保護用電流互感器測試與評價(jià)

 

　　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(fā)生短路故障時(shí)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(shuō)其意義在于電力系統發(fā)生短路故障時(shí)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(shí)切斷故障電流，保護電力系統主設備的安全。同時(shí)保護用電流互感器還應該保證在非故障狀態(tài)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(dòng)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(xiàn)），校核變比，極性以及繪制誤差曲線(xiàn)，但是并沒(méi)有對這些數據進(jìn)行更深入的分析，沒(méi)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(chǎng)試驗人員和負責設備檢修的專(zhuān)工也不明白對于保護用電流互感器進(jìn)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(jià)等方面進(jìn)行闡述和說(shuō)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(jiàn)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(xiàn)圈和一次線(xiàn)圈都繞在同一個(gè)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(chǎng)強度，由線(xiàn)圈中的電流I和匝數N決定

 

　　B是鐵芯中磁感應場(chǎng)強度（不同于磁場(chǎng)強度H），

 

　　u是鐵芯的導磁率，呈現非線(xiàn)性特性如圖2所示

 

　　由于u呈現非線(xiàn)性因此當鐵芯中的磁感應強度B達到一定的數值時(shí)，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(shí)互感器的鐵芯進(jìn)入飽和狀態(tài)。

 

　　

 

　　圖1 電流互感器的原理圖

 

　　

 

　　圖 2 B-H鐵芯磁化曲線(xiàn)

 

 

　　2.2 電磁式電流互感器誤差產(chǎn)生原因

 

　　對于電磁式電流互感器，造成其二次電流Is產(chǎn)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(xiàn)圈的電動(dòng)勢Es。

 

　　當勵磁電動(dòng)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(wú)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(shí)，勵磁電動(dòng)勢Es的數值也就存在一個(gè)最大值，不可能無(wú)限制增加。電流互感器二次側的端電壓Vs不可能超過(guò)這個(gè)最大的勵磁電動(dòng)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(huì )跟隨標注在額定負荷下其準確限制系數ALF保證值，并且會(huì )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(gè)互感器在20VA下的準確限制系數ALF，20是10P這個(gè)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(shí)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(shí)注入的一次電流值

 

　　也就是說(shuō)如果一次流過(guò)的電流在額定電流 的ALF倍數以?xún)?，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(shí)際的檢測過(guò)程中，ALF數值的粗略算法可按照下式進(jìn)行：

 

　　

 

　　其中 是互感器所連接二次負荷

 

　　 是互感器二次線(xiàn)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(diǎn)電動(dòng)勢

 

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

 

　　也就是說(shuō)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(shí)的二次電動(dòng)勢會(huì )達到 ，而這是不可能發(fā)生的，因為 是勵磁曲線(xiàn)的拐點(diǎn)，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(guò) 后，二次電流將不會(huì )再隨一次電流 的增大而增大，此時(shí)電流互感器的鐵芯中磁通量已經(jīng)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(shí)鐵芯中磁通沒(méi)有變化，根據法拉第電磁感應定律，如果鐵芯中沒(méi)有磁通變化，二次感應電動(dòng)勢就等于0，因此此時(shí)也就沒(méi)有二次電流輸出。而鐵芯磁場(chǎng)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(chǎn)生的磁場(chǎng)H的變化，因此當一次電流的瞬時(shí)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(tài)，二次依然沒(méi)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(fā)生短路時(shí)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(shuō)明保護用電流互感器可能發(fā)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(shí)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(shí)測的ALF值是額定負荷20VA下只有12，實(shí)際工作負荷18VA下ALF是13.3。

 

　　當系統產(chǎn)生20倍的短路電流時(shí)，一次電流高達40000A，此時(shí)的一次電流已經(jīng)遠遠超過(guò)了準確限制倍數13.3，因此當一次電流達到40000A時(shí)，二次電流的數值不會(huì )超過(guò) ，并且因為電流互感器處于嚴重磁飽和狀態(tài)，此時(shí)會(huì )導致電流互感器二次側根本就沒(méi)有輸出，因而繼電保護系統也不會(huì )動(dòng)作

 

 

　　2）例2對于10P20 30VA 額定電流是4000/5的電流互感器，二次實(shí)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(shí)測的ALF值是額定負荷30VA下為21，實(shí)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(shuō)系統可能產(chǎn)生120000A的短路電流，因此這種情況屬于實(shí)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(chǎn)生30倍的短路電流時(shí)互感器將進(jìn)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(yíng)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(shí)際連接負荷是25VA功率因素0.8， C相實(shí)際連接負荷是23VA功率因素0.85， B相實(shí)際連接負荷是26VA功率因素0.8， 三個(gè)保護互感器的輸出之和作為零序電流，用來(lái)檢測系統的零序電流故障，供給繼電保護系統。

 

　　使用HYVA-405實(shí)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(wǎng)給配電系統供電時(shí)，連接主變和供電線(xiàn)路的斷路器合閘，此時(shí)回路中產(chǎn)生了很大的合閘涌流，最大瞬時(shí)合閘涌流達到12000A，此時(shí)的一次電流已經(jīng)超過(guò)了B相的允許值，但是卻并未達到繼電保護系統的過(guò)流保護動(dòng)作值，因此繼電保護系統不應該動(dòng)作，但是因為B相進(jìn)入磁飽和而沒(méi)有電流輸出，導致繼電保護系統檢測到的零序電流超過(guò)限值，繼電保護系統動(dòng)作切斷了母線(xiàn)供電，使非檢修線(xiàn)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(shí)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(shí)，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(wèn)題如下：

 

　　1> 勵磁特性試驗僅僅是獲得電流互感器勵磁曲線(xiàn)二次端電壓對于二次端電流的數值，然后將其與出廠(chǎng)數據對比，此試驗項目?jì)H對發(fā)現電流互感器內部匝間短路，互感器的鐵芯發(fā)生斷裂，位移缺陷時(shí)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(shí)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(shí)僅能發(fā)現互感器變比標識錯誤，或者電流互感器內部發(fā)生了多匝短路，并不能發(fā)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(guò)勵磁特性曲線(xiàn)計算拐點(diǎn)電壓，但是往往并沒(méi)有詳細解釋和理解拐點(diǎn)電壓的含義以及如何使用拐點(diǎn)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(wú)法被發(fā)現

 

　　4> 沒(méi)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(wú)法被發(fā)現

 

　　對于這些問(wèn)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(jià)：

 

　　1> 完成電流互感器的勵磁特性試驗，除了與出廠(chǎng)數據對比發(fā)現互感器內部變化之外，儀器會(huì )根據勵磁特性試驗結果自動(dòng)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(huì )自動(dòng)給出互感器檢測不合格結論

 

　　2> HYVA-405自動(dòng)測量獲取電流互感器的線(xiàn)圈直流電阻值，并結合線(xiàn)圈直流電阻和勵磁特性曲線(xiàn)，獲得電流互感器的拐點(diǎn)電動(dòng)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(fā)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(guò)國標限制時(shí)，自動(dòng)給出互感器檢測不合格結論

 

　　4> 自動(dòng)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(guò)電流互感器銘牌標識的限制

 

　　HYVA-405通過(guò)對這些參數項目的檢測與評價(jià)可以非常直觀(guān)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(gè)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(jià)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(jià)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(shí)，勵磁電流過(guò)零時(shí)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(gè)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(xiàn)即磁滯回線(xiàn)。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(guò)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(xiàn)

 

　　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(fā)生短路時(shí)，往往是在峰值電壓或接近于峰值電壓處，因此此時(shí)的電流的衰減過(guò)程中存在一個(gè)直流分量，這個(gè)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(gè)磁通量在電流互感器中持續一段時(shí)間（不超過(guò)180s），系統再次合閘時(shí)，較低的短路電流就可能會(huì )使電流互感器進(jìn)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(shí)間會(huì )越久。

 

　　某些電力線(xiàn)路中安裝了C-0.3-CO循環(huán)的快速重合閘斷路器（對于C-180s-CO循環(huán)的斷路器不存在這個(gè)問(wèn)題），當斷路器合閘時(shí)檢測到短路故障，繼電保護系統立即跳開(kāi)斷路器，此時(shí)短路過(guò)程中產(chǎn)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(shí)互感器很快進(jìn)入磁飽和狀態(tài)而失效，因此繼電保護系統在第二次合閘中無(wú)法檢測到故障電流，從而導致系統性事故，在這些線(xiàn)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(méi)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(shí)獲得互感器的Kr值，并且HYVA-405會(huì )繪制電流互感器的飽和磁滯回線(xiàn)，讓試驗人員對測試所獲得的Kr值進(jìn)行進(jìn)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(xiàn)的拐點(diǎn)電壓保證值，參考電壓處勵磁電流保證值和二次線(xiàn)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(jià)

 

　　PX級互感器的評價(jià)方式與5P/10P/5PR/10PR的原理基本一致，但是評價(jià)參數的著(zhù)手點(diǎn)不同，PX級互感器沒(méi)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(shí)的勵磁特性曲線(xiàn)拐點(diǎn)電壓大于銘牌標注值， 互感器真實(shí)勵磁特性曲線(xiàn)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(xiàn)圈內阻在75攝氏度時(shí)小于銘牌標識值 ，PX級互感器并沒(méi)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(diǎn)電壓做出了要求，并沒(méi)有直接約束最高一次電流的數值，所以在評價(jià)PX級電流互感器時(shí)必須要核對其線(xiàn)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(xiàn)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(guò)銘牌標識值，因為設計人員在考慮PX互感器的選型時(shí)根據其拐點(diǎn)電壓和額定負荷來(lái)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(xiàn)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(guò)的短路電流過(guò)大時(shí)，互感器的鐵芯進(jìn)入磁飽和，導致互感器失效。但是PX級互感器運行通過(guò)的最大短路電流需要結合負荷來(lái)進(jìn)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(guò)的最大一次電流為40000A，超過(guò)這個(gè)電流則電流互感器會(huì )進(jìn)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(shí)需要校核的參數主要包括以下幾個(gè)方面：

 

　　1> 實(shí)際拐點(diǎn)電壓以及參考電壓處的拐點(diǎn)電流

 

　　2> 電流互感器的匝數比

 

　　3> 極性標識

 

　　4> 75攝氏度線(xiàn)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(méi)有包括電流互感器匝數比和75攝氏度電阻校核這2個(gè)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(xiàn)圈電阻測量一般也都沒(méi)有考慮溫度的影響，需要測試人員自己動(dòng)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(wèn)題，測試儀高達0.05%的匝數比測量精度，使之完全可以用來(lái)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(huì )將測試結果與PX級互感器的國標要求作對比，自動(dòng)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(fā)生短路故障時(shí)電流互感器不能失效，在系統正常運行時(shí)不會(huì )導致繼電保護系統誤動(dòng)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(guān)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(shí)際連接的負荷要小于銘牌標識的額定值。

 

 

　　作者簡(jiǎn)介：

 

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