特高压电流互感器励磁特性测试研究

王军，李宽，赵斌超，李玉敦，史方芳

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003）

特高压电流互感器励磁特性测试研究

王军，李宽，赵斌超，李玉敦，史方芳

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003）

电流互感器（TA）励磁特性测试是判断TA有无绕组匝间短路缺陷的重要依据，亦是TA带负载能力校核的基础。通过分析TA的工作原理，研究了铁芯饱和、外部电流等因素对TA励磁特性测试的影响。介绍两种常见的TA励磁特性测试方法——直流法和交流变频法，研究两种测试方法的测试原理以及对不同准确级TA绕组的测试适用性，比较两种测试方法的优缺点。搭建基于直流法和交流变频法的TA励磁特性现场测试平台，对某1 000 kV特高压变电站TPY级、5P级、0.2级TA绕组进行测试，对比分析两种方法在不同准确级TA绕组测试中的适用性。

特高压；电流互感器；励磁特性

0 引言

TA励磁特性曲线是指当TA一次绕组和其他绕组开路时，施加于TA二次端子上的正弦波电势方均根值与励磁电流方均根值之间的关系曲线。通过TA励磁特性测试，能够检查TA的铁芯质量，找到TA饱和时的电压拐点位置，并用以判断TA的二次绕组有无匝间短路等缺陷。目前常用的测试方法有直流法和交流变频法，对于特高压TPY级、5P级和0.2级TA，不同的测试方法在测试精度和测试速度上具有较大差异，本文从理论上分析了两种测试方法的优缺点及对不同准确级TA的测试适用性，并进行了现场测试，通过分析测试数据，验证了理论分析的正确性。

1 TA工作原理

TA的结构与变压器类似，其基本电路如图1所示，一次、二次绕组和铁芯为基本部件，一次绕组和二次绕组在同一个磁路闭合的铁芯上。如果一次绕组带电而二次绕组开路，TA成为一个带铁芯的电抗器，一次绕组中的电压降等于铁芯磁通在该绕组中引起的电动势，铁芯磁通也在二次绕组中感应出相应的电动势。如果二次绕组的回路通过一个阻抗形成闭路，则二次回路中将产生一个电流，此电流在铁芯中产生的磁通趋向于抵消一次绕组电流产生的磁通［1-3］。

图1 TA工作原理

假设TA为不需要励磁的理想互感器，那么一次电流与二次电流之比与二次匝数与一次匝数之比相等，二者之间没有误差。但实际互感器中，为了实现一次、二次的能量传递，首先需要建立磁场，且这个磁场会产生损耗，因而需要一定的电流才能维持，这个电流称为励磁电流。与一次电流、一次线圈匝数、二次电流、二次线圈匝数的关系为［1，4］

式中：I1、N1、I2、N2、I0分别为TA一次电流、一次线圈匝数、二次电流、二次线圈匝数、励磁电流。TA励磁特性测试的任务就是要测量二次绕组的励磁电流。

2 TA励磁特性影响因素

2.1 外部电流对TA励磁特性的影响

外部电流产生的磁通与TA的二次绕组交链，当外部电流随时间变化时，交链的磁通会在TA的二次绕组中产生感应电动势，与由TA主磁通在二次绕组中产生的感应电动势叠加，共同作用在二次回路上，从而影响了TA的二次电流［5］。

图2 外部电流干扰下TA的互感耦合等值电路

外部电流干扰下TA的互感耦合等值电路如图2所示。根据等值电路，电路原、副边的电压方程为

式中：R1、R2、R3分别为一次绕组、二次绕组、外部电流导体的电阻；L1、L2、L3分别为一次绕组、二次绕组、外部电流导体的自感；I1、I2、I3分别为一次电流、二次电流、外部电流；M12为一次绕组、二次绕组的互感；M13、M23分别为一次绕组二次绕组与外部电流导体的互感；U1、U3分别为一次绕组、外部电流导体的电压降；ZL为TA负载。

对（2）式进行整理，并将一次侧相关参数折算至二次侧，得

式中：R′1为折算至二次侧的一次绕组电阻；L′1为一次绕组自感；I′1为折算至二次侧的一次电流；M′12为折算至二次侧的一次与二次绕组的互感；M′13为折算至二次侧的一次绕组与外部电流导体的互感；I′3为折算至二次侧的外部电流；U′1为折算至二次侧的一次绕组的电压降。

根据式（5），将TA一次侧和外部电流参数折算到二次侧，画出外部电流干扰下TA的去耦等效电路，如图3所示。

图3 外部电流干扰下TA的去耦等效电路

根据图3所示等效电路，可得外部电流干扰下TA的复数误差为

式中：M′23为折算至二次侧的二次绕组与外部电流导体的互感。

由于外部电流导体（铝制或铜制）的磁导率与空气磁导率相近，并且铁芯的磁导率远大于空气磁导率，故假定TA一次、二次绕组的互感M12和二次绕组的自感L2基本不变。因而，TA的误差与二次绕组、外部电流导体之间的互感M23和外部电流的大小有关［6］。

2.2 铁芯饱和对TA励磁特性的影响

由以上分析可知，当铁芯处于线性工作区时，外部电流对TA误差的影响可以忽略不计。但是，当铁芯达到饱和后，铁芯磁导率迅速下降，励磁电流大幅度增加，导致TA的误差急剧增大。另外，TA铁芯达到饱和后，二次电流与一次电流不再是线性关系，具体畸变的形式与二次负荷的特性有关［7-8］。

TA铁芯的励磁阻抗为有限值，并且TA铁芯未饱和时也有一定损耗。当铁芯达到饱和后，磁通仍存在轻微变化，从而造成二次电流的轻微变化。铁芯饱和时，若系统发生暂态故障，短路电流中存在非周期分量引起的暂态过程，磁通波形如图4所示［9］。

图4 短路电流有非周期分量饱和时磁通波形

铁芯饱和时的电流波形如图5所示，图中，i1、i2分别为TA的一次电流、二次电流。

图5 非周期分量引起的饱和

故障情况下，由于受到铁芯饱和的影响，未饱和段的磁通波形也不再是正弦，从而导致二次感应电动势和二次电流的波形出现尖峰，含有高次谐波分量。

综上所述，外部电流产生的杂散磁通与TA铁芯的主磁通叠加后，如果铁芯保持工作在线性区，则外部电流对TA误差性能的影响可以忽略不计；如果铁芯出现局部饱和甚至完全饱和，则TA励磁电流会大大增加，二次电流波形发生畸变，致使TA性能严重下降甚至失效。

3 TA励磁特性测试方法

式中：Rct为TA二次绕组电阻；im为二次回路励磁电流。式（7）为TA励磁特性测试的基本关系式。

3.1 直流法

直流法是指采用某一直流电压，产生恒定的磁通，随着励磁电流缓慢上升，对励磁的绕组端电压减去与二次绕组电阻和二次回路励磁电流相对应的电压后，再进行积分，得到励磁特性曲线。直流法测试TA励磁特性曲线的优点主要有：

1）对于低变比TA，测试精度高。低变比TA具有二次绕组匝数少、二次回路直流电阻低的特点。若采用交流变频法，变频交流信号一般由放大器输出，不可避免的含有直流零漂。假设直流零漂有1 mV，当测试直流电阻为0.1 Ω的TA时，励磁电流里含有直流电流为10 mA。对于低变比TA，励磁特性曲线拐点电流约为几十毫安，因此该直流分量产生的电流将对励磁特性测试的精度产生较大影响，采用直流法时则不存在这种问题。

2）对于高拐点TA，测试速度快。直流法采用某一直流电压，测试时TA铁芯饱和快，测试速度快。

3）直流法抗电磁干扰性强，伏安特性取值稳定，多次测试结果离散度小。

缺点：对于采用电容补偿绕组的TA，直流法无法测试励磁特性。

3.2 交流变频法

在TA励磁电感相同的条件下，电压与频率成正比。为使励磁电感达到相同饱和，所要施加电压的频率越低则幅值越低。交流变频法即采用电压与频率的正比关系，在较低频率下测试TA励磁特性，从而

在TA二次端子上施加某一电压，测量相应的励磁电流，在t时二次匝链绕组铁芯磁通φ（t）与此电压的关系为［10］降低所加电压的幅值，既能够避免过高的工频电压致使TA绕组匝间绝缘受损，又提高了励磁特性测试的准确度。交流变频法可用于保护TA的伏安特性测量和计量TA的比差角差测量。

TA工作于额定频率f时，等效电压方均根值U与二次匝链绕组铁芯磁通φ的关系为

交流变频法测试TA励磁特性曲线的优点主要有：测试输出电压较低，一般不会超过200 V，测试设备体积小、重量轻；测试包括多个循环过程，每个输出测点均是多次测量的平均值，对于高变比TA，测试精度高；不需要外接标准互感器和标准负载箱，按最新国标规定的电流和负载点准确测量M级TA的变比误差和相位偏移。缺点为：对于高拐点、TPY级TA，由于励磁特性拐点电压高达上万伏，测试频率很低，单个周波的输出时间较长，导致测试时间较长。

4 特高压TA励磁特性测试

基于直流法和交流变频法的TA励磁特性测试原理如图6所示。

图6 TA励磁特性测试原理

图6中，TA一次侧断开，从TA二次侧施加测试信号（直流电压/交流变频电压），同时从TA二次侧采集二次绕组的励磁电流，得到励磁电流与所加电压的对应关系。为了消除夹头接触电阻的影响，提高测试准确性，应避免采用公用夹头与TA二次侧连接，测试输出端口和测量输入端口与TA二次绕组通过不同的夹头连接，每个测量导线各采用一个夹头。基于图5测试原理图，分别采用直流法和交流变频法对某1 000 kV特高压变电站TA励磁特性曲线进行测试，所测TA参数及结果如表1所示。

表1 TA参数一览表

表1中TA的类型、容量、变比参数均来自TA铭牌标示，直流电阻参数来自变电站现场实测值。测试结果如表2所示，对于某一类型的TA，采用两种方法分别对同一绕组进行测试，反复测试3次，取其平均值如表2所示。

表2 不同类型TA励磁特性测试数据对比表

分析表2测试数据可知，对于TPY级和5P级TA绕组，直流法和交流法的测试精度基本一致。对于0.2级TA绕组，由于其中包含电容补偿绕组，直流法测试时无法产生励磁，无法测试励磁特性的拐点，在励磁特性曲线上表现为一条直线，交流变频法不受电容补偿绕组的影响，施加交流信号，铁芯能够正常励磁。对于TPY级TA，采用直流法的测试效率是交流变频法的6倍，这是因为采用直流法时，铁芯饱和速度快，而采用交流变频法时，由于测试输出频率较低，单个周波的输出时间较长，导致测试时间较长，该测试结果与理论分析一致。

5 结语

直流法和交流变频法是目前常用的两种测试TA励磁特性曲线的方法，两种测试方法对于不同类型的TA具有不同的测试灵敏度，测试效率亦有较大差别。在分析TA工作原理、励磁特性的基础上，从理论分析和特高压TA实际测试两方面，对两种测试方法的有效性和适用性进行了对比分析。对于大容量、高变比的TPY级TA绕组，采用直流法能够获得更高的测试效率，并且不会降低测试准确度；对于含有电容补偿绕组的TA，宜采用交流变频法进行测试；对于拐点电压较低的5P级TA，采用直流法和交流变频法在测试精度和测试效率上差别不大，两种方法均可采用。

［1］袁季修，盛和乐，吴聚业.保护用电流互感器应用指南［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［2］李秉宇，郝晓光.保护用电流互感器励磁特性测试及误差校核［J］.电力自动化设备，2011，31（1）：146-149.

［3］来磊.保护用电流互感器励磁特性的直流法测量［J］.高电压技术，2008，34（7）：10-15.

［4］张新刚.保护用电流互感器铁心饱和相关问题的研究［D］.北京：华北电力大学，2005.

［5］LIU S-T，HUANG S-R，CHEN H-W.Using TACS Functions within EMTP to Set Up Current-Transformer Model Based on the Jiles-Atherton Theory of Ferromagnetic Hysteresis［J］.IEEE Transactions.On Power Delivery，2007，22（4）：2 222-2 227.

［6］REZAEI-ZARE A，IRAVANI R，SANAYE-PASAND M，et al.An Accurate Current Transformer Model Based on Preisach Theory for the Analysis of Electromagnetic Transients［J］.IEEE Trasactions.On Power Delivery，2008，23（1）：233-242.

［7］袁世炯.CT励磁特性测试的直流原理实现［J］.中国测试，2010，36（6）：18-20.

［8］COWDHURY A H，GRADY W M，FUCHS E F.An investigation of the harmonic characteristics of transformer excitation current under nonsinusoidal supply voltage［J］.IEEE Transactions on.Power Delivery，1999，14（2）：450-458.

［9］APPLE J Z H.Low voltage method employed for magnetic characteristic test［J］.IEEETM/Pusala，2008，45（1）：128-131.

［10］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（S1）：398-402.

Research of Excitation Characteristics Testing Technology of UHV Current Transformer

WANG Jun，LI Kuan，ZHAO Binchao，LI Yudun，SHI Fangfang
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The current transformer（TA）excitation characteristic test is an important basis to judge whether the TA has a winding inter turn short circuit fault，and is also the basis of checking the load capacity of TA.Based on the analysis of the working principle of TA，the influence of factors such as the saturation of iron core and the external current on the excitation characteristics of TA is studied.Two kinds of TA excitation characteristic test method，namely DC method and AC frequency conversion method，are introduced，the testing principle of two test methods and the test applicability for different grades of TA windings are studied，the advantages and disadvantages of the two methods are compared.Based on DC and AC frequency conversion method，the field test platform of TA excitation characteristics is built，by which the TPY，5P，and 0.2 level TA windings of a 1 000 kV UHV substation are tested，and then the applicability of the two methods in the TA winding test with different accuracy levels is analyzed and compared.

ultra high voltage（UHV）；current transformer（TA）；excitation characteristic

TM711

A

1007－9904（2017）05－0020－05

2016-12-08

王军（1986），男，工程师，从事电力系统继电保护研究工作。