電流互感器伏安特性試驗(yàn)分析與應(yīng)用

耿恒業(yè)，張 晶，劉承志

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

1 概 述

電流互感器（Current Transformer，CT）類似一臺(tái)一次線圈匝數(shù)少和二次線圈匝數(shù)多的變壓器。由于其二次側(cè)串聯(lián)的是阻抗很小的電流表或者其他儀器儀表的電流線圈，因此運(yùn)行中的電流互感器又類似于一臺(tái)工作在短路狀態(tài)的變壓器。它是按照一、二次電流與一、二次線圈匝數(shù)成反比的規(guī)律來(lái)檢測(cè)一次電流，不但大大簡(jiǎn)化了儀表和繼電器的結(jié)構(gòu)，有利于儀表和繼電器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，而且能使工作人員遠(yuǎn)離高壓部分，免受高壓威脅。

CT的伏安特性，是指在CT一次側(cè)開(kāi)路的情況下，CT二次側(cè)所施加的電壓與二次側(cè)所通過(guò)的勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線，也被稱為鐵芯的磁化曲線。伏安特性試驗(yàn)的主要目的有以下兩方面，一方面是檢驗(yàn)新投用CT的鐵芯質(zhì)量，檢查新測(cè)出的伏安特性曲線是否與出廠前的伏安特性曲線一致，確保新投用CT的鐵芯無(wú)損傷，也可留下其原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)以供后期比對(duì)。另一方面是判斷CT的二次繞組是否存在匝間短路等缺陷，長(zhǎng)期運(yùn)行的CT因配合發(fā)電機(jī)組或配電設(shè)備大修或定期維護(hù)而停運(yùn)檢修時(shí)，通過(guò)鑒別伏安特性曲線拐點(diǎn)電壓是否有顯著下降來(lái)判斷長(zhǎng)期運(yùn)行后CT的二次繞組是否存在匝間短路等缺陷，確保發(fā)電機(jī)組或配電設(shè)備的安全可靠運(yùn)行[1]。

2 試驗(yàn)原理

電流互感器工作時(shí)的等效電路圖如圖1所示。

圖1 CT工作時(shí)等效電路圖

圖中，為CT換算到二次側(cè)的一次電流；為CT換算到二次側(cè)的一次繞組漏抗；Ie為勵(lì)磁電流；Ze為勵(lì)磁阻抗；E2為勵(lì)磁電勢(shì)；I2為二次繞組電流；Z2為二次繞組漏抗；ZL為CT二次繞組負(fù)載阻抗。各參數(shù)間存在以下關(guān)系：

CT正常工作時(shí)，鐵芯的磁通密度很低，勵(lì)磁電流很小，由式（1）可知，二次側(cè)電流隨一次側(cè)電流的增加而線性增加。當(dāng)電力線路發(fā)生短路等故障時(shí)，線路電流即CT一次側(cè)電流急劇增大，鐵芯的磁通密度大大增加，此時(shí)因鐵芯飽和導(dǎo)致大量電流損耗于鐵芯發(fā)熱上，勵(lì)磁電流因鐵芯飽和而發(fā)生畸變并急劇增大。此外，CT二次側(cè)電流因?yàn)榧眲≡龃髣?lì)磁電流的存在也發(fā)生畸變和失真，從而導(dǎo)致CT從一次側(cè)到二次側(cè)的電流傳變出現(xiàn)很大的誤差[2]。

由于CT運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生相同的勵(lì)磁電勢(shì)所要求的勵(lì)磁電流與在CT二次側(cè)直接施加勵(lì)磁電流的情況基本一致，因此可以通過(guò)CT的伏安特性試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)CT的性能和質(zhì)量。CT伏安特性試驗(yàn)時(shí)的等效電路圖如圖2所示。

圖2 CT伏安特性試驗(yàn)等效電路圖

圖中，Ie為勵(lì)磁電流；Ze為勵(lì)磁阻抗；E2為勵(lì)磁電勢(shì)；I2為二次繞組電流；Z2為二次繞組漏抗；U2為二次繞組電勢(shì)。由于伏安特性試驗(yàn)時(shí)，CT一次繞組開(kāi)路，因此有以下關(guān)系：

由上述分析可知，在CT二次繞組施加電壓的初始階段，CT伏安特性曲線表現(xiàn)為線性，當(dāng)二次繞組施加的電壓增加到一定值后，勵(lì)磁電流Ie急劇增加。當(dāng)施加于CT二次繞組的額定頻率的電壓增加10%時(shí)，若CT勵(lì)磁電流增加50%，則伏安特性曲線上的此點(diǎn)為拐點(diǎn)，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的二次繞組所施加的電壓即為拐點(diǎn)電壓。典型CT的伏安特性曲線如圖3所示。

圖3 典型CT的伏安特性曲線

3 試驗(yàn)方法

安裝前或定期維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，電流互感器伏安特性校驗(yàn)的常用試驗(yàn)方法一般有以下兩種。

3.1 傳統(tǒng)設(shè)備測(cè)試法

利用調(diào)壓器、升壓變壓器、電壓表以及電流表等傳統(tǒng)設(shè)備測(cè)試CT的伏安特性，其接線方法如圖4所示。使用該方法進(jìn)行CT伏安特性試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)CT二次繞組的電流達(dá)到二次額定電流所需施加的電壓時(shí)很可能會(huì)超出調(diào)試器的輸出上限，此時(shí)就需要使用一臺(tái)升壓變壓器來(lái)升壓，且該升壓變壓器高壓側(cè)的最大輸出電流及試驗(yàn)所用電流表的最大量程均必須大于CT二次繞組的額定電流。此外，試驗(yàn)所用電壓表的最大量程一般應(yīng)不小于1 000 V，或可以直接使用量程足夠的萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量CT二次繞組的電壓，此時(shí)無(wú)需連接圖示的電壓表[3]。

圖4 傳統(tǒng)設(shè)備測(cè)試CT伏安特性的接線圖

3.2 伏安特性測(cè)試儀測(cè)試法

利用CT伏安特性測(cè)試儀來(lái)測(cè)試CT的伏安特性，此時(shí)的接線方法如圖5所示。圖中交流電壓/電流輸出端子用于給所測(cè)試CT的二次繞組施加測(cè)試電壓及勵(lì)磁電流，電壓測(cè)量端子用于實(shí)時(shí)測(cè)量給所測(cè)試CT二次繞組施加的測(cè)試電壓。

目前，CT伏安特性測(cè)試儀作為新興的智能化測(cè)試設(shè)備，一般均具備電壓和電流數(shù)字顯示功能，且可直接打印出所測(cè)試CT的伏安特性曲線，并顯示拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值和電流值，便于試驗(yàn)人員將之與CT出廠時(shí)或者近期的伏安特性曲線測(cè)試結(jié)果做比較與分析，以研判CT的設(shè)備狀況。

圖5 利用CT伏安特性測(cè)試儀測(cè)試CT伏安特性的接線圖

4 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

為保障伏安特性試驗(yàn)過(guò)程中人員和設(shè)備的安全，同時(shí)確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性和可靠性，應(yīng)在伏安特性試驗(yàn)過(guò)程中遵循以下注意事項(xiàng)。首先，試驗(yàn)前應(yīng)拆除CT二次繞組的引出線和接地線，嚴(yán)防接地，確保試驗(yàn)CT可靠獨(dú)立于綜保裝置、電流表以及多功能表等所有應(yīng)用設(shè)備，防止試驗(yàn)時(shí)損壞應(yīng)用設(shè)備。其次，試驗(yàn)時(shí)給試驗(yàn)CT的二次側(cè)施加的電壓和電流均不得超過(guò)CT生產(chǎn)廠家技術(shù)文件規(guī)定的限值，嚴(yán)防損毀所測(cè)試的CT。CT一次側(cè)應(yīng)可靠開(kāi)路，參考CT二次側(cè)的額定電流選取若干個(gè)電流點(diǎn)，逐點(diǎn)讀取和記錄各電流點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值和電流值。每個(gè)電流點(diǎn)在CT二次側(cè)施加電壓前必須均從零開(kāi)始升壓升流，且調(diào)壓器不能來(lái)回調(diào)節(jié)，以減輕磁滯影響，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，當(dāng)電壓略微增加而勵(lì)磁電流增加很多時(shí)，說(shuō)明CT鐵芯已接近飽和，則該點(diǎn)已接近拐點(diǎn)，升壓必須極其緩慢，防止損壞CT。最后，試驗(yàn)后根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)所繪出的伏安特性曲線或者打印出的伏安特性曲線與CT出廠試驗(yàn)時(shí)或者上幾個(gè)周期的試驗(yàn)結(jié)果做比對(duì)，拐點(diǎn)電壓應(yīng)無(wú)明顯降低，否則CT鐵芯可能損壞或者CT二次繞組可能存在匝間短路現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)做進(jìn)一步檢查或者直接更換CT。對(duì)于同一組電流互感器，如U、V以及W三相同一組CT相對(duì)應(yīng)的二次繞組的伏安特性曲線應(yīng)基本一致，同時(shí)應(yīng)及時(shí)恢復(fù)CT二次繞組引線和接地線的連接，并做好各類技術(shù)和組織的安全措施[4]。

5 結(jié) 論

電流互感器在電力系統(tǒng)的測(cè)量、計(jì)量以及保護(hù)方面有著極其重大的作用，其鐵芯及繞組是否正常對(duì)于電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行有著關(guān)鍵影響。因此，利用伏安特性試驗(yàn)對(duì)CT質(zhì)量和運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查和校驗(yàn)有著重大的現(xiàn)實(shí)意義，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)CT鐵芯損壞和繞組匝間短路等設(shè)備隱患，為電力線路繼電保護(hù)裝置的可靠正確動(dòng)作、避免電力系統(tǒng)供電故障、縮小故障范圍以及維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了技術(shù)保障。此外，CT伏安特性試驗(yàn)需要依托前人的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，結(jié)合各自項(xiàng)目實(shí)際，不斷地學(xué)習(xí)總結(jié)，以便更好地為電力系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行保駕護(hù)航。