1、電流互感器原理及特性試驗一.電流互感器基本原理為保證電力系統的安全和經濟運行,需要對電力系統及其中各電力設備的相關參數進行測量,以便對其進行必要的計量、監控和保護。通常的測量和保護裝置不能直接接到高電壓大電流的電力回路上, 需將這些高電平的電力參數按比例變換成低電平的參數或信號,以供給測量儀器、儀表、繼電保護和其他類似電器使用。進行這種變換的變壓器,通常稱為互感器或儀用變壓器。互感器作為一種特殊的變壓器,其特性與一般變壓器有類似之處,但也有其特定的性能要求。電流互感器(current transformer簡稱CT,是將一次回路的大電流成正比的變換為二次小電流以供給測量儀器儀表繼電保護及其他類

2、似電器。電流互感器的基本電路如圖1-1 。 Z bIp 一次回路電流I s 二次回路電流Z ct 二次繞組阻抗Z b 負荷阻抗圖1 電流互感器的基本電路電流互感器的一次繞組和二次繞組繞在同一閉合的鐵心上,如果一次繞組帶電而二次繞組開路,互感器成為一個帶鐵心的電抗器。一次繞組中的電壓降等于鐵心磁通在該繞組中引起的電動勢, 鐵心磁通也在二次繞組中感應出相應的電動勢。如果二次繞組的回路通過一個阻抗形成閉合回路,則二次回路中將產生一個電流,此電流在鐵心中產生磁通趨向于抵消一次繞組產生的磁通。忽略誤差時,二次回路電流與一次回路電流之比值等于一次繞組匝數與二次繞組匝數之比。電流互感器的用途是實現被測電流值

3、的變換,與普通變壓器不同的是其輸出容量很小。一般不超過數十伏安。一組電流互感器通常有多個鐵心,即具有多個繞組,提供不同的用途。中壓的(如10KV級某些類型互感器可能只有13個二次繞組。而超高壓的電流互感器的二次繞組可多達68個。電流互感器的一次繞組通常串接于被測量的一次電路中,二次繞組通過導線或電纜串接儀表及繼電保護等二次設備。電流互感器二次電流在正常運行及規定的故障條件下,應與一次電流成正比,其比值和相位不超過規定值。電流互感器的額定一次電流和額定二次電流是作為互感器性能基準的一次電流和二次電流。電流互感器按其用途和性能特點可分為兩大類:一類是測量用電流互感器,主要在電力系統正常運行時將相應

4、電路的電流變換供給測量儀表積分儀表和其他類似電器,用于狀態監視記錄和電能計量等用途。另一類是保護用互感器,主要在電力系統非正常運行和故障狀態下,將相應電路的電流變換供給繼電保護裝置和其他類似電器,以便啟動有關設備清除故障,也可實現故障監視和錄波。測量用和保護用兩類電流互感器的工作范圍和性能差別很大一般不能共用。但可組裝在一組電流互感器內,由不同的鐵心和二次繞組分別實現測量和保護功能。二.電流互感器技術參數及意義實際一次電流Ip 實際一次電流方均根值(有效值;額定一次電流Ipn 作為電流互感器性能基準的一次電流值,是長期連續正常運行一次電流值;國標GB1208-1997規定標準值(以下簡稱標準值

5、:1012.5 15 20 25 30 40 50 60 75A以及它們十進制倍數或小數,一般10-500kV電流互感器額定一次電流50-2500A, 用于100-600MW大型發電機10-20kV出線側的電流互感器一次電流可達到6000-25000A。額定儀表限值一次電流I PL測量用電流互感器在二次負荷等于額定負荷,且復合誤差等于或大于10%時的最小一次電流值。儀表保安系數FS 測量用電流互感器額定儀表限值一次電流I PL對額定一次電流Ipn之比,標準值為5和10。額定準確限值一次電流Ipal 保護用電流互感器在穩態情況能滿足復合誤差要求的最大一次電流值;準確限值系數Kalf(或ALF 保

6、護用電流互感器額定準確限值一次電流Ipal與額定一次電流Ipn之比,Kalf = Ipal /Ipn;標準值:5 10 15 20 30 ,產品樣本中最大可達到40。測量用電流互感器二次極限感應電勢儀表保安系數FS、二次額定電流及額定負荷與二次繞組阻抗的相量和乘積。保護用電流互感器二次極限感應電勢由準確限值系數Kalf(或ALF 、二次額定電流及額定負荷與二次繞組阻抗的相量和乘積。實際二次電流Is 測量條件下通過的實際二次電流方均根值(有效值;額定二次電流Isn 作為電流互感器性能基準的二次電流值,是長期連續正常運行二次電流值;額定電流比Kn kn= Ipn/ Isn;負荷二次回路阻抗,用歐姆

7、和功率因數表示。負荷通常以視在功率伏安值表示,它是在規定功率因數及額定二次電流下所汲取的。額定負荷確定互感器準確等級所依據的負荷值。額定輸出在額定二次電流及接有額定負荷條件下,互感器所供給二次回路的視在功率值(在規定功率因數下以伏安表示。標準值為:2.5 5 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100 VA。電流誤差(比誤差II=(kn Is- Ip/ Ip×100% ;復合誤差c 穩態條件下一次電流瞬時值ip與二次電流瞬時值is乘以Kn兩者之差的方均根值, 準確等級對電流互感器所給定的等級,互感器在規定使用條件下的誤差應在規定限度內。對于測量用電流互感器,以額定一

8、次電流情況下互感器二次側接入額定負荷(V A時的二次電流誤差限值為互感器的準確等級,(例如15V A0.2級、30V A 0.5級等。標準值為:0.1 0.2 0.5 1 3 5。對于保護用電流互感器,以保護用互感器類型(P、PR、PX和TPS、TPX、TPY、TPZ等、額定準確限值一次電流下的復合誤差值、Kalf(或ALF 準確限值系數、額定輸出(V A等參數標注準確等級(例如:30V A 5P10、15V A 10P20等標準值為:5P 10P勵磁電流Ie 在一次繞組和其他繞組開路的情況下,以額定頻率的正弦波電壓時駕馭二次接線端子時,二次繞組所汲取的電流方均根值。三、電流互感器試驗電流互感

9、器試驗分為出廠試驗、交接驗收試驗、大修試驗、預防性試驗。按試驗性質和要求分為絕緣試驗和特性試驗。電流互感器特性試驗項目包括:a. 測量二次繞組的直流電阻;b.極性試驗;c.變比試驗;d.伏安特性試驗。1.測量二次繞組的直流電阻:電流互感器的二次繞組直流電阻較小,應使用雙臂電橋測試比較準確。也可采用直流壓降法,通入直流電流,測量電流、電壓計算求得。現場試驗一般不要求測試。但是如果需要根據伏安特性繪制誤差特性曲線,使用到二次繞組直流電阻值。如果沒有互感器的出廠測試值,就要在現場測試二次繞組的直流電阻值。2.極性試驗:極性試驗的目的是為了檢查一、二次繞組之間的極性關系是否正確。電流互感器一、二次繞組

10、規定為減極性。所謂減極性,就是當從一側繞組的參考正極性端通入交流電流時,同時在另一側繞組中產生感應電勢,如果另一側繞組外部端子接有負載或短接,將有電流從另一側繞組的參考極性端流出,由非極性端返回。兩側繞組電流所產生的磁勢相減。極性試驗的方法一般采用直流法,試驗接線如圖3。 圖2圖3中電源E一般使用1.5-3V干電池,試驗時加在匝數少的繞組側,匝數多的繞組側接一個直流電壓表,電壓表的量程根據兩側繞組匝數比確定,匝數比越大,量程選的越大。試驗時,當開關S閉合時,如果電壓表V指針正偏轉,兩側繞組的極性關系為減極性,指針反偏轉為加極性。3.變比試驗:變比試驗的目的是為了檢查電流互感器的實際變流比是否于

11、額定變流比相否,也稱為誤差試驗。理想的電流互感器應當是一、二次側電流值按額定變流比變換,相位一致。由于二次繞組端子接有負荷阻抗,需要施加一定的端電壓,產生端電壓需要一部分勵磁電流,使得從二次繞組端子流出的電流與理想變換電流有一定的誤差。分析誤差的電流互感器的等值電路和相量圖如圖3。 I S 二次電流I p 一次電流X ct二次繞組電抗I e 二次勵磁電流X b 負荷電抗R ct 二次繞組電阻R b 負荷電阻K n 額定電流比E s二次繞組內感電動勢U s二次繞組端電壓圖3 電流互感器等值電路及相量圖a 等值電路圖b相量圖圖3中Ip/kn 為按額定變流比變換的理想變換電流,Ie 為產生端電壓Us

12、 所需的勵磁電流,Is 為二次繞組流出的實際電流。通過相量圖可以看出,由于Ie 的存在,使得Is 與Ip/kn 之間的幅值和相位均出現了誤差。其中幅值差稱為比誤差II= (kn Is- Ip / Ip ×100%相位差稱為角誤差 對于保護用電流互感器,對額定電流情況下的變流比誤差要求不太高,一般只測試比誤差,現場試驗只要求做核對性測試,無明顯差別即可。現場核對性變比測試的接線原理圖如圖4 圖4圖4中T1為調壓器,用來將交流電源轉變為連續可調的電壓。T2為升流變壓器(簡稱升流器,用來將調壓器輸出的高壓(相對于低壓側小電流,轉變為低壓大電流。TAn 為標準電流互感器,一般比被試互感器準確

13、等級高1-2個等級。Tax 為被試電流互感器。A1、A2為便攜式0.5級標準電流表。試驗時升流器輸出與TAn 、Tax 一次繞組串聯連接,TAn 、Tax 二次繞組分別接A1、A2, TAn 額定變比與TAx 額定變比相同。調整T1輸出電壓,A1、A2有電流指示,對比A1、A2讀數應接近。試驗時根據試驗設備容量,一次電流要求升到被試電流互感器的20100% 額定值。當被試電流互感器一次電流低于50%額定值時,試驗誤差允許大于額定電流時的誤差限值。4.伏安特性試驗;伏安特性是確定電流互感器在故障電流情況下變流比誤差的一個主要特性。對于保護用電流互感器,用準確限值系數Kalf(或ALF確定當故障時

14、復合變流比誤差等于10%額定變流比時一次故障電流與額定電流倍數,確保通入保護裝置的二次故障電流誤差不超過10%。對于測量用電流互感器,用儀表保安系數FS 確定當故障時復合變流比誤差等于大于10%額定變流比時一次故障電流與額定電流倍數,確保通入測量儀器儀表的故障電流不致于過大而損壞,FS 比Kalf 低得多。電流互感器在故障電流下變比誤差增大,是由于電流互感器鐵心飽和使得勵磁電流增大造成的,該勵磁電流存在與一次繞組中,通過等值可變換到二次繞組側,圖3中的Ie 就是從一次繞組變換來的一次勵磁電流。在故障電流下,與二次電流在負荷阻抗上的電壓降U S 對應的二次繞組內感電動勢E S, 確定了對應的二次

15、繞組勵磁電流Ie 。用伏安特性試驗可間接求得Ie 與 E S 的對應關系,伏安特性試驗的接線原理如圖5。 圖5試驗時電流互感器TAx 一次繞組開路,二次繞組施加交流試驗電壓,逐點讀取試驗電壓、試驗電流,通入的電流電壓不超過制造廠技術條件的規定為準,當電流增大而電壓變化不大時,說明鐵心已經飽和,應停止試驗。根據試驗數據繪出伏安特性。內感電勢Es 可以從試驗數據求得:Es=U-IeZct U-IeRct ,Rct 可在現場實測求得。 T2為升壓變壓器,當試驗電壓超過T1輸出最大值時實用,試驗電壓低于T1輸出最大值時可不用。準確限值系數Kalf(或ALF是對應于二次繞組接額定負荷情況下,電流互感器復

16、合誤差等10%(或5%額定變流比時一次實際電流與額定一次電流的比值。如果二次負荷與額定值不相符,對應10%(5%誤差值的一次實際電流與額定一次電流的比值也不同。用m ct 表示在確保10%(5%誤差值情況下一次實際電流與額定一次電流的比值與二次負荷阻抗Zb 變化關系特性參數,繪制m ct 與Zb 關系曲線,稱為10%(5%誤差曲線。 由圖3(a 可知:Es=Us+Is(Rct+jXct+Rb+jXb 由于Xct 、Xb 與Rct 、 Rb 相比較小,實用時可以忽略,則 Es=Us+Is(Rct +Rb由試驗得到的Ie 和Es,通過計算可求得m ct 與Rb 關系曲線,對應10%誤差, 當二次額定電流5A 時,m c t =2I e m=ip/5*n n 變比 折算成I e :勵磁電流當二次額定電流1A 時,m ct=10I e對應5%誤差,Rb= ES -Rct 19Ie 當二次額定電流5A時， mc t 4Ie = 當二次額定電流為1A時， mct=20Ie 按伏安特性試驗數據求出伏安特性曲線Ue=f(Ie及Ee= f(Ie如圖6 （a） ,其中Een為額定電 流下勵磁電流Ien所對應的內感電勢，Ees為準確限值電流下勵磁電流Ies所對應的內感電勢。 Ee U