浅谈检查电流互感器保护级准确限值系数的方法

陈习文 冯小轩 张 潇 郭 傲 张晓晴 董鹏飞 王相锋

（国网冀北超高压分公司）

0 引言

电流互感器（Current Transformer，CT）二次绕组一般接入计量、测控、保护等装置使用，对准确级均有一定要求。CT准确级是指在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差［1］。根据测量误差的不同，划分出不同的准确级，常见的测量准确级有0.1、0.2、0.5、1、3、5，如0.5级表示CT二次绕组精度等级为0.5，按规程规定：在5%额定电流时，误差±1.5%；20%额定电流，误差±0.75%；100%～120%额定电流，误差±0.5%。

对于不同的准确级，用途也不尽相同：（1）0.1、0.2级主要用于实验室精密测量和供电容量超过一定值的线路或用户；（2）0.5级可用于收费用的电能表；（3）0.5～1级用于发电厂、变电所的盘式仪表和技术上用的电能表；（4）3级、5级用于一般的测量和某些继电保护上［2-3］。

做保护用的绕组准确级一般要求为保护级（P级／PR级），并在上述准确级后面加上P作为区分。例如，3P10表示当一次电流不超过额定一次电流的10倍时，该绕组的复合误差应小于±3%，其中的10即为保护级准确限值系数。准确限值系数是指额定准确限值一次电流与额定一次电流的比值，其意义在于保护用CT一次侧短路电流很大，为将二次电流的误差控制在一定范围内，一次电流不能超过额定电流的该倍数，一旦超过限值，二次绕组铁心快速饱和，误差将变得不可控，保护装置将无法保证正确动作。标准准确限值系数一般有5、10、15、20、30，一般系数越小，二次负载越大。

1 CT复合误差与准确限值系数

对复合误差的定义为当一次电流与二次电流的正符号与端子标志的规定相一致时，在稳态下，一次电流的瞬时值与二次电流的瞬时值乘以额定电流比，两者之差的方均根植。在稳定工作状态下，测量用CT工作在低磁密条件下，利用铁心的基本磁化曲线即可分析其误差。假设CT的铁心不消耗有功，也就不需要无功励磁，则二次绕组的磁势等于一次绕组的磁势，其误差为零。但铁心损耗不可能为零，CT中必存在励磁电流，这就造成了CT误差的存在，其指标为电流比值误差和相位差，即比差和角差。

比差f可用如下公式表示：

式中，k为CT的额定变比；I1和I2分别为CT的一次电流和二次电流的有效值。

角差θ可用如下公式表示：

式中，θ1和θ2分别为CT的一次电流和二次电流的相位角。

从复合误差的定义看，显然角差和比差都会影响复合误差。由于复合误差采用瞬时值的方式求取，当输入输出都是正弦波时，相当于向量运算，显然，在两个角度相近的向量计算中，角差的影响较小，比差的影响较大。实际上保护用互感器的比差一般较大，相对而言，角差对复合误差的影响很小，加上保护用互感器只能对电流大小进行判断，因此，一般很少关注角差指标。

GB／T 22071.1-2018《互感器导则第一部分：电流互感器》中对P级和PR级保护用互感器的比值差、相位差和复合误差限值做了明确规定［4］。在额定频率和连续额定负荷时，其比值差、相位差和复合误差限值不应超过表1所列限值。

表1 P级和PR级保护用互感器误差限值

当系统发生短路故障时，暂态下保护用CT的一次侧短路电流非常大，一次侧、二次侧电流和励磁电流中还会出现直流分量，使铁心磁密度很快达到饱和值，一次电流大部分用作励磁电流，导致二次电流大大减小，严重时出现缺损，显然该暂态过程有可能造成保护装置动作延时。由于励磁电流包含周期分量与直流分量，铁心的励磁电流和感应强度均偏向于时间轴一侧，使磁化过程出现局部磁滞回环。随着直流分量衰减至零，局部磁滞回环消失，CT的暂态过程结束，进入稳定状态，这时，一次短路电流为几倍于额定电流幅值的正弦波，而二次电流则因铁心的饱和特性发生畸变。随着磁场强度周期性对称地变化，磁感应强度也呈周期性对称地变化，同时因铁心的磁滞特性，而形成了交流磁滞回环，从而使二次电流波形进一步畸变。因此，在系统短路故障状态下，CT二次电流中出现幅值较大而不可忽视的高次谐波。由于目前国内外广泛采用的差动保护性能与其保护用CT的二次电流高次谐波密切相关，仅用比差和角差还不能反映CT的工作特性，因此，国际电工委员会提出，以复合误差作为保护用CT在一次系统发生短路故障时稳定状态下的误差指标。

式中，i1、i2分别为CT的一次电流、二次电流的瞬时值；I1为CT的一次电流有效值；T为暂态时间。

从上述公式可以看到，描述CT的电磁暂态过程是一个以励磁电流为未知变量的一阶非线性微分方程，由于该微分方程不是常系数，而取决于CT铁心磁化特性的磁密与磁场强度，因此求解起来非常困难。

想通过准确计算复合误差来判断保护级准确限值系数是否满足要求颇为困难。因此，为了简单便捷地判断保护级准确限值系数是否满足要求，本文引用了两种间接的测量方法，即励磁测量法和模拟负荷法。

2 励磁测量法

为检查电流互感器保护级准确限值系数是否满足要求，可通过励磁特性试验准确地找出拐点位置，并对比铭牌参数值，来确认是否满足。当电流互感器为多抽头时，可使用抽头或最大抽头测量。

在励磁特性试验前，应将电流互感器二次绕组引线和接地线均拆除。试验时，一次侧开路，从二次侧施加电压，升压时应以电流为基准，读取电压值，通入的电流和电压以不超过制造厂技术条件的规定为准。当电流增大而电压变化不大时，说明铁心已饱和，应停止试验。试验后，根据试验数据绘出励磁特性曲线，即伏安特性曲线。

当电流互感器二次绕组有匝间短路时，其励磁特性曲线在开始部分电压偏低。应注意的是，励磁特性试验前后，应对电流互感器铁心进行退磁处理。

根据规程要求，应在曲线拐点附近至少测量5～6个点，对于拐点电压较高的绕组，现场试验电压不超过2kV。试验结果要与同类型电流互感器特性曲线或先前的试验曲线进行比较，应无明显差别。

对于保护级（P级）绕组的励磁电压电流试验，应根据电流互感器铭牌参数而确定施加的电压，可提前计算得出二次绕组励磁电压以限值以及励磁电流值，而后直接在二次绕组端施加限值电压，以测量励磁电流是否满足要求。CT的等值电路图如图所示。

图 CT的等值电路图

为简便计算，将被测绕组的二次电阻r2用二次直流电阻（可直接测量得到）替代，漏抗x2可估算，电压与电流的测量用均方根值数字仪表。x2的估算值见表2。

表2 绕组漏抗估算值

以一台额定电压为220kV的电流互感器为例，假如被检绕组变比为1000／5A，准确级为10P20，二次额定负荷50VA，功率因数cosφ＝0.8。

则额定二次负荷阻抗为：

已知功率因数cosφ＝0.8，因此额定二次负荷的有功分量为：

额定二次负荷的无功分量为：

得出额定二次负荷阻抗的复式表达式为：

被测绕组直流电阻实测r2＝0.1Ω，x2＝0.2Ω，则绕组自身阻抗约为：

已知铭牌参数10P20，即可得在20倍额定电流情况下，感应电势为：

如果在二次绕组端施加励磁电压220V时，测量得到的励磁电流I0大于10% ×20×5A＝10A，则判断该绕组准确限值系数不合格。

3 模拟负荷法

进行基本误差试验时，如果配置相应的模拟二次负荷，可间接核对准确限值系数是否满足要求。模拟负荷法思路与励磁测量法相同，只是将额定负荷变化为某一特定负荷，本文将不再做详细介绍。

比如电流互感器铭牌参数同样为额定电压为220kV，被检绕组变比为1000／5A，准确级为10P20，二次额定负荷50VA，功率因数cosφ＝0.8。在正常的差值法检测电流互感器基本误差线路上，外接入一个二次负荷Zb，取值为（20-1）Z2+20Zb，若测量额定电流时的复合误差大于10%，则判定为不合格。

4 结束语

需要注意的是间接法测量没有考虑一次导体及回路导体电流产生的磁场干扰影响，因此通常对于用接法测量合格的互感器，应再用直接法进行核查，其结果可能会不合格，但对于用间接法测量不合格的互感器，用直接法测量的结果也基本都不合格。相比较直接核查法，间接测量法简单易行、试验时间短，能很快地给出直观初判结果，有一定的实际意义。