超大电流互感器校验和溯源检定装置的研究

山西省机电设计研究院 常建芳

引言

对超大电流互感器的校验和溯源检定，存在大量技术上的难题，目前国内尚未开展相关技术和设备的研究。研究超大电流互感器校验与溯源检定系统解决目前国内存在的超大电流互感器的误差检定和量值溯源，建立相应的量值溯源体系是很有必要的。目前国网公司各省级计量中心和国家计量院的互感器检定工作已提出了这方面的要求。

1.大电流互感器校验存在的主要问题

对于超大电流互感器的误差校验，其校验原理和校验线路已经很成熟，国家相关规程JJG313-2010《测量用电流互感器检定规程》和JJG1021-2007《电力互感器检定规程》都有相关的试验方法和试验线路，但是随着电流互感器一次电流增大到几万安，电流越大，带来的问题也越多，主要存在以下问题：

（1）试验时，连接标准器和被检电流互感器的一次回路要通过几万安的电流，如此大的电流对一次导体和连接方式提出了更高的要求，同时在超大电流的作用下存在发热和电磁力的破坏作用；

（2）电流互感器一次所需的一次电流要通过升流装置来产生，由于被试电流互感器体积庞大，一次回路长，所需输出电压提高，一次回路的感抗呈几何倍数增加，升流装置所需容量达到数百千瓦，这是很难做到的。

（3）试验电源包含了试验线路中一次回路，二次回路及各用电设备消耗的能量，试验电源所需容量要大于升流装置消耗的功率，达数百千伏安。

（4）超大电流所产生的强磁场会带来电磁干扰，涡流损耗等破坏效应。

2.技术方案

本文介绍的超大电流互感器的校验和溯源检定装置主要依据《JJG313-2010测量用电流互感器》、《JJG1021-2007电力互感器》等检定规程采用比较测差法实现超大电流互感器的误差校验和标准电流互感器的量值溯源。本装置的校验目标为60000A电流互感器，装置由300kW三相柱式调压器、多台抽头式大电流发生器、0.02S级标准电流互感器、0.002级双级电流互感器、互感器校验仪、电流负荷箱、无功补偿装置、一次大电流接线装置、温控系统、油冷部分及校验与控制软件组成，系统准确度达0.02级。校验系统示意图如图1所示。

2.1 互感器一次接线装置的设计

互感器一次接线装置主要是为标准电流互感器和被检电流互感器提供检定所需的一次电流，电流互感器比较线路中一次回路消耗很大的功率，达数百千伏安。互感器一次接线装置应满足以下试验要求：（1）能提供和通过高达72000A的大电流；（2）考虑标准器和被试品的几何尺寸，满足实验设备的安装要求；（3）尽量减小一次回路消耗的功率；（4）满足电流互感器实验的温升限值要求，采取必要的温度监测和降温措施。

图1 校验系统示意图

互感器一次回路消耗功率为一次导体电阻所产生的有功功率和一次回路等效感抗所产生的无功功率的复数和。试验表明，当一次电流大于5000A时，回路中无功消耗数倍于有功消耗。减小一次回路消耗的功率不仅要减小有功消耗，更主要是减小回路的无功损耗。

减小回路的功率消耗应采取以下措施：

（1）增大导体截面积；

（2）减小导体长度；

（3）尽量缩小回路包围面积；

（4）采用多匝穿心，减小回路感抗；

（5）增大连接点接触面积。

2.2 温控和油冷却系统

一次回路通过最大72000A电流时，一次回路导体本体及回路连接点以及导体接触面会大量发热。根据国标GB1208-2006《电流互感器》相关规定：互感器绕组出头或接触连接处的温升不应超过50K；在铁芯或其他金属件表面所测得的温升值，不应超过它们所接触或靠近的绝缘材料相应的温升限值。超过温升限值会破坏互感器绕组绝缘，导致误差测量的不准确，影响测试的稳定性，应采取温控措施：

（1）温度监测

采用温度传感器和16通道温度巡检仪，实时监测一次导体表面导体连接处，穿心导体接触表面、互感器绕组和铁芯温度，一旦超过温升限值应启动冷却系统。

（2）变压器油冷却系统

一次导体采用扁平铜管，空心部分注入变压器油循环散热，并辅助以强制风冷散热。

2.3 升流装置的设计

升流装置为互感器一次回路提供大电流，包括升流器和无功补偿装置。

2.3.1 升流器的设计

升流器初级线圈连接调压器的输出，次级线圈接互感器一次回路，升流器的设计涉及其输出电压和输出容量。升流的输出容量S=UI，U为输出电压，I为输出电流，U=I(R+jX)，升流器的输出容量和输出电流一旦确定，其输出电压就已确定，但是如果一次回路压降大于其额定输出电压，电流就不可能额定输出，为此设计了升流器的串并联接线方式，加大其输出电压，同时也加大了升流器的输出容量，连接方式如图2所示。

图2 升流器的串并联结构

2.3.2 一次回路的无功补偿

互感器一次回路的功率消耗，包括有功消耗和无功消耗，互感器一次回路方式一旦确定，其有功消耗就已确定，减少一次回路的无功消耗可减小升流器的容量，其无功损耗与电流平方成正比。实验表明，当一次电流大于5000A时，回路中无功消耗数倍于有功消耗。减少无功损耗可大大降低升流器容量，决定无功损耗的主要措施是抵消感抗带来的损耗，必须进行无功补偿，无功补偿有以下三种方式：升流器输入端并联电容补偿、升流器输出端并联电容补偿和升流器输出端串联电容补偿。

2.4 减少大电流情况下的涡流损耗和集肤效应

大电流导体在穿过环形铁芯时会在环形铁芯产生与截面方向垂直的交变磁通，由电磁感应定律可知互感器二次会产生感应电势，交变磁通包括主磁通和漏磁通及杂散磁通，漏磁通和杂散磁通会在磁性材料的截面感应出闭合的环形电流，也就是涡流，由涡流产生的损耗称为涡流损耗。涡流损耗的存在会在电流互感器外壳，金属结构件内部产生热量，增加电源容量，同时增大了大电流噪声。减少涡流损耗应将互感器外壳及金属结构件加工成铝合金材料，实验证明，铝合金材料可大大减少涡流损耗和大电流噪声。

交变电流通过导体时，电流在导体横截面的分布不均匀，导体表面的电流密度大于中心的密度，这种现象称为趋肤效应，也称集肤效应。集肤效应使导体通过交变电流的有效面积减小，导体的电阻增大，为了传输更大的电流，通常导体截面积较大，远离表面的中心处，电流密度会明显减小，因此，对传输交流大电流的导体会制作成截面积为长方形的铜排且不能太厚，对于工频电流，导体为铜，其趋肤深度为8mm，本项目中选用的大电流导体为壁厚5mm的扁平空心铜管，空心铜管注油形成油循环作降温处理。

2.5 标准电流互感器的设计

标准电流互感器包括：0.05S级电流互感器和0.002级双级电流互感器，二者的电流比为10000～60000A/5、1A，由于标准电流互感器工作在由大电流产生的强磁场中，设计时必须考虑采取电磁屏蔽措施以保证其准确度。

标准电流互感器在设计时不仅要考虑按其参数和技术指标满足指标要求的准确等级，还应采取电屏蔽的磁屏蔽及电磁屏蔽措施。首先在贴近环形铁芯的外边用导电良好的薄铜皮制成铁芯护套，形成屏蔽层，同时避免环形护套会封闭造成铁芯短路。其次，磁屏蔽采用由短接的屏蔽线圈构成，屏蔽线圈分为A、B、C、D四段，每段占铁芯的一半周长，其中两段绕向相反的并联段与另外两段绕线相反的并联段，在空间位置上相差90°。

2.6 减少电磁干扰对二次设备的影响

标准器和被检电流互感器工作在强磁场环境中，其二次侧受电磁干扰影响，输入互感器校验仪的二次信号成分复杂，必须考虑强磁场对二次信号的影响，主要有两方向影响：1、电磁辐射的影响，2、谐波影响。针对以上影响经实验测试采取以下措施：1、输入互感器校验仪的二次测试线采用屏蔽双级线，屏蔽层接地，双级线对电磁场产生的影响互相抵消。2、对输入互感器校验仪的信号进行模拟滤波和数字滤波，模拟滤波由硬件电路实现；数字滤波由软件通过降准，取平均数，增加采样点数来实现。3、互感器校验仪外壳加装屏蔽并接地。

3.结语

本项目的实施解决了超大电流互感器向更高精度溯源的要求，对于发电机出口的电能计量提供了强有力的技术支持，保证了发电机电能计量的准确性，维护了发电厂发电的经济效益。超大电流互感器溯源检定系统的建立完善了国内计量器具量值溯源体系，对大电流互感器量值标准的传递做出了有益的探索。