電磁式電流互感器保護(hù)級(jí)的選擇與應(yīng)用

鄶小娟　管永秋

）

摘 要 電流互感器是電力系統(tǒng)一次側(cè)和二次側(cè)的主要連接部分，隨著對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的超負(fù)載和高速動(dòng)作要求，電流互感器又成為了繼電保護(hù)中安全運(yùn)行的重要元件，所以應(yīng)該對(duì)保護(hù)用電流互感器的性能牢牢掌握， 我們才可以準(zhǔn)確選擇和判斷電流互感器，對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行精確設(shè)置，確保繼電器快速動(dòng)作，從而保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，在這里我們介紹了電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)及準(zhǔn)確限值系數(shù)的選擇，二次輸出負(fù)荷的計(jì)算，伏安特性的分析，并通過(guò)詳細(xì)數(shù)據(jù)來(lái)認(rèn)識(shí)保護(hù)用電流互感器。

關(guān)健詞 電流互感器保護(hù)級(jí) 準(zhǔn)確級(jí) 二次負(fù)荷 準(zhǔn)確限值系數(shù) 伏安特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）10-0005-03

在我國(guó)的電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)、變壓器及變電所等大型設(shè)備都要用到電流互感器，其中保護(hù)用電流互感器主要在電力系統(tǒng)非正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下給繼電保護(hù)裝置及類(lèi)似電器傳遞信號(hào)作用。保護(hù)用電流互感器是在眾多保護(hù)設(shè)備中不可缺少的元件之一，電流互感器的主要作用是給測(cè)量?jī)x器、儀表或繼電保護(hù)、控制裝置傳遞信息，使測(cè)量、保護(hù)和控制裝置與高電壓相隔離，其中保護(hù)用電流互感器對(duì)繼電保護(hù)的準(zhǔn)確快速動(dòng)作最為重要。保護(hù)級(jí)的計(jì)算要精確，否則可能會(huì)造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)或者拒動(dòng)，都會(huì)影響設(shè)備安全運(yùn)行。所以將保護(hù)級(jí)單獨(dú)設(shè)立為二次繞組，并對(duì)它的原理、特性和功能進(jìn)行了解，我們就可以很好地進(jìn)行選擇和應(yīng)用，進(jìn)而更有效的保護(hù)電力系統(tǒng)及設(shè)備。電流互感器在繼電保護(hù)中最常用的有微機(jī)保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)，首先根據(jù)設(shè)備的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)來(lái)設(shè)定要計(jì)算的繼電保護(hù)器的整定電流、最大短路電流飽和倍數(shù)，及二次所承載的負(fù)荷和線路損耗來(lái)確定電流互感器的保護(hù)級(jí)的精度和負(fù)荷。通過(guò)保護(hù)級(jí)的精度來(lái)確定電流互感器的鐵芯和誤差，通過(guò)拐點(diǎn)電壓和伏安特性曲線來(lái)分析保護(hù)級(jí)的保護(hù)性能。

1 保護(hù)級(jí)的選擇

對(duì)于保護(hù)用電流互感器準(zhǔn)確級(jí)是以該準(zhǔn)確級(jí)在額定準(zhǔn)確限值一次電流下的最大允許復(fù)合誤差的百分?jǐn)?shù)來(lái)標(biāo)稱，以“P”或“PR”表示保護(hù)級(jí).一般保護(hù)級(jí)復(fù)合誤差有5P或10P。它是由一次電流為穩(wěn)態(tài)對(duì)稱電流時(shí)的復(fù)合誤差或勵(lì)磁特性拐點(diǎn)來(lái)確定的[1]。在這里5P和10P一般情況下可以通用，但是發(fā)電機(jī)和變壓器主回路及220kV以上電壓線路應(yīng)用復(fù)合誤差較小的5P。 準(zhǔn)確限值系數(shù)度有10、15、20、25、30等，額定輸出標(biāo)準(zhǔn)值為2.5VA，5VA，10VA，15VA，20VA，25VA，30VA，40VA，50VA等。例準(zhǔn)確級(jí)5P15指互感器復(fù)合誤差為5%，準(zhǔn)確限值系數(shù)為15。

2 保護(hù)級(jí)的誤差

保護(hù)用電流互感器的誤差只需測(cè)量額定電流下的電流誤差和相位差滿足GB20840.2-2013，保護(hù)用的誤差可按100%點(diǎn)的伏安特性來(lái)確定，詳見(jiàn)表1。

對(duì)互感器生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，保護(hù)用誤差測(cè)試都是按額定一次電流這一點(diǎn)來(lái)測(cè)量的，只需要通過(guò)調(diào)試好的試驗(yàn)設(shè)備來(lái)完成，無(wú)需重復(fù)計(jì)算。

3 準(zhǔn)確限值系數(shù)計(jì)算及伏安特性曲線特性

額定準(zhǔn)確限值一次電流是指電流互感器出廠時(shí)所標(biāo)明的能保證復(fù)合誤差不超過(guò)該準(zhǔn)確級(jí)允許的最大電流，也就是二次繞組的勵(lì)磁安匝與一次安匝的百分?jǐn)?shù)不超過(guò)限值。保護(hù)用電流互感器的額定準(zhǔn)確限值一次電流下的磁通密度，通常是電流誤差和相位差的相量和。計(jì)算出電流誤差εin（%）=sin（α+θ）×100;相位差δi（`）=cos（α+θ） ×3440。

在額定準(zhǔn)確限值一次電流下復(fù)合誤差應(yīng)小于10%。準(zhǔn)確限值系數(shù)=。

下圖1為伏安特性的曲線圖，從圖中可以分析出電流互感器保護(hù)級(jí)的飽和程度，間接看出保護(hù)級(jí)的復(fù)合誤差。

如下圖1可見(jiàn)保護(hù)級(jí)選擇0.01，0.02，0.03，0.04，0.05五個(gè)點(diǎn)來(lái)電流所測(cè)得的電壓值畫(huà)出的曲線來(lái)分析飽和點(diǎn)的情況，此圖中拐點(diǎn)在0.036左右，未達(dá)到飽和，所以選用的5P20能達(dá)到20VA時(shí)可以長(zhǎng)期運(yùn)行。

4 電流互感器二次負(fù)載的計(jì)算

電流互感器的保護(hù)級(jí)用性能的基本要求，就是在規(guī)定使用條件下的誤差應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。由于電力系統(tǒng)中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)短路故障，這樣會(huì)使電流互感器勵(lì)磁增加鐵心飽和，保護(hù)用互感器在過(guò)飽和狀態(tài)下，保證電流保護(hù)繼電器可正常工作，還要防止互感器二次電流不會(huì)引起誤動(dòng)作，還要保證在特定故障點(diǎn)進(jìn)電流互感器通過(guò)故障電流時(shí)，誤差不超過(guò)規(guī)定值[2]。初選鐵心截面積可以根據(jù)準(zhǔn)確級(jí)和準(zhǔn)確限值系數(shù)，保護(hù)級(jí)鐵心只能選擇飽和磁密較高的冷軋硅鋼板材料。為保證在額定準(zhǔn)確限值一次電流下的復(fù)合誤差不超出規(guī)定的限值，忽略其它影響保護(hù)鐵心的磁密可按在額定準(zhǔn)確限值一次電流下不高于1.6T。初步計(jì)算額定電流和額定二次負(fù)荷時(shí)的磁密的公式為：Bn=1.6/KALF，T，KALF-----額定準(zhǔn)確限值系數(shù)。

計(jì)算誤差先計(jì)算二次繞組r2和二次繞組漏電抗X2，然后得出額定二次負(fù)荷Z2n。

額定二次負(fù)荷的有功分量和無(wú)功分量分別為：R2n= 0.8Z2n;X2n=0.6Z2n。

二次回路總阻抗：Z2ε=。

計(jì)算與二次電流相對(duì)應(yīng)的二次繞組感應(yīng)電勢(shì)E2=I2Z2，由此可得出鐵心磁通額度B，B=，T;

N2n----二次繞組額定匝數(shù);

AC-------鐵心有效截面積，cm2;

再根據(jù)鐵心材料磁化曲線查出鐵心損耗角。

1.電流互感器的負(fù)荷通常由兩部分組成：一部分是所連接的測(cè)量?jī)x表或保護(hù)裝置;另一部分是連接導(dǎo)線的接觸電阻。計(jì)算電流互感器負(fù)荷時(shí)應(yīng)注意在不同接線方式和故障形態(tài)下的阻抗換算系數(shù)。

保護(hù)用電流互感器二次輸出負(fù)載為：Zb=ΣKrcZr+KlcR1+Rc。

Zr------繼電器電流線圈電阻，Ω對(duì)于數(shù)字保護(hù)可忽略電抗，僅計(jì)及電阻Rr。

R1-----連接導(dǎo)線電阻Ω。

Rc-------接觸電阻，Ω一般為0.05～0.1Ω。

Krc-------繼電器阻抗換算系數(shù)。

Klc-------連接導(dǎo)線阻抗換算系數(shù)。

電流互感器的二次負(fù)荷定值（Sbn）可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需要選用2.5、5、7.5、10、15、20、30VA。在某些特殊情況，也可選用更大的額定值。

2.保證在穩(wěn)態(tài)對(duì)稱短路電流下的誤差。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf，暫態(tài)系數(shù)度KS=Kalf/K。穩(wěn)態(tài)性能計(jì)算二次負(fù)荷一般應(yīng)大于實(shí)際二次負(fù)荷，二次負(fù)荷包括二次連接導(dǎo)線、接地電阻和保護(hù)裝置，但是經(jīng)常有Kalf不夠但二次輸出容量有裕度的情況。計(jì)算要精確，可以按二次極限電動(dòng)勢(shì)或?qū)嶋H準(zhǔn)確限值系數(shù)曲線來(lái)驗(yàn)證：Esl=KalfIsn（Rct+Rbn）：

Kalf-----準(zhǔn)確限限值系數(shù);

Isn--------額定二次電流;

Rct--------電流互感器二次繞組電阻;

Rbn----------電流互感器額定負(fù)荷。

一般在互感器制作時(shí)要按低漏磁特性，二次繞組的電阻值選取時(shí)大500mΩ，計(jì)算連接導(dǎo)線的負(fù)荷時(shí)，一般情況下可忽略導(dǎo)線電感，而僅計(jì)及其電阻R2。

R2=ρ，Ω

L—電纜長(zhǎng)度，m;

S—導(dǎo)線截面，mm2。電流回路采用2.5mm2及以上截面積的銅導(dǎo)線;

ρ—銅導(dǎo)線電阻系數(shù)，如變壓器套管型電流互感器，取75℃時(shí)的值，ρ=0.02135（Ω.mm2）/m。

3.二次輸出有功功率以阻抗值表示Z2

Z2=R2XI2n2

R2----二次電阻;

I2n----額定二次電流，A;

Z2----二次輸出，VA。

以上電流互感器應(yīng)用在各電廠和變電所運(yùn)行保護(hù)當(dāng)中，為了避免互感器飽和，在選擇容量時(shí)要盡量降低保護(hù)用電流互感器所接的二次負(fù)荷，來(lái)減小二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。例如某變電站開(kāi)關(guān)柜繼電保護(hù)為遠(yuǎn)程集中控制，電流互感器初步選擇10P20，電纜長(zhǎng)100m，導(dǎo)電為4mm2，需要二次負(fù)荷約12VA左右，初步選擇15VA。保護(hù)和自動(dòng)裝置電流回路功耗應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況確定，其功耗與裝置實(shí)現(xiàn)原理和構(gòu)成元件有關(guān)，且差別很大，選擇最終負(fù)荷應(yīng)考慮以上損耗[3]。

5 保護(hù)用電流互感器應(yīng)用

變壓器差動(dòng)保護(hù)對(duì)變壓器主保護(hù)起著重要作用，在選擇電流互感器時(shí)應(yīng)注意其參數(shù)及性能，保護(hù)級(jí)一般用10P10或10P15，二次負(fù)荷選用10VA或15VA即可，也會(huì)保證繼電器的速斷性。如有特殊情況，一般為遠(yuǎn)程保護(hù)或是后備保護(hù)，它的線路較長(zhǎng)，所接負(fù)荷和損耗也較大，要根據(jù)際情況選擇。

差動(dòng)保護(hù)的要求，在參數(shù)選擇上保護(hù)級(jí)應(yīng)該在10P15，二次負(fù)荷應(yīng)在15VA以上保證差動(dòng)足夠負(fù)載，減少鐵芯飽和程度。更重要的是進(jìn)出線電流互感器伏安特性一致，負(fù)荷阻抗相同，剩磁相同，減少繼電器誤動(dòng)或者拒動(dòng)。

對(duì)于近程，遠(yuǎn)程，后備保護(hù)分別給不同繼電器裝置提供信號(hào)，近程有速斷保護(hù)和II段保護(hù)，一般用保護(hù)用負(fù)荷來(lái)決定。因?yàn)榻瘫Ｗo(hù)距離較近，一般在本柜或上屋等安裝，這樣保護(hù)的倍數(shù)無(wú)需太高，二次輸出的負(fù)荷無(wú)需太大。所以在電流互感器參數(shù)也不需太大，這樣既降低了成本，也縮小了占用的空間。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述對(duì)保護(hù)用電流互感器的特性分析可以看出在電力系統(tǒng)中如何正確的選擇保護(hù)電流互感器，要保證在其準(zhǔn)確度滿足國(guó)標(biāo)的技術(shù)參數(shù)下，互感器二次負(fù)荷標(biāo)稱值選擇要造當(dāng)，負(fù)荷偏大只會(huì)造成設(shè)備體積和增加，導(dǎo)致材料浪費(fèi)、造價(jià)高;負(fù)荷偏低會(huì)導(dǎo)致互感器鐵芯飽和，會(huì)影響設(shè)備正常運(yùn)行，甚至損壞。所以選擇保護(hù)電流互感器要從各個(gè)角度分析才能滿足它的電氣性能和機(jī)械性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖耀榮，高祖綿，朱英浩.互感器原理與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[2] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).互感器（GB20840-2014）[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[3] 袁季修，盛和樂(lè)，吳聚業(yè).保護(hù)用電電流互感器應(yīng)用指南[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.