電流互感器知識(shí)簡(jiǎn)介

為了保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,必須對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)量.但一般的測(cè)量和保護(hù)裝置不能直接接入一次高壓設(shè)備,而需要將一次系統(tǒng)的高電壓和大電流按比例變換成低電壓和小電流,供給測(cè)量?jī)x表和保護(hù)裝置使用.執(zhí)行這些變換任務(wù)的設(shè)備,常見(jiàn)的就是我們通常所說(shuō)的互感器.大電流試驗(yàn)裝置應(yīng)用于發(fā)電廠、變配電站、電器制造廠及科研院所等部門(mén)，屬于短時(shí)或斷續(xù)工作制，具有體積小、重量輕、使用維修方便等特點(diǎn)。進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的是電壓互感器(voltagetransformer),而進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換的互感器為電流互感器(currenttransformer),簡(jiǎn)稱(chēng)為CT.本文將討論電流互感器的相關(guān)基本知識(shí).

1.電流互感器的簡(jiǎn)單分類(lèi)

根據(jù)用途電流互感器一般可分為保護(hù)用和計(jì)量用兩種。兩者的區(qū)別在于計(jì)量用互感器的精度要相對(duì)較高，另外計(jì)量用互感器也更容易飽和，以防止發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)大的短路電流造成計(jì)量表計(jì)的損壞。

根據(jù)對(duì)暫態(tài)飽和問(wèn)題的不同處理方法，保護(hù)用電流互感器又可分為P類(lèi)和TP類(lèi)。P（protection，保護(hù)）類(lèi)電流互感器不特殊考慮暫態(tài)飽和問(wèn)題，僅按通過(guò)互感器的大穩(wěn)態(tài)短路電流選用互感器，可以允許出現(xiàn)一定的穩(wěn)態(tài)飽和，而對(duì)暫態(tài)飽和引起的誤差主要由保護(hù)裝置本身采取措施防止可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤動(dòng)作行為（誤動(dòng)或拒動(dòng)）。TP（transientprotection，暫態(tài)保護(hù)）類(lèi)電流互感器要求在嚴(yán)重的暫態(tài)條件下不飽和，互感器誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，以保證保護(hù)裝置的正確動(dòng)作。

對(duì)于其它類(lèi)型的互感器，比如光互感器，電子式電流互感器等實(shí)際應(yīng)用還很少，因此這里不作介紹。

2.電流互感器的飽和

前面我們講到電流互感器的誤差主要是由勵(lì)磁電流Ie引起的。正常運(yùn)行時(shí)由于勵(lì)磁阻抗較大，因此Ie很小，以至于這種誤差是可以忽略的。但當(dāng)CT飽和時(shí)，飽和程度越嚴(yán)重，勵(lì)磁阻抗越小，勵(lì)磁電流極大的增大，使互感器的誤差成倍的增大，影響保護(hù)的正確動(dòng)作。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使一次電流全部變成勵(lì)磁電流，造成二次電流為零的情況。引起互感器飽和的原因一般為電流過(guò)大或電流中含有大量的非周期分量，這兩種情況都是發(fā)生在事故情況下的，這時(shí)本來(lái)要求保護(hù)正確動(dòng)作快速切除故障，但如果互感器飽和就很容易造成誤差過(guò)大引起保護(hù)的不正確動(dòng)作，進(jìn)一步影響系統(tǒng)安全。因此對(duì)于電流互感器飽和的問(wèn)題我們必須認(rèn)真對(duì)待。

互感器的飽和問(wèn)題如果進(jìn)行詳細(xì)分析是非常復(fù)雜的，因此這里僅進(jìn)行定性分析。

所謂互感器的飽和，實(shí)際上講的是互感器鐵心的飽和。我們知道互感器之所以能傳變電流，就是因?yàn)橐淮坞娏髟阼F芯中產(chǎn)生了磁通，進(jìn)而在纏繞在同一鐵芯中上的二次繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)U＝4.44f*N*B*S×10-8。式中f為系統(tǒng)頻率，HZ；N為二次繞組匝數(shù)；S為鐵芯截面積，m2；B為鐵芯中的磁通密度。如果此時(shí)二次回路為通路，則將產(chǎn)生二次電流，完成電流在一二次繞組中的傳變。而當(dāng)鐵芯中的磁通密度達(dá)到飽和點(diǎn)后，B隨勵(lì)磁電流或是磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨于不明顯。也就是說(shuō)在N,S,f確定的情況下，二次感應(yīng)電勢(shì)將基本維持不變，因此二次電流也將基本不變，一二次電流按比例傳變的特性改變了。我們知道互感器的飽和的實(shí)質(zhì)是鐵芯中的磁通密度B過(guò)大，超過(guò)了飽和點(diǎn)造成的。而鐵芯中磁通的多少?zèng)Q定于建立該磁通的電流的大小，也就是勵(lì)磁電流Ie的大小。當(dāng)Ie過(guò)大引起磁通密度過(guò)大，將使鐵芯趨于飽和。而此時(shí)互感器的勵(lì)磁阻抗會(huì)顯著下降，從而造成勵(lì)磁電流的再增大，于是又進(jìn)一步加劇了磁通的增加和鐵芯的飽和，這其實(shí)是一個(gè)惡性循環(huán)的過(guò)程。

暫態(tài)飽和，是指發(fā)生在故障暫態(tài)過(guò)程中，由暫態(tài)分量引起的互感器飽和。我們知道，任何故障發(fā)生時(shí)，電氣量都不是突變的。故障量的出現(xiàn)必然會(huì)伴隨著或多或少的非周期分量。而非周期分量，特別是故障電流中的直流分量是不能在互感器一二次間傳變的。這些電流量將全部作為勵(lì)磁電流出現(xiàn)。因此當(dāng)事故發(fā)生時(shí)伴有較大的暫態(tài)分量時(shí)，也會(huì)造成勵(lì)磁電流的增大，從而造成互感器飽和。

3.電流互感器的誤差分析和計(jì)算

當(dāng)我們知道電流互感器的誤差主要是由于勵(lì)磁電流Ie引起的之后，就有必要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)檢驗(yàn)所使用的電流互感器的誤差是否符合要求。互感器的誤差包括角度誤差和幅值誤差。就繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)而言，角度誤差的測(cè)量過(guò)于繁復(fù)且實(shí)際情況下誤差也極少出現(xiàn)超標(biāo)的情況，我們更關(guān)注的是幅值的誤差。我們一般要求一次電流Ip等于保護(hù)安裝處可能的大短路電流時(shí)，幅值誤差小于等于10％，這也就說(shuō)我們平時(shí)所說(shuō)的10％誤差分析中的要求。

根據(jù)一般的電路原理我們可知，在圖一中，為滿(mǎn)足10％誤差的要求（Ie小于等于10％的Ip/Kn），則必須保證勵(lì)磁阻抗Ze大于等于9倍的二次回路總負(fù)載阻抗（Xct＋Rct＋Zb）。因此為了進(jìn)行10％誤差分析，我們必須知道保護(hù)安裝處的大短路電流、對(duì)應(yīng)于該電流的互感器勵(lì)磁阻抗值和電流互感器的二次回路總負(fù)載阻抗。下面我們分別進(jìn)行討論。3.1.勵(lì)磁阻抗的測(cè)量

4.互感器實(shí)際二次負(fù)擔(dān)的測(cè)量

互感器的實(shí)際二次負(fù)擔(dān)就是每只互感器實(shí)際承載的交流阻抗。可用下式表示：

電流互感器實(shí)際負(fù)擔(dān)＝單相互感器繞組兩端電壓/測(cè)試電流互感器繞組內(nèi)流過(guò)的電流

測(cè)試應(yīng)該在電流互感器輸出端測(cè)量（實(shí)際工作中多在端子箱出進(jìn)行，這樣會(huì)產(chǎn)生誤差，沒(méi)有計(jì)及端子箱到互感器輸出端子出電纜）。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)作差動(dòng)保護(hù)回路阻抗測(cè)試時(shí)應(yīng)將差動(dòng)線圈短接。這是因?yàn)?，我們上面說(shuō)過(guò)差動(dòng)保護(hù)的整定一般均以躲過(guò)外部故障產(chǎn)生的不平衡電流，而此時(shí)理論上是不產(chǎn)生差動(dòng)電流的，也就是說(shuō)差動(dòng)回路中不流過(guò)差動(dòng)電流，因此差動(dòng)回路的阻抗也可以忽略。

5.分析結(jié)論

我們計(jì)算出了勵(lì)磁阻抗，那么更加10％誤差的要求，就可以求出滿(mǎn)足誤差要求的大的二次允許負(fù)載。在3.4中我們又測(cè)得了互感器的二次實(shí)際負(fù)載。如果實(shí)測(cè)負(fù)載大于允許大的二次負(fù)載，則互感器誤差不符合要求。反之則符合誤差要求。

如果10％誤差不符合要求一般的做法有：

增大二次電纜界面積（減少二次阻抗）

串接同型同變比電流互感器（減少互感器勵(lì)磁電流）

改用伏安特性較高的繞組（勵(lì)磁阻抗增大）

提高電流互感器變比（增大勵(lì)磁阻抗）

在這里有一點(diǎn)必須明確，上面進(jìn)行的所有計(jì)算均為穩(wěn)態(tài)量的計(jì)算。即使計(jì)算結(jié)果*符合誤差要求，當(dāng)故障量中暫態(tài)量很大時(shí)，仍然會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。也就是說(shuō)對(duì)于暫態(tài)飽和和暫態(tài)誤差，上面的計(jì)算是無(wú)意義的。因?yàn)閷?duì)于暫態(tài)分量的形式和大小我們無(wú)法把握和預(yù)知。對(duì)于由于暫態(tài)分量造成的誤差，一般要采用暫態(tài)特性的互感器以及在保護(hù)中采取相應(yīng)的措施以避免對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為的影響。

后還有一點(diǎn)需要說(shuō)明，現(xiàn)在我們經(jīng)常會(huì)遇到伏安特性很高的互感器。我們?cè)谶M(jìn)行伏安特性試驗(yàn)時(shí)，現(xiàn)有的儀器根本不能將勵(lì)磁電流升到足夠高的水平。下面是一組實(shí)際測(cè)得的某互感器的伏安特性數(shù)據(jù)：

I(A)0.0150.020.0250.040.08

U(V)7007808209701230

從上表中我們可以看到，勵(lì)磁電流還不到0.1A，電壓就已經(jīng)超過(guò)1000V。即使互感器二次額定電流為1A，那么我們考慮到短路電流倍數(shù)，將勵(lì)磁電流升到一個(gè)足夠的值顯然是不可能的。這里不可能有兩個(gè)，一是現(xiàn)有的常用試驗(yàn)儀器的容量不夠；二是考慮到二次回路的耐壓水平也就是2000KV而已，真的通過(guò)其它方式將電壓升高，不僅可能造成二次設(shè)備的損壞，而且也并不符合實(shí)際運(yùn)行情況。對(duì)于這種情況，我們其實(shí)并不需要知道某個(gè)我們應(yīng)該計(jì)算的勵(lì)磁電流對(duì)應(yīng)的電壓。這是因?yàn)樵趧?lì)磁特性曲線中，即使互感器已經(jīng)飽和，隨著勵(lì)磁電流的增加，勵(lì)磁電壓也是在增加的（只不過(guò)趨于平緩而已），至少是不會(huì)下降的。因此，以上表為例，我們大可以通過(guò)短路電流倍數(shù)的計(jì)算確定勵(lì)磁電流值，然后用1230V，甚至是700V作為電壓值進(jìn)行計(jì)算。這顯然是比常規(guī)的算法對(duì)互感器的要求更加苛刻了，因此不會(huì)造成錯(cuò)誤的計(jì)算。而計(jì)算結(jié)果中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使是采用這種更加苛刻的算法，這種高伏安特性的互感器允許的實(shí)際二次負(fù)載往往仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際負(fù)載。

6.其它相關(guān)知識(shí)

6.1.繼電保護(hù)應(yīng)采用保護(hù)級(jí)繞組。故障錄波一般應(yīng)單獨(dú)采用保護(hù)級(jí)繞組以防止故障電流大時(shí)出現(xiàn)錄波失真。條件不允許時(shí)可和保護(hù)共用一個(gè)繞組，但要布置在保護(hù)裝置后面。表計(jì)應(yīng)采用測(cè)量計(jì)繞組，一是保證精度，而是在故障時(shí)互感器容易飽和以保護(hù)表計(jì)不損壞。

6.2.電流互感器的布置要把握兩個(gè)原則，一是要防止出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)，二是要躲過(guò)互感器易發(fā)生故障的部分。為防止死區(qū)，一般要求各種保護(hù)的保護(hù)范圍之間要有交叉，同時(shí)要求電流互感器的一次測(cè)極性端必須安裝咱母線側(cè)。這是因?yàn)榛ジ衅鞫卫@組的排列是以互感器一次極性端為參考的，如果一次極性端放置錯(cuò)誤，那么盡管在二次繞組的分配上考慮到了交叉問(wèn)題，仍然會(huì)出現(xiàn)保護(hù)范圍的死區(qū)。另外，由于互感器底部易發(fā)生故障，而母線保護(hù)動(dòng)作停電范圍太大，因此一般要注意母線保護(hù)要盡量躲開(kāi)互感器底部。

6.3.電流互感器的選擇一般有如下原則需要遵循:

應(yīng)滿(mǎn)足一次回路的額定電壓、大負(fù)荷電流及短路時(shí)的動(dòng)、熱穩(wěn)定電流的要求；

應(yīng)滿(mǎn)足二次回路測(cè)量、自動(dòng)裝置的準(zhǔn)確度要求和保護(hù)裝置10％誤差的要求；

應(yīng)滿(mǎn)足保護(hù)裝置對(duì)暫態(tài)特性要求（如500KV保護(hù)）；

用于變壓器差動(dòng)時(shí)，各側(cè)電流互感器的鐵芯宜采用相同的鐵芯型式。各互感器的特性宜相同。以防止區(qū)外故障時(shí)，各互感器特性不一致產(chǎn)生差流，造成誤動(dòng)。

7.電流互感器類(lèi)型選擇

為保證保護(hù)裝置的正確動(dòng)作，所選擇的互感器至少要保證在穩(wěn)態(tài)對(duì)稱(chēng)短路電流的下的誤差不超過(guò)規(guī)定值。至于故障電流中的非周期分量和互感器剩磁等問(wèn)題帶來(lái)的暫態(tài)影響，則只能根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問(wèn)題的嚴(yán)重程度、保護(hù)裝置的特性、暫態(tài)飽和可能引起的后果和運(yùn)行情況進(jìn)行綜合考慮定性分析，至于的暫態(tài)特性計(jì)算由于過(guò)于復(fù)雜且現(xiàn)場(chǎng)工作情況很難進(jìn)行，因此不進(jìn)行討論。

7.1.330－500KV系統(tǒng)保護(hù)、高壓側(cè)為330－500KV的變壓器保護(hù)用的電流互感器，由于系統(tǒng)一次時(shí)間常熟較大，互感器暫態(tài)飽和較嚴(yán)重，由此可能導(dǎo)致保護(hù)錯(cuò)誤動(dòng)作的后果。因此互感器應(yīng)保證實(shí)際短路工作循環(huán)中不致暫態(tài)飽和，即暫態(tài)誤差不超過(guò)規(guī)定值。一般選用TP類(lèi)互感器，尤其是線路保護(hù)考慮到重合閘的問(wèn)題，要考慮雙工作循環(huán)的問(wèn)題，因此推薦使用TPY型。

7.2.220KV系統(tǒng)保護(hù)、高壓側(cè)為220KV的變壓器保護(hù)互感器其暫態(tài)飽和問(wèn)題及其影響較輕，可按穩(wěn)態(tài)短路條件計(jì)算互感器穩(wěn)態(tài)特性，進(jìn)而選擇互感器。當(dāng)然，為減輕可能發(fā)生的暫態(tài)飽和影響，我們有必要留有適當(dāng)?shù)脑６取?20KV系統(tǒng)保護(hù)的暫態(tài)系數(shù)一般不小于2。

7.3.110KV系統(tǒng)保護(hù)用互感器一般按穩(wěn)態(tài)條件考慮，采用P類(lèi)互感器。

7.4.高壓母線差動(dòng)保護(hù)用電流互感器，由于母線故障時(shí)故障電流很大，而且外部故障時(shí)流過(guò)互感器的電流差別也很大。即使各互感器特性一致，其暫態(tài)飽和的情況也可能差別很大。因此母線差動(dòng)保護(hù)用的電流互感器好要具有抗暫態(tài)飽和的能力。實(shí)際工程應(yīng)用中，一般按穩(wěn)態(tài)條件選擇互感器，而抗飽和的問(wèn)題更多的由保護(hù)裝置進(jìn)行處理。