依据,分析了电流互感器极性测试、比差角差测试、伏安特性、10%误差曲线4个关键环节的测试原理及方法,对电流互感器校验工作具有一定的指导意义。

电流互感器、校验、极性、比差角差、伏安特性、误差曲线

电流互感器是变电站最基本的组成单元之一,对变电站的正常运行起着至关重要的作用。其各项指标的达标与否,直接关系到变电站继电保护系统的正确运行,甚至造成断路器拒动、误动的事故发生。因此,对电流互感器的校验显得尤为重要。极性测试是对电流互感器一、二次电流相角关系的验证,比差角差测试是对电流互感器精确度进行的测量,伏安特性测试可以验证绕组内部是否发生匝间短路,10%误差曲线测试可以得出互感器所带二次负荷是否满足误差要求。以上四项是电流互感器校验中的关键环节,该文将对以上四项测试的原理及方法进行分别阐述。

1 极性测试原理及方法

交流电为正弦波,在交流回路中电流的方向随时间在改变。按照规定,电流互感器一次线圈首端标为P1,尾端标为P2;二次线圈的首端标为S1,尾端标为S2。电流互感器的极性与绕组的耦合方式有关(右手螺旋定理),根据GB 1208-2006电流互感器(IEC 60044-1)标准的规定,当一次电流从P1流向P2时,若感应出的二次电流方向为S2流向S1,则这类电流互感器接线形式叫做同极性或减极性,P1和S1称为同极性端或同名端,用符号“*”表示,如图1所示。

图1 电流互感器减极性示意

极性测试较为简单的方法是,用1.5 V干电池接一次线圈,电池正极接P1,用一灵敏度较高的直流电流表接二次线圈,S1接电流表的“+”。当一次线圈回路闭合时,如果发现电流表指针正向偏转,或者当一次线圈回路断开时,如果电流表指针反向偏转,则可判定为是减极性接法,否则是加极性或反极性接法。

2 比差角差测试原理及方法

电流互感器的误差可分为比差和角差。

电流互感器在正常运行时,由于实际电流比与额定电流比不相等所造成的误差称为比差,用百分数表示,计算公式为:

式中:KS为额定电流比,IP为实际一次电流,IS为测量条件下,流过二次绕组的实际电流。

电流互感器一、二次绕组电流的相角差称为角差。即二次电流向量逆时针转180度后与一次电流向量之间的相角差,二次电流向量超前一次电流向量为正,通常用分或者厘弧为单位。

GB 1208-2006电流互感器(IEC 60044-1)标准对各个准确级的电流互感器比差角差限值有明确的规定,现罗列如下。

a.对于0.1、0.2、0.5和1级,在二次负载为额定负载的25%～100%之间的任一值时,其额定频率下的比差和角差应不应超过表1所列限值。

表1 测量用电流互感器(0.1～1级)比差和角差限值

b.对于0.2S、0.5S级,在二次负载为额定负载的25%～100%之间的任一值时,其额定频率下的比差和角差不应超过表2所列限值。

表2 计量用电流互感器比差和角差限值

c.对于5P、10P级,在额定频率及额定负荷下,比差、角差、额定准确限值下的复合误差不应超过表3所列限值。

表3 保护用电流互感器误差限值

比差角差测试宜选用电流互感器校验仪进行测试,将所测结果与表1、表2、表3中数据进行比对,在限值下则所测电流互感器合格。

3 伏安特性测试原理及方法

TA伏安特性,是指在电流互感器一次侧开路的情况下,电流互感器二次侧励磁电流与电流互感器二次侧所加电压的关系曲线(电压为纵座标,电流为横座标),其实际上就是铁芯的磁化曲线。

众所周知,电流互感器正常工作时,铁芯磁通密度B很小,励磁电流I0也很小,根据电流互感器等值电路(图2)得知,I2=I1-I0≈I1,I2与I1的误差极小。当一次电流变得极大时,如发生了短路故障,磁通密度B大大增加,I0也相应增加,但磁通B增加到一定程度后将出现饱和现象,磁通增加将变得困难,这时增加I0并不能使磁通成线性增加,而是增加I0时B增加越来越少。这时I0将急剧增大,于是I2=I1-I0就会出现较大误差。这就是铁心饱和导致互感器出现大的传导误差的原理[1]。

图2 电流互感器等值电路

电流互感器一次侧开路的情况下,在二次侧通电压U,由等值电路图可知此时I0=I2,根据磁感应定律,在固定频率的交流磁场中U与B成正比,故U与I2的关系曲线即描述的是磁通B与励磁电流I0的关系曲线,即电流互感器铁芯的磁化曲线。如图3所示。

图3 伏安特性曲线

根据伏安特性曲线可得出2个结论,一是得出电流互感器的10%误差曲线,二是可以判断电流互感器是否发生匝间短路。

施加于电流互感器二次接线端子上的额定频率的电压,若其有效值增加10%,励磁电流便增加50%,则此电压值称为伏安特性曲线的拐点电压。拐点电压位置的电流互感器铁芯进入饱和状态,此时励磁电流几乎全部损耗在铁芯发热上,由于CT直流电阻R2与CT二次绕组匝数有关,当CT二次绕组匝间短路时,造成直流电阻R2降低,在CT伏安特性上表现为拐点电压U有明显的下降,据此可以判断CT二次绕组异常。

借助于电流互感器校验仪或手动加电压测电流,可得出该互感器当前的伏安特性曲线和拐点电压,拿之与设备投运时该CT的伏安特性曲线和拐点电压进行比较,二者一致或相差不大则该电流互感器合格。如图3所示,1为投运时的伏安特性曲线,A为当时拐点,2为当前伏安特性曲线, B为当前拐点,A点与B点相差较大,故该电流互感器可能发生了匝间短路。

4 10%误差曲线测试原理及方法

对保护用电流互感器必须按实际的二次负载大小及系统可能出现的最大短路电流进行10%校核。电流互感器的10%误差是继电保护装置对其的最大允许值,也是各类保护装置整定的依据。所以10%误差曲线的计算非常重要,特别是对母差保护、变压器及发电机的差动保护,由于这类保护的定值较灵敏,其整定依据之一就是躲过各侧电流互感器按10%误差计算出来的最大综合误差。

当一次系统故障时,电流互感器一次电流通常比正常运行时的电流大得多,因此,电流互感器的误差也会增大。不论是一次电流加大,还是二次负载阻抗增加,其结果都会引起电流互感器感应电动势的升高,从而扩大误差。所谓10%误差曲线是变比误差为10%时,一次电流I1与其额定电流I1N的比值(m=I1/I1N)和二次负载阻抗ZY的关系特性曲线。也可以理解为,在不同的一次电流倍数下,为使电流互感器的变比误差小于或等于10%而允许的最大二次负载阻抗[2-3]。

如上文所述,根据伏安特性曲线可得出10%误差曲线,再根据系统可能出现的最大短路电流倍数,查10%误差曲线可得出在10%误差限下所允许的最大二次负载阻抗ZYMAX,若实际二次负载阻抗ZL＜ZYMAX,则认为该电流互感器合格。

根据CT等值电路(图2)可得

图4 10%误差曲线示意

表4 电流互感器10%误差曲线的测量与计算

计算过程如下:

对LB-220电流互感器一个电流圈的实测数据并计算的数据如表4所示。其最终目的是要计算出不同短路电流倍数下的最大二次允许负载ZYMAX。再根据各离散点连成一条平滑的曲线,即为10%误差曲线。假设该电流互感器使用在最大短路电流IK=18 k A处,则m=15,查出ZYMAX=3.9Ω,大于实测二次负载1.96Ω,结论为该互感器合格。

现场测量Z2较为困难,其大小对计算结果影响不大,一般根据使用的互感器的型号不同用经验公式Z2≈(1～3)R2求得。

5 结论及建议

电流互感器是变电站保护、测量、计量、录波系统的基础,承担着基础电流数据采集的重任,地位举足轻重。而电流互感器校验能使其电流输出更加准确和可靠,从而提高了利用电流互感器实现保护和测量的可靠性。该文从变电站现场工作实际出发,结合现行技术标准,分析了电流互感器校验中的4个关键环节,对智能电流互感器校验仪器的研发和供电公司电流互感器例行试验具有一定的指导意义。随着智能电网和智能变电站的不断推进,光电流互感器迅猛发展,已在全国各地投产运行。光电流互感器的校验除了极性测试、比差角差测试仍然试用外,其他两项测试由于互感器本身原理的变革已变得没有意义,所以光电流互感器校验的方法仍需广大电力工作者的不断钻研。

[1] 国家电网公司人力资源.国家电网公司生产技能人员职业能力培训通用教材-电气试验[M].北京:中国电力出版社, 2010.

[2] 高占杰.CT伏安特性试验及10%误差曲线[J].水电厂自动化,2008,29(1):78-80.

[3] 郭耀珠,石 光,刘 华,等.保护用电流互感器10%误差曲线现场测试及其二次负载校核[J].电力系统保护与控制, 2008,36(23):103.

[4] DL/T 866-2004,电流互感器和电压互感器选择及计算导则[J].

[5] GB 1208-2006,电流互感器[J].

本文责任编辑：罗晓晓

Principle and Method of Key Link in Current Transformer Verification

Gao Long,Zhao Linlin
(State Grid Hebei Electric Power Corporation Baoding Power Supply Branch,Baoding 071000,China)

Current transformer calibration is a very important routine test project of power supply company.Combined with the practical application of current transformer calibration in substation,and the current technical standard of current transformer, this paper expounds comprehensively the principle and method of four key items,including the polarity test,the Ratio and angle difference test,Volt ampere characteristic,and the 10%error curve.

current transformer calibration;polarity;Ratio and angle difference test;volt ampere characteristic;10%error curve

TM452

B

10019898(2017)02005403

20170224

高 龙(1988-),男,助理工程师,主要从事电力系统保护及自动化专业管理工作。