电流互感器伏安特性试验分析与应用

耿恒业，张 晶，刘承志

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

1 概 述

电流互感器（Current Transformer，CT）类似一台一次线圈匝数少和二次线圈匝数多的变压器。由于其二次侧串联的是阻抗很小的电流表或者其他仪器仪表的电流线圈，因此运行中的电流互感器又类似于一台工作在短路状态的变压器。它是按照一、二次电流与一、二次线圈匝数成反比的规律来检测一次电流，不但大大简化了仪表和继电器的结构，有利于仪表和继电器产品的标准化，而且能使工作人员远离高压部分，免受高压威胁。

CT的伏安特性，是指在CT一次侧开路的情况下，CT二次侧所施加的电压与二次侧所通过的励磁电流的关系曲线，也被称为铁芯的磁化曲线。伏安特性试验的主要目的有以下两方面，一方面是检验新投用CT的铁芯质量，检查新测出的伏安特性曲线是否与出厂前的伏安特性曲线一致，确保新投用CT的铁芯无损伤，也可留下其原始试验数据以供后期比对。另一方面是判断CT的二次绕组是否存在匝间短路等缺陷，长期运行的CT因配合发电机组或配电设备大修或定期维护而停运检修时，通过鉴别伏安特性曲线拐点电压是否有显著下降来判断长期运行后CT的二次绕组是否存在匝间短路等缺陷，确保发电机组或配电设备的安全可靠运行[1]。

2 试验原理

电流互感器工作时的等效电路图如图1所示。

图1 CT工作时等效电路图

图中，为CT换算到二次侧的一次电流；为CT换算到二次侧的一次绕组漏抗；Ie为励磁电流；Ze为励磁阻抗；E2为励磁电势；I2为二次绕组电流；Z2为二次绕组漏抗；ZL为CT二次绕组负载阻抗。各参数间存在以下关系：

CT正常工作时，铁芯的磁通密度很低，励磁电流很小，由式（1）可知，二次侧电流随一次侧电流的增加而线性增加。当电力线路发生短路等故障时，线路电流即CT一次侧电流急剧增大，铁芯的磁通密度大大增加，此时因铁芯饱和导致大量电流损耗于铁芯发热上，励磁电流因铁芯饱和而发生畸变并急剧增大。此外，CT二次侧电流因为急剧增大励磁电流的存在也发生畸变和失真，从而导致CT从一次侧到二次侧的电流传变出现很大的误差[2]。

由于CT运行时产生相同的励磁电势所要求的励磁电流与在CT二次侧直接施加励磁电流的情况基本一致，因此可以通过CT的伏安特性试验来检验CT的性能和质量。CT伏安特性试验时的等效电路图如图2所示。

图2 CT伏安特性试验等效电路图

图中，Ie为励磁电流；Ze为励磁阻抗；E2为励磁电势；I2为二次绕组电流；Z2为二次绕组漏抗；U2为二次绕组电势。由于伏安特性试验时，CT一次绕组开路，因此有以下关系：

由上述分析可知，在CT二次绕组施加电压的初始阶段，CT伏安特性曲线表现为线性，当二次绕组施加的电压增加到一定值后，励磁电流Ie急剧增加。当施加于CT二次绕组的额定频率的电压增加10%时，若CT励磁电流增加50%，则伏安特性曲线上的此点为拐点，拐点对应的二次绕组所施加的电压即为拐点电压。典型CT的伏安特性曲线如图3所示。

图3 典型CT的伏安特性曲线

3 试验方法

安装前或定期维护保养时，电流互感器伏安特性校验的常用试验方法一般有以下两种。

3.1 传统设备测试法

利用调压器、升压变压器、电压表以及电流表等传统设备测试CT的伏安特性，其接线方法如图4所示。使用该方法进行CT伏安特性试验时，当CT二次绕组的电流达到二次额定电流所需施加的电压时很可能会超出调试器的输出上限，此时就需要使用一台升压变压器来升压，且该升压变压器高压侧的最大输出电流及试验所用电流表的最大量程均必须大于CT二次绕组的额定电流。此外，试验所用电压表的最大量程一般应不小于1 000 V，或可以直接使用量程足够的万用表来测量CT二次绕组的电压，此时无需连接图示的电压表[3]。

图4 传统设备测试CT伏安特性的接线图

3.2 伏安特性测试仪测试法

利用CT伏安特性测试仪来测试CT的伏安特性，此时的接线方法如图5所示。图中交流电压/电流输出端子用于给所测试CT的二次绕组施加测试电压及励磁电流，电压测量端子用于实时测量给所测试CT二次绕组施加的测试电压。

目前，CT伏安特性测试仪作为新兴的智能化测试设备，一般均具备电压和电流数字显示功能，且可直接打印出所测试CT的伏安特性曲线，并显示拐点所对应的电压值和电流值，便于试验人员将之与CT出厂时或者近期的伏安特性曲线测试结果做比较与分析，以研判CT的设备状况。

图5 利用CT伏安特性测试仪测试CT伏安特性的接线图

4 试验注意事项

为保障伏安特性试验过程中人员和设备的安全，同时确保试验数据的正确性和可靠性，应在伏安特性试验过程中遵循以下注意事项。首先，试验前应拆除CT二次绕组的引出线和接地线，严防接地，确保试验CT可靠独立于综保装置、电流表以及多功能表等所有应用设备，防止试验时损坏应用设备。其次，试验时给试验CT的二次侧施加的电压和电流均不得超过CT生产厂家技术文件规定的限值，严防损毁所测试的CT。CT一次侧应可靠开路，参考CT二次侧的额定电流选取若干个电流点，逐点读取和记录各电流点对应的电压值和电流值。每个电流点在CT二次侧施加电压前必须均从零开始升压升流，且调压器不能来回调节，以减轻磁滞影响，确保试验数据的准确性。此外，当电压略微增加而励磁电流增加很多时，说明CT铁芯已接近饱和，则该点已接近拐点，升压必须极其缓慢，防止损坏CT。最后，试验后根据测得的数据所绘出的伏安特性曲线或者打印出的伏安特性曲线与CT出厂试验时或者上几个周期的试验结果做比对，拐点电压应无明显降低，否则CT铁芯可能损坏或者CT二次绕组可能存在匝间短路现象，此时应做进一步检查或者直接更换CT。对于同一组电流互感器，如U、V以及W三相同一组CT相对应的二次绕组的伏安特性曲线应基本一致，同时应及时恢复CT二次绕组引线和接地线的连接，并做好各类技术和组织的安全措施[4]。

5 结 论

电流互感器在电力系统的测量、计量以及保护方面有着极其重大的作用，其铁芯及绕组是否正常对于电力系统的平稳运行有着关键影响。因此，利用伏安特性试验对CT质量和运行状况进行检查和校验有着重大的现实意义，便于及时发现CT铁芯损坏和绕组匝间短路等设备隐患，为电力线路继电保护装置的可靠正确动作、避免电力系统供电故障、缩小故障范围以及维持电力系统稳定可靠运行提供了技术保障。此外，CT伏安特性试验需要依托前人的经验基础，结合各自项目实际，不断地学习总结，以便更好地为电力系统的安全高效运行保驾护航。