保護用電流互感器測試與評價

 

　　王蘭芳

 

　　武漢市華英電力科技有限公司

 

 

　　1 概述

 

　　保護用電流互感器是安裝在電力系統中用于在一次回路發生短路故障時將故障電流傳送給繼電保護系統的電流變換設備，因此保護用電流互感器最重要的工作或者說其意義在于電力系統發生短路故障時能正常運行，以保證繼電保護系統能檢測到故障信息并及時切斷故障電流，保護電力系統主設備的安全。同時保護用電流互感器還應該保證在非故障狀態下，電流互感器應可靠運行，不能輸出錯誤的故障電流信號而導致繼電保護系統誤動作。

 

　　目前我國電力系統對保護用電流互感器的主要檢測項目包括勵磁特性試驗（伏安特性曲線），校核變比，極性以及繪制誤差曲線，但是并沒有對這些數據進行更深入的分析，沒有考慮互感器二次回路負荷對互感器參數的影響，很多現場試驗人員和負責設備檢修的專工也不明白對于保護用電流互感器進行這些試驗的意義所在。

 

　　本文從保護用電流互感器的工作原理，國家標準規定，保護用電流互感器的失效原因及影響，檢測項目參數意義及評價等方面進行闡述和說明

 

　　2 保護用電流互感器工作原理

 

　　2.1 電磁式電流互感器工作原理

 

　　我國標準體系與IEC標準體系基本一致，電力系統中的絕大部分標準和IEC標準中對應的標準號都是等效的，IEC60044-1是IEC標準中對電磁式電流互感器的約束與要求，對應我們國家的標準GB1208，在IEC60044-1中定義的保護用電流互感器準確等級有5P,10P,5PR,10PR和PX五種，在我們國家電力系統中安裝的保護用電流互感器中，最常見的準確等級是5P，10P和PX。

 

　　保護用電流互感器和計量用電流互感器的原理是完全一樣的，其區別在于保護用電流互感器強調的性能是其承受短路電流的能力，而計量用電流互感器強調的性能是其電流傳遞的誤差大小。所有電磁式電流互感器的結構都如圖1所示，二次線圈和一次線圈都繞在同一個閉合的鐵芯上，一次一般為1匝或數匝，一次的匝數遠小于二次的匝數，其匝數比一般情況下都等于其電流之比。

 

　　電流互感器鐵芯的磁感應強度公式是

 

　　

 

　　其中H是磁場強度，由線圈中的電流I和匝數N決定

 

　　B是鐵芯中磁感應場強度（不同于磁場強度H），

 

　　u是鐵芯的導磁率，呈現非線性特性如圖2所示

 

　　由于u呈現非線性因此當鐵芯中的磁感應強度B達到一定的數值時，不再隨H的增加而增加（達到飽和以后磁導率近似于真空磁導率，磁化效應幾乎可以忽略），此時互感器的鐵芯進入飽和狀態。

 

　　

 

　　圖1 電流互感器的原理圖

 

　　

 

　　圖 2 B-H鐵芯磁化曲線

 

 

　　2.2 電磁式電流互感器誤差產生原因

 

　　對于電磁式電流互感器，造成其二次電流Is產生誤差的主要原因是鐵芯勵磁損耗電流的存在，鐵芯勵磁損耗主要由鐵損和磁滯損耗構成。決定電流互感器損耗的主要因素包括鐵芯磁感應強度B和磁感應強度的頻率f，而它們所對應的就是電流互感器二次線圈的電動勢Es。

 

　　當勵磁電動勢Es的數值和頻率確定以后就可以確定互感器的勵磁損耗電流If。因為B不可能無限制增大，它受制于材料磁導率u的限制，B達到一定數值后就不再增加，因此當頻率f一定時，勵磁電動勢Es的數值也就存在一個最大值，不可能無限制增加。電流互感器二次側的端電壓Vs不可能超過這個最大的勵磁電動勢Es限制值

 

　　3 5P與10P保護用電流互感器

 

　　3.1 5P/10P電流互感器的定義

 

　　5P/10P電流互感器是電力系統中使用最廣泛的保護用電流互感器，其最重要的參數是準確限制系數ALF，所有的5P/10P電流互感器銘牌精度等級后面都會跟隨標注在額定負荷下其準確限制系數ALF保證值，并且會標注互感器的額定負荷，例如5P10 20VA， 10P20 30VA等。這其中10就是5P這個互感器在20VA下的準確限制系數ALF，20是10P這個互感器在30VA下的準確限制系數

 

　　銘牌準確限制系數ALF的定義是：在額定負荷下，當一次電流不斷增大至 ，使二次電流 的復合誤差達到5%（5P是5%，10P是10%），此時的一次電流 比上一次額定電流的 的倍數即為ALF。

 

　　

 

　　其中 是額定一次電流

 

　　 是使二次電流復合誤差達到5%（5P是5%，10P是10%）時注入的一次電流值

 

　　也就是說如果一次流過的電流在額定電流 的ALF倍數以內，電流互感器的傳遞誤差小于5%（5P是5%，10P是10%）

 

　　3.2 ALF數值測量方法與評估

 

　　在實際的檢測過程中，ALF數值的粗略算法可按照下式進行：

 

　　

 

　　其中 是互感器所連接二次負荷

 

　　 是互感器二次線圈內阻

 

　　 是二次負荷和互感器內阻的向量和的模值

 

　　 是互感器額定二次電流

 

　　 是互感器勵磁特性的拐點電動勢

 

　　注意：拐點電動勢不等同于伏安曲線的拐點電壓，在伏安特性試驗中，拐點電動勢等于伏安特性曲線的拐點電壓與互感器線圈內阻分壓的矢量差

 

　　也就是說電流互感器二次電流 的數值不可能遠能大于 ，例如假設二次電流達到1.5倍 ，此時的二次電動勢會達到 ，而這是不可能發生的，因為 是勵磁曲線的拐點，基本接近了互感器的最大勵磁飽和電壓。因此當一次電流超過 后，二次電流將不會再隨一次電流 的增大而增大，此時電流互感器的鐵芯中磁通量已經達到嚴重飽和，由于磁滯效應的存在，二次電流的輸出可能接近于0。

 

　　注意：電流互感器達到飽和以后，鐵芯磁通量不再隨一次電流I的增加而增加，因此此時鐵芯中磁通沒有變化，根據法拉第電磁感應定律，如果鐵芯中沒有磁通變化，二次感應電動勢就等于0，因此此時也就沒有二次電流輸出。而鐵芯磁場都存在磁滯效應即磁感應強度B變化滯后于一次電流I所產生的磁場H的變化，因此當一次電流的瞬時值低于導致磁飽和的電流后，鐵芯中的磁感應強度仍處于飽和狀態，二次依然沒有電流輸出

 

 

　　3.3 5P/10P電流互感器失效舉例

 

　　5P/10P保護用電流互感器主要用于在系統發生短路時傳遞正確的故障電流給繼電保護系統，以下我們以舉例形式說明保護用電流互感器可能發生的失效情況：

 

　　1） 例1對于5P20 20VA 額定電流是2000/1的電流互感器，二次實際連接的負載是18歐（18VA）功率因素0.8的負荷，使用華英電力的HYVA-405 CTPT分析儀實測的ALF值是額定負荷20VA下只有12，實際工作負荷18VA下ALF是13.3。

 

　　當系統產生20倍的短路電流時，一次電流高達40000A，此時的一次電流已經遠遠超過了準確限制倍數13.3，因此當一次電流達到40000A時，二次電流的數值不會超過 ，并且因為電流互感器處于嚴重磁飽和狀態，此時會導致電流互感器二次側根本就沒有輸出，因而繼電保護系統也不會動作

 

 

　　2）例2對于10P20 30VA 額定電流是4000/5的電流互感器，二次實際連接的負載是1歐（25VA）功率因素0.8的負荷，使用華英電力的HYVA-405 CTPT分析儀實測的ALF值是額定負荷30VA下為21，實際工作負荷25VA下ALF是25。

 

　　但是系統設計的短路最大短路電流倍數是30倍，也就是說系統可能產生120000A的短路電流，因此這種情況屬于實際安裝的互感器參數并不能達到系統要求，屬于系統性缺陷，當系統產生30倍的短路電流時互感器將進入飽和而失效

 

 

　　3）例3對于10P20 30VA 額定電流是1000/5的電流互感器安裝在A相和C相，10P15 20VA 額定電流是1000/5的電流互感器安裝在B相，A相實際連接負荷是25VA功率因素0.8， C相實際連接負荷是23VA功率因素0.85， B相實際連接負荷是26VA功率因素0.8， 三個保護互感器的輸出之和作為零序電流，用來檢測系統的零序電流故障，供給繼電保護系統。

 

　　使用HYVA-405實測的A相工作負荷下ALF是26， B相工作負荷下ALF是10.5，C相工作負荷下ALF是28，當系統并網給配電系統供電時，連接主變和供電線路的斷路器合閘，此時回路中產生了很大的合閘涌流，最大瞬時合閘涌流達到12000A，此時的一次電流已經超過了B相的允許值，但是卻并未達到繼電保護系統的過流保護動作值，因此繼電保護系統不應該動作，但是因為B相進入磁飽和而沒有電流輸出，導致繼電保護系統檢測到的零序電流超過限值，繼電保護系統動作切斷了母線供電，使非檢修線路也事故停電，這種情況就是屬于三相系統中其中一相參數達不到要求而造成的系統運行故障

 

 

　　3.4 5P/10P電流互感器的測試

 

　　對5P/10P保護用電流互感器的檢測應該確保以下參數符合要求：

 

　　1）互感器的銘牌參數標識正確，即實測的額定負荷下ALF值要大于等于電流互感器銘牌標識的數值

 

　　2）互感器的銘牌極性標識正確

 

　　3）互感器的額定電流處比差角差符合國家標準要求

 

　　4）互感器二次回路的阻抗必須要小于互感器的銘牌標識值

 

　　現階段我們國家很多負責電力設備檢修的單位在執行保護用電流互感器試驗時，僅執行勵磁特性試驗（伏安特性試驗），極性試驗和電流比試驗，完成這些試驗的主要意義和存在的問題如下：

 

　　1> 勵磁特性試驗僅僅是獲得電流互感器勵磁曲線二次端電壓對于二次端電流的數值，然后將其與出廠數據對比，此試驗項目僅對發現電流互感器內部匝間短路，互感器的鐵芯發生斷裂，位移缺陷時有效。

 

　　2> 電流比試驗

 

　　在一次注入大電流然后檢測互感器二次電流大小，此時電流互感器所連接的二次負荷僅僅是儀器的輸入阻抗，注入的一次電流一般情況下也達不到互感器的額定電流，此時僅能發現互感器變比標識錯誤，或者電流互感器內部發生了多匝短路，并不能發現電流互感器在額定電流額定負荷處,比差與角差是否超標

 

　　3> 通過勵磁特性曲線計算拐點電壓，但是往往并沒有詳細解釋和理解拐點電壓的含義以及如何使用拐點電壓判斷互感器的性能，因此如果互感器的ALF值不達標也無法被發現

 

　　4> 沒有校核電流互感器所連接的二次負荷值，因此如果互感器二次負荷超標則無法被發現

 

　　對于這些問題，在武漢市華英電力科技有限公司的HYVA-405型CTPT分析儀上有了完美的解決方法，HYVA-405能夠針對5P/10P型保護用電流互感器完成以下試驗項目并對互感器做出全面的評價：

 

　　1> 完成電流互感器的勵磁特性試驗，除了與出廠數據對比發現互感器內部變化之外，儀器會根據勵磁特性試驗結果自動計算電流互感器在額定負荷下和工作負荷下的ALF值，如果HYVA-405獲得的ALF值小于電流互感器銘牌標識值，儀器會自動給出互感器檢測不合格結論

 

　　2> HYVA-405自動測量獲取電流互感器的線圈直流電阻值，并結合線圈直流電阻和勵磁特性曲線，獲得電流互感器的拐點電動勢，從而計算出電流互感器的準確限制系數ALF

 

　　3> 測量并獲取電流互感器在1%，5%，20%，100%，120%額定電流下，額定負荷處和工作負荷處的比差與角差，當儀器發現電流互感器在有效負荷下，額定電流處的比差與角差超過國標限制時，自動給出互感器檢測不合格結論

 

　　4> 自動測量互感器的極性標識和銘牌是否一致

 

　　5> 校核電流互感器二次回路的負荷，以保證電流互感器所連接的二次負荷并未超過電流互感器銘牌標識的限制

 

　　HYVA-405通過對這些參數項目的檢測與評價可以非常直觀的掌握被檢測電流互感器的性能和缺陷，從而使對5P/10P型保護用電流互感器的檢測與試驗變得更有意義

 

　　4 5PR與10PR保護用電流互感器

 

　　4.1 定義

 

　　5PR/10PR保護用電流互感器的定義與5P/10P電流互感器的定義相同，但是相對于5P/10P的電流互感器多了一個約束條件即剩磁系數Kr的要求，GB1208和IEC60044-1中規定5PR和10PR電流互感器的剩磁系數Kr必須小于10%

 

　　4.2 參數評估

 

　　針對于5PR/10PR的參數評價最主要的兩項參數是ALF和剩磁系數Kr，其中ALF的定義和評價方式與5P/10P完成相同。5PR/10PR的剩磁系數Kr是指在電流互感器勵磁達到飽和時，勵磁電流過零時鐵芯中磁通量占飽和磁通的比值，圖3是HYVA-405所測量的是一個勵磁電流周期電流互感器中鐵芯磁通量隨電流的變化曲線即磁滯回線。在國標GB1208和IEC60044-1中規定5PR/10PR保護用電流互感器的剩磁系數不得超過10%，以保證這些互感器有較低的剩余磁通量。

 

　　

 

　　圖3 鐵芯磁滯回線

 

　　4.3 5PR/10PR電流互感器失效分析

 

　　當電流互感器安裝所在的一次回路發生短路時，往往是在峰值電壓或接近于峰值電壓處，因此此時的電流的衰減過程中存在一個直流分量，這個直流分量很容易導致電流互感器存在較高的剩余磁通量，這個磁通量在電流互感器中持續一段時間（不超過180s），系統再次合閘時，較低的短路電流就可能會使電流互感器進入磁飽和，電流互感器的剩磁系數越高則互感器鐵芯中的剩余磁通量越高且持續時間會越久。

 

　　某些電力線路中安裝了C-0.3-CO循環的快速重合閘斷路器（對于C-180s-CO循環的斷路器不存在這個問題），當斷路器合閘時檢測到短路故障，繼電保護系統立即跳開斷路器，此時短路過程中產生的直流分量導致回路中的保護用電流互感器中存在較高的剩余磁通量，當斷路器快速重合閘時互感器很快進入磁飽和狀態而失效，因此繼電保護系統在第二次合閘中無法檢測到故障電流，從而導致系統性事故，在這些線路中需要安裝5PR/10PR的電流互感器，并且需要確認這些互感器的剩磁系數低于10%

 

　　4.4 5PR/10PR電流互感器測試

 

　　對于5PR/10PR電流互感器包含5P/10P電流互感器的所有檢測項目，除此之外還需要確認電流互感器的剩磁系數Kr低于10%，目前負責電力設備檢修的單位很多并沒有配備能夠測量電流互感器剩磁系數Kr的儀器，而只是將其作為普通的保護用互感器對待，忽略了其Kr參數的校核。選用華英電力的HYVA-405則可以在完成ALF測量，勵磁特性，比差角差測量的同時獲得互感器的Kr值，并且HYVA-405會繪制電流互感器的飽和磁滯回線，讓試驗人員對測試所獲得的Kr值進行進一步的確認。

 

　　5 PX級保護用電流互感器

 

　　5.1 PX級別電流互感器定義

 

　　PX級別電流互感器是在銘牌上對互感器勵磁特性曲線的拐點電壓保證值，參考電壓處勵磁電流保證值和二次線圈電阻保證值做出了約定的一種保護用電流互感器，在印度的IS標準中PX級對應的是PS級電流互感器

 

　　5.2 PX級互感器的評價

 

　　PX級互感器的評價方式與5P/10P/5PR/10PR的原理基本一致，但是評價參數的著手點不同，PX級互感器沒有ALF的定義，在PX互感器銘牌上標注了 ， 和 ，這里的 是指互感器保證真實的勵磁特性曲線拐點電壓大于銘牌標注值， 互感器真實勵磁特性曲線上的銘牌標注電壓 處電流小于銘牌標識值 ，并且互感器的匝數比誤差要小于0.25%，二次線圈內阻在75攝氏度時小于銘牌標識值 ，PX級互感器并沒有對電流互感器的復合誤差做出要求。

 

　　因為PX級互感器只對拐點電壓做出了要求，并沒有直接約束最高一次電流的數值，所以在評價PX級電流互感器時必須要核對其線圈電阻在75攝氏度的數值（IEC標準規定對于保護用電流互感器線圈電阻值標識都必須在75攝氏度工況下），以保證該數值不超過銘牌標識值，因為設計人員在考慮PX互感器的選型時根據其拐點電壓和額定負荷來選擇參數，但是互感器的內阻是負荷的重要組成部分，因此必須對線圈內阻也做出標識，并將其作為參數計算的一部分

 

　　5.3 PX級別互感器失效分析

 

　　PX級別互感器的失效分析與5P/10P互感器的失效分析完全相同，當一次通過的短路電流過大時，互感器的鐵芯進入磁飽和，導致互感器失效。但是PX級互感器運行通過的最大短路電流需要結合負荷來進行計算，例如銘牌標識為PX 2000/1  的電流互感器，當二次所連接的負荷值為額定值20歐，功率因素1.0，互感器內阻是10歐，則允許通過的最大一次電流為40000A，超過這個電流則電流互感器會進入磁飽和而失效

 

　　5.4 PX級電流互感器的測試

 

　　因為PX級電流互感器的參數定義和5P/10P完全不同，因此對于PX級互感器的測試方法也不同，在做PX級電流互感器測試時需要校核的參數主要包括以下幾個方面：

 

　　1> 實際拐點電壓以及參考電壓處的拐點電流

 

　　2> 電流互感器的匝數比

 

　　3> 極性標識

 

　　4> 75攝氏度線圈電阻值

 

　　在目前國內普遍使用的電流互感器試驗方法中，一般都沒有包括電流互感器匝數比和75攝氏度電阻校核這2個項目。對于匝數比測量，很多儀器都不具備此項功能，更難以達到0.25%誤差限值的校準要求。而線圈電阻測量一般也都沒有考慮溫度的影響，需要測試人員自己動手換算，很不方便。使用華英電力的HYVA-405 CTPT分析儀則可以很方便的解決這些問題，測試儀高達0.05%的匝數比測量精度，使之完全可以用來校準PX級互感器的匝數比誤差，并且測試自帶溫度傳感器，可以直接將測試結果換算到75攝氏度。在試驗完成后HYVA-405還會將測試結果與PX級互感器的國標要求作對比，自動給出互感器是否合格的結論

 

　　6 總結

 

　　保護用電流互感器測試的主要目的是確認電流互感器的參數符合保護系統的要求，在系統發生短路故障時電流互感器不能失效，在系統正常運行時不會導致繼電保護系統誤動作，并且互感器的誤差傳遞要達到標準要求。在互感器的各種參數檢測中，二次負荷是影響保護用電流互感器性能至關重要的參數，因此必須考慮二次回路負荷對電流互感器參數和繼電保護系統的影響，必須確認二次回路實際連接的負荷要小于銘牌標識的額定值。

 

 

　　作者簡介：

 

　　王蘭芳 男 1983年10月出生，華中科技大學碩士研究生，武漢市華英電力科技有限公司總經理兼技術總監，從事互感器，變壓器，斷路器，發電機試驗方法研究和相關智能化試驗儀器儀表設計開發多年。