特高壓電流互感器勵磁特性測試研究

王軍，李寬，趙斌超，李玉敦，史方芳

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250003）

特高壓電流互感器勵磁特性測試研究

王軍，李寬，趙斌超，李玉敦，史方芳

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250003）

電流互感器（TA）勵磁特性測試是判斷TA有無繞組匝間短路缺陷的重要依據(jù)，亦是TA帶負載能力校核的基礎(chǔ)。通過分析TA的工作原理，研究了鐵芯飽和、外部電流等因素對TA勵磁特性測試的影響。介紹兩種常見的TA勵磁特性測試方法——直流法和交流變頻法，研究兩種測試方法的測試原理以及對不同準確級TA繞組的測試適用性，比較兩種測試方法的優(yōu)缺點。搭建基于直流法和交流變頻法的TA勵磁特性現(xiàn)場測試平臺，對某1 000 kV特高壓變電站TPY級、5P級、0.2級TA繞組進行測試，對比分析兩種方法在不同準確級TA繞組測試中的適用性。

特高壓；電流互感器；勵磁特性

0 引言

TA勵磁特性曲線是指當TA一次繞組和其他繞組開路時，施加于TA二次端子上的正弦波電勢方均根值與勵磁電流方均根值之間的關(guān)系曲線。通過TA勵磁特性測試，能夠檢查TA的鐵芯質(zhì)量，找到TA飽和時的電壓拐點位置，并用以判斷TA的二次繞組有無匝間短路等缺陷。目前常用的測試方法有直流法和交流變頻法，對于特高壓TPY級、5P級和0.2級TA，不同的測試方法在測試精度和測試速度上具有較大差異，本文從理論上分析了兩種測試方法的優(yōu)缺點及對不同準確級TA的測試適用性，并進行了現(xiàn)場測試，通過分析測試數(shù)據(jù)，驗證了理論分析的正確性。

1 TA工作原理

TA的結(jié)構(gòu)與變壓器類似，其基本電路如圖1所示，一次、二次繞組和鐵芯為基本部件，一次繞組和二次繞組在同一個磁路閉合的鐵芯上。如果一次繞組帶電而二次繞組開路，TA成為一個帶鐵芯的電抗器，一次繞組中的電壓降等于鐵芯磁通在該繞組中引起的電動勢，鐵芯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路，則二次回路中將產(chǎn)生一個電流，此電流在鐵芯中產(chǎn)生的磁通趨向于抵消一次繞組電流產(chǎn)生的磁通［1-3］。

圖1 TA工作原理

假設(shè)TA為不需要勵磁的理想互感器，那么一次電流與二次電流之比與二次匝數(shù)與一次匝數(shù)之比相等，二者之間沒有誤差。但實際互感器中，為了實現(xiàn)一次、二次的能量傳遞，首先需要建立磁場，且這個磁場會產(chǎn)生損耗，因而需要一定的電流才能維持，這個電流稱為勵磁電流。與一次電流、一次線圈匝數(shù)、二次電流、二次線圈匝數(shù)的關(guān)系為［1，4］

式中：I1、N1、I2、N2、I0分別為TA一次電流、一次線圈匝數(shù)、二次電流、二次線圈匝數(shù)、勵磁電流。TA勵磁特性測試的任務就是要測量二次繞組的勵磁電流。

2 TA勵磁特性影響因素

2.1 外部電流對TA勵磁特性的影響

外部電流產(chǎn)生的磁通與TA的二次繞組交鏈，當外部電流隨時間變化時，交鏈的磁通會在TA的二次繞組中產(chǎn)生感應電動勢，與由TA主磁通在二次繞組中產(chǎn)生的感應電動勢疊加，共同作用在二次回路上，從而影響了TA的二次電流［5］。

圖2 外部電流干擾下TA的互感耦合等值電路

外部電流干擾下TA的互感耦合等值電路如圖2所示。根據(jù)等值電路，電路原、副邊的電壓方程為

式中：R1、R2、R3分別為一次繞組、二次繞組、外部電流導體的電阻；L1、L2、L3分別為一次繞組、二次繞組、外部電流導體的自感；I1、I2、I3分別為一次電流、二次電流、外部電流；M12為一次繞組、二次繞組的互感；M13、M23分別為一次繞組二次繞組與外部電流導體的互感；U1、U3分別為一次繞組、外部電流導體的電壓降；ZL為TA負載。

對（2）式進行整理，并將一次側(cè)相關(guān)參數(shù)折算至二次側(cè)，得

式中：R′1為折算至二次側(cè)的一次繞組電阻；L′1為一次繞組自感；I′1為折算至二次側(cè)的一次電流；M′12為折算至二次側(cè)的一次與二次繞組的互感；M′13為折算至二次側(cè)的一次繞組與外部電流導體的互感；I′3為折算至二次側(cè)的外部電流；U′1為折算至二次側(cè)的一次繞組的電壓降。

根據(jù)式（5），將TA一次側(cè)和外部電流參數(shù)折算到二次側(cè)，畫出外部電流干擾下TA的去耦等效電路，如圖3所示。

圖3 外部電流干擾下TA的去耦等效電路

根據(jù)圖3所示等效電路，可得外部電流干擾下TA的復數(shù)誤差為

式中：M′23為折算至二次側(cè)的二次繞組與外部電流導體的互感。

由于外部電流導體（鋁制或銅制）的磁導率與空氣磁導率相近，并且鐵芯的磁導率遠大于空氣磁導率，故假定TA一次、二次繞組的互感M12和二次繞組的自感L2基本不變。因而，TA的誤差與二次繞組、外部電流導體之間的互感M23和外部電流的大小有關(guān)［6］。

2.2 鐵芯飽和對TA勵磁特性的影響

由以上分析可知，當鐵芯處于線性工作區(qū)時，外部電流對TA誤差的影響可以忽略不計。但是，當鐵芯達到飽和后，鐵芯磁導率迅速下降，勵磁電流大幅度增加，導致TA的誤差急劇增大。另外，TA鐵芯達到飽和后，二次電流與一次電流不再是線性關(guān)系，具體畸變的形式與二次負荷的特性有關(guān)［7-8］。

TA鐵芯的勵磁阻抗為有限值，并且TA鐵芯未飽和時也有一定損耗。當鐵芯達到飽和后，磁通仍存在輕微變化，從而造成二次電流的輕微變化。鐵芯飽和時，若系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)故障，短路電流中存在非周期分量引起的暫態(tài)過程，磁通波形如圖4所示［9］。

圖4 短路電流有非周期分量飽和時磁通波形

鐵芯飽和時的電流波形如圖5所示，圖中，i1、i2分別為TA的一次電流、二次電流。

圖5 非周期分量引起的飽和

故障情況下，由于受到鐵芯飽和的影響，未飽和段的磁通波形也不再是正弦，從而導致二次感應電動勢和二次電流的波形出現(xiàn)尖峰，含有高次諧波分量。

綜上所述，外部電流產(chǎn)生的雜散磁通與TA鐵芯的主磁通疊加后，如果鐵芯保持工作在線性區(qū)，則外部電流對TA誤差性能的影響可以忽略不計；如果鐵芯出現(xiàn)局部飽和甚至完全飽和，則TA勵磁電流會大大增加，二次電流波形發(fā)生畸變，致使TA性能嚴重下降甚至失效。

3 TA勵磁特性測試方法

式中：Rct為TA二次繞組電阻；im為二次回路勵磁電流。式（7）為TA勵磁特性測試的基本關(guān)系式。

3.1 直流法

直流法是指采用某一直流電壓，產(chǎn)生恒定的磁通，隨著勵磁電流緩慢上升，對勵磁的繞組端電壓減去與二次繞組電阻和二次回路勵磁電流相對應的電壓后，再進行積分，得到勵磁特性曲線。直流法測試TA勵磁特性曲線的優(yōu)點主要有：

1）對于低變比TA，測試精度高。低變比TA具有二次繞組匝數(shù)少、二次回路直流電阻低的特點。若采用交流變頻法，變頻交流信號一般由放大器輸出，不可避免的含有直流零漂。假設(shè)直流零漂有1 mV，當測試直流電阻為0.1 Ω的TA時，勵磁電流里含有直流電流為10 mA。對于低變比TA，勵磁特性曲線拐點電流約為幾十毫安，因此該直流分量產(chǎn)生的電流將對勵磁特性測試的精度產(chǎn)生較大影響，采用直流法時則不存在這種問題。

2）對于高拐點TA，測試速度快。直流法采用某一直流電壓，測試時TA鐵芯飽和快，測試速度快。

3）直流法抗電磁干擾性強，伏安特性取值穩(wěn)定，多次測試結(jié)果離散度小。

缺點：對于采用電容補償繞組的TA，直流法無法測試勵磁特性。

3.2 交流變頻法

在TA勵磁電感相同的條件下，電壓與頻率成正比。為使勵磁電感達到相同飽和，所要施加電壓的頻率越低則幅值越低。交流變頻法即采用電壓與頻率的正比關(guān)系，在較低頻率下測試TA勵磁特性，從而

在TA二次端子上施加某一電壓，測量相應的勵磁電流，在t時二次匝鏈繞組鐵芯磁通φ（t）與此電壓的關(guān)系為［10］降低所加電壓的幅值，既能夠避免過高的工頻電壓致使TA繞組匝間絕緣受損，又提高了勵磁特性測試的準確度。交流變頻法可用于保護TA的伏安特性測量和計量TA的比差角差測量。

TA工作于額定頻率f時，等效電壓方均根值U與二次匝鏈繞組鐵芯磁通φ的關(guān)系為

交流變頻法測試TA勵磁特性曲線的優(yōu)點主要有：測試輸出電壓較低，一般不會超過200 V，測試設(shè)備體積小、重量輕；測試包括多個循環(huán)過程，每個輸出測點均是多次測量的平均值，對于高變比TA，測試精度高；不需要外接標準互感器和標準負載箱，按最新國標規(guī)定的電流和負載點準確測量M級TA的變比誤差和相位偏移。缺點為：對于高拐點、TPY級TA，由于勵磁特性拐點電壓高達上萬伏，測試頻率很低，單個周波的輸出時間較長，導致測試時間較長。

4 特高壓TA勵磁特性測試

基于直流法和交流變頻法的TA勵磁特性測試原理如圖6所示。

圖6 TA勵磁特性測試原理

圖6中，TA一次側(cè)斷開，從TA二次側(cè)施加測試信號（直流電壓/交流變頻電壓），同時從TA二次側(cè)采集二次繞組的勵磁電流，得到勵磁電流與所加電壓的對應關(guān)系。為了消除夾頭接觸電阻的影響，提高測試準確性，應避免采用公用夾頭與TA二次側(cè)連接，測試輸出端口和測量輸入端口與TA二次繞組通過不同的夾頭連接，每個測量導線各采用一個夾頭?；趫D5測試原理圖，分別采用直流法和交流變頻法對某1 000 kV特高壓變電站TA勵磁特性曲線進行測試，所測TA參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

表1 TA參數(shù)一覽表

表1中TA的類型、容量、變比參數(shù)均來自TA銘牌標示，直流電阻參數(shù)來自變電站現(xiàn)場實測值。測試結(jié)果如表2所示，對于某一類型的TA，采用兩種方法分別對同一繞組進行測試，反復測試3次，取其平均值如表2所示。

表2 不同類型TA勵磁特性測試數(shù)據(jù)對比表

分析表2測試數(shù)據(jù)可知，對于TPY級和5P級TA繞組，直流法和交流法的測試精度基本一致。對于0.2級TA繞組，由于其中包含電容補償繞組，直流法測試時無法產(chǎn)生勵磁，無法測試勵磁特性的拐點，在勵磁特性曲線上表現(xiàn)為一條直線，交流變頻法不受電容補償繞組的影響，施加交流信號，鐵芯能夠正常勵磁。對于TPY級TA，采用直流法的測試效率是交流變頻法的6倍，這是因為采用直流法時，鐵芯飽和速度快，而采用交流變頻法時，由于測試輸出頻率較低，單個周波的輸出時間較長，導致測試時間較長，該測試結(jié)果與理論分析一致。

5 結(jié)語

直流法和交流變頻法是目前常用的兩種測試TA勵磁特性曲線的方法，兩種測試方法對于不同類型的TA具有不同的測試靈敏度，測試效率亦有較大差別。在分析TA工作原理、勵磁特性的基礎(chǔ)上，從理論分析和特高壓TA實際測試兩方面，對兩種測試方法的有效性和適用性進行了對比分析。對于大容量、高變比的TPY級TA繞組，采用直流法能夠獲得更高的測試效率，并且不會降低測試準確度；對于含有電容補償繞組的TA，宜采用交流變頻法進行測試；對于拐點電壓較低的5P級TA，采用直流法和交流變頻法在測試精度和測試效率上差別不大，兩種方法均可采用。

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Research of Excitation Characteristics Testing Technology of UHV Current Transformer

WANG Jun，LI Kuan，ZHAO Binchao，LI Yudun，SHI Fangfang
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The current transformer（TA）excitation characteristic test is an important basis to judge whether the TA has a winding inter turn short circuit fault，and is also the basis of checking the load capacity of TA.Based on the analysis of the working principle of TA，the influence of factors such as the saturation of iron core and the external current on the excitation characteristics of TA is studied.Two kinds of TA excitation characteristic test method，namely DC method and AC frequency conversion method，are introduced，the testing principle of two test methods and the test applicability for different grades of TA windings are studied，the advantages and disadvantages of the two methods are compared.Based on DC and AC frequency conversion method，the field test platform of TA excitation characteristics is built，by which the TPY，5P，and 0.2 level TA windings of a 1 000 kV UHV substation are tested，and then the applicability of the two methods in the TA winding test with different accuracy levels is analyzed and compared.

ultra high voltage（UHV）；current transformer（TA）；excitation characteristic

TM711

A

1007－9904（2017）05－0020－05

2016-12-08

王軍（1986），男，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護研究工作。