電流互感器知識簡介

為了保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,必須對電力設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和測量.但一般的測量和保護(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,供給測量儀表和保護(hù)裝置使用.執(zhí)行這些變換任務(wù)的設(shè)備,常見的就是我們通常所說的互感器.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，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),簡稱為CT.本文將討論電流互感器的相關(guān)基本知識.

1.電流互感器的簡單分類

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)對暫態(tài)飽和問題的不同處理方法，保護(hù)用電流互感器又可分為P類和TP類。P（protection，保護(hù)）類電流互感器不特殊考慮暫態(tài)飽和問題，僅按通過互感器的大穩(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)誤動作行為（誤動或拒動）。TP（transientprotection，暫態(tài)保護(hù)）類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)裝置的正確動作。

對于其它類型的互感器，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)的正確動作。嚴(yán)重時(shí)會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)本來要求保護(hù)正確動作快速切除故障，但如果互感器飽和就很容易造成誤差過大引起保護(hù)的不正確動作，進(jìn)一步影響系統(tǒng)安全。因此對于電流互感器飽和的問題我們必須認(rèn)真對待。

互感器的飽和問題如果進(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)生電動勢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)磁電流或是磁場強(qiáng)度的變化趨于不明顯。也就是說在N,S,f確定的情況下，二次感應(yīng)電勢將基本維持不變，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過大，超過了飽和點(diǎn)造成的。而鐵芯中磁通的多少決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過大引起磁通密度過大，將使鐵芯趨于飽和。而此時(shí)互感器的勵(lì)磁阻抗會顯著下降，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)的過程。

暫態(tài)飽和，是指發(fā)生在故障暫態(tài)過程中，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)專業(yè)而言，角度誤差的測量過于繁復(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％，這也就說我們平時(shí)所說的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)磁阻抗的測量

4.互感器實(shí)際二次負(fù)擔(dān)的測量

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/測試電流互感器繞組內(nèi)流過的電流

測試應(yīng)該在電流互感器輸出端測量（實(shí)際工作中多在端子箱出進(jìn)行，這樣會產(chǎn)生誤差，沒有計(jì)及端子箱到互感器輸出端子出電纜）。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)作差動保護(hù)回路阻抗測試時(shí)應(yīng)將差動線圈短接。這是因?yàn)椋覀兩厦嬲f過差動保護(hù)的整定一般均以躲過外部故障產(chǎn)生的不平衡電流，而此時(shí)理論上是不產(chǎn)生差動電流的，也就是說差動回路中不流過差動電流，因此差動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，就可以求出滿足誤差要求的大的二次允許負(fù)載。在3.4中我們又測得了互感器的二次實(shí)際負(fù)載。如果實(shí)測負(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)，仍然會產(chǎn)生很大的誤差。也就是說對于暫態(tài)飽和和暫態(tài)誤差，上面的計(jì)算是無意義的。因?yàn)閷τ跁簯B(tài)分量的形式和大小我們無法把握和預(yù)知。對于由于暫態(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)的措施以避免對保護(hù)動作行為的影響。

后還有一點(diǎn)需要說明，現(xiàn)在我們經(jīng)常會遇到伏安特性很高的互感器。我們在進(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（只不過趨于平緩而已），至少是不會下降的。因此，以上表為例，我們大可以通過短路電流倍數(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)的算法對互感器的要求更加苛刻了，因此不會造成錯(cuò)誤的計(jì)算。而計(jì)算結(jié)果中，我們會發(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

6.1.繼電保護(hù)應(yīng)采用保護(hù)級繞組。故障錄波一般應(yīng)單獨(dú)采用保護(hù)級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題，仍然會出現(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)動作停電范圍太大，因此一般要注意母線保護(hù)要盡量躲開互感器底部。

6.3.電流互感器的選擇一般有如下原則需要遵循:

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

應(yīng)滿足二次回路測量、自動裝置的準(zhǔn)確度要求和保護(hù)裝置10％誤差的要求；

應(yīng)滿足保護(hù)裝置對暫態(tài)特性要求（如500KV保護(hù)）；

用于變壓器差動時(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。

7.電流互感器類型選擇

為保證保護(hù)裝置的正確動作，所選擇的互感器至少要保證在穩(wěn)態(tài)對稱短路電流的下的誤差不超過規(guī)定值。至于故障電流中的非周期分量和互感器剩磁等問題帶來的暫態(tài)影響，則只能根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問題的嚴(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)算由于過于復(fù)雜且現(xiàn)場工作情況很難進(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)誤差不超過規(guī)定值。一般選用TP類互感器，尤其是線路保護(hù)考慮到重合閘的問題，要考慮雙工作循環(huán)的問題，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類互感器。

7.4.高壓母線差動保護(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，而抗飽和的問題更多的由保護(hù)裝置進(jìn)行處理。