电流互感器的调试及技术原理

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 电压互感器与电流互感器的原理、电压、电流互感器的接线方式、电压、电流稳态饱和及过渡过 程、还对电压、电流互感器在现场调试的项目及调试过程中遇到的一些问题及其解决方法进行了一些阐述。 互感器在电力系统中的作用是将电气一次量按比例地转换成二次量，提供给二次设备使用；使高压 一次系统与低压二次系统分开，以保证二次设备和工作人员的安全。互感器分电压互感器和电流互感器， 电压互感器是将系统的一次电压按比例地变换为数值较小的二次电压，供给保护装置、测量装置使用；电 流互感器是将系统的一次电流按比例通过磁场转换为二次电流，提供给保护装置、测量装置使用。 一、互感器原理 在互感器初级侧加一个交流电势，根据电磁感应定律：交变的电势在磁路中产生变化的磁通,既 Φ1=U1/4.44fN1 N1 是已知常数 是已知常数。 1、电压互感器： 电压互感器是一次内阻很小，二次负载相当于∞的开路变压器运行状态。工作时磁通密度接近于 饱和值，故障时磁通密度会下降。 电压互感器工作特点：不能短路运行。原因是，电压互感器短路运行时，二次负载阻抗为零，将在 二次绕组中产生很大的短路电流，而烧坏电压互感器。在工作中，电压互感器的磁通密度不宜太高，以保 证有较大的励磁阻抗，并避免铁芯损耗太大而引起发热。 2、电流互感器： 电流互感器是变压器的一种特殊形式，相当于二次短路运行的变压器；电流互感器一次绕组中的 磁化安匝数大部分被处于短路工作状态的二次绕组所建立的去磁安匝抵消，只剩下很小一部分的励磁磁化 安匝，以建立铁芯中的磁通。 电流互感器工作特点：励磁电流小，励磁阻抗很大，二次负载阻抗很小，二次电压值小；工作在 磁化曲线的较低部分，从而保证测量精度。电流互感器二次侧不能开路运行。原因是：电流互感器二次侧 开路后，二次电流为零，二次绕组去磁安匝消失，而一次绕组中的电流不变，既一次磁化安匝数 I1W1 不 变，其全部用来建立铁芯中的磁通；使电流互感器铁芯严重饱和，从而使励磁阻抗剧降，造成励磁电流猛 增，使一次电流全部转为励磁电流，使电流互感器： 1）、铁芯损耗增加，造成电流互感器严重过热而烧坏电流互感器的绕组绝缘。 2）、矫顽励磁力存在磁通猛增，使铁芯严重饱和，而在铁芯中存在很大剩磁，在剩磁未被工作 电流去磁前，将使其误差增大，二次绕组两端出现高电压。 f 电源频率也是已知常数；在理想的无漏磁的情况下，将在次级侧产生 N2 一个磁通 Φ2，既 Φ2=Φ1；在磁路中，交变的磁通，产生交变的电势：U2=4.44Φ2f N2 f 是已知常数 二、在电力系统中，互感器的接线方式及饱和过渡过程问题 1、电压互感器： 1）、接线方式： （1）、Y0/Y0 接线： 一次绕组的三个终端接地，可使电压互感器正确地反映出相对地的电压。二次绕组的三个终 端接地，接地方式有中性点接地和 b 相接地；电压互感器二次侧接地其有两个作用： a、使接入的二次负载能取得相对地的电压。 b、当电压互感器的绝缘损坏后，防止高压窜入低压（二次）侧时，保证二次设备和人身安全的 保安接地。 （2）、不完全△接线： 这种接线方式一次绕组不能接地，二次绕组 b 相接地；只能取得相对系统中性点电压和线电 压，不能取得相对地电压，优点是可以节省投资 （3）、三相五柱式接线： 一次绕组接成 Y0 及一组辅助剩余绕组。二次绕组为 a、b、c、d、n 五个二次接线柱。可取 得线电压、相电压及对系统中性点电压，辅助剩余绕组可取得 3U0。 2）、电压互感器过渡过程： 电压互感器分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器，而 110kV 及以上电压等级电网系统 中，基本上都用电容式电压互感器；而电容式电压互感器的过渡振荡过程远比电磁式电压互感器振荡过程 长，电压互感器的振荡过程将会影响到继电保护的正确动作。 电容式电压互感器的过渡过程：当系统一次电压突然变化时，二次侧电压不能随之变化，而需 要经过一个振荡过渡过程才能达到稳定状态。这一振荡过渡过程的情况决定于分压电容与整个回路中各种 电感与电阻等参数的组合。且振荡过渡过程的频率远低于系统频率，同时衰减过程也比较长。 电容式电压互感器二次回路中的附加振荡分量，可能会影响距离继电保护的动作时间和引起误差越 限，特别是在保护末端附近故障而母线残压较低的情况更是如此；此外，还可能在母线故障时失去方向性。 在保护范围末端发生故障，输入到距离保护的距离测量电压 U—IZ 中的工频强制分量为零，这残存了电容 式电压互感器二次的自由振荡分量，这是引起暂态超越误差的来源。为了分析电容式电压互感器二次暂态 电压对理想的距离继电器测量精度的影响，现列一简单公式予以说明。设电源阻抗为 Zm，距离保护继电 器整定阻抗为 Zj，因二次暂态电压产生的暂态超越误差为⊿Zj，则当距离保护继电器动作时，母线的残压 等于 Ue（Zj+⊿Zj）/（Zm+Zj+⊿Zj），Ue 是故障前通入距离保护继电器的额定电压。在理想电压互感器 的情况下，距离继电器动作时的母线残压等于(Ue×Zj）/（Zm+Zj）。两者的差值⊿Ut 来源于电容式电压互 感器的二次暂态电压，⊿Ut={[（Zj+⊿Zj）/（Zm+Zj+⊿Zj）]-[Zj/（Zm+Zj）]}×Ue={（Zm×⊿Zj）/[（Zm+Zj+ ⊿Zj）×（Zm+Zj）]} ×Ue。假定电压互感器在出口处发生金属性短路的情况下，当时间为 t 时的二次暂态 误差电压⊿Ut（0），则当一次母线残压为 Ue（Zj+⊿Zj）/（Zm+Zj+⊿Zj）时，同一时间 t 时的二次误差 电压 ⊿Ut={1-[（Zj+⊿Zj）/（Zm+Zj+⊿Zj）]} ⊿Ut（0）= [Zm/（Zm+Zj+⊿Zj）] ×⊿Ut（0），⊿Ut（0） 的值可由制造厂提供的技术资料中查到。 2、电流互感器： 1）、接线方式： （1）、完全星形接线： 完全星形接线不适用于小接地电流电网。 （2）、不完全星形接线： 采用不完全星形接线时，所有电流互感器都装在同名的两相上，可保证有 2/3 的机会切除故 障点，有 1/3 的机会全切除；但无选择性，为克服两相式不完全星形接线的缺点，采用两相三继电器方式， 既第三只继电器装在公共线上。 （3）、两相电流差接线： 两相电流差接方式的保护不能用在接有 Y/⊿-11 变压器的线路上。 *：不同的接线方式通过继电器的电流与电流互感器的二次电流的比值是不同的。 2）稳态饱和与过渡过程： （1）、稳态饱和： 电流互感器的饱和，对不同情况的保护装置有不同的影响。在实际的电网运行中，不止一次 由于使用的电流互感器的饱和电压，低于在所接实际二次负载下起动过流继电器（起动电流比较大）所需 的最低电压，导致本线路发生短路时保护拒动。也有在外部短路时，因电流互感器饱和电压过低，引起母 线差动保护装置误动作。而对某些动作较慢的保护装置来说，电流互感器一定程度的饱和，对其保护性能 也可能无关紧要。 国产的电流互感器，都在技术条件中规定了 10%误差时的电流倍数，在规定的额定倍数下，电流互 感器的稳态比值误差不超过-10%。 电流互感器的带负载能力都有一定的要求，若超过电流互感器的带载能力，将会对电流互感器的精 度产生严重的影响；电流互感器在开关场远离保护室的电网中使用，为了保证电流互感器的带载能力，只 有大幅度降低电缆电阻和回路接触电阻，为了保证电流互感器的精度，从以下几个方面来降低电流回路的 电阻： a、尽可能减小电流回路的接触电阻。例如，减少使用压接端子的数目，改善连接端子的接触电 阻，拧紧电流回路端子。 b、提高继电保护回路的效率，选用合理的回路和注意必要的电阻匹配。 c、注意恰当选用继电保护规范；选择合适的电流互感器。注意的是电流互感器的额定功率是指 在二次电流为额定值时的数值。 d、对起动值较低的电流继电器，采取措施（采用非线性回路、稳压等）以降低它在较大电流下 的阻抗。 （2）、电流互感器饱和的过渡过程： 一般地说，只要有所注意，满足保护装置对电流互感器稳态饱和时的要求比较简单。但在更 高一级电压的电网中，要满足快速保护对电流互感器过渡过程饱和时的要求就更复杂得多，原因是故障电 流初始值中含有直流分量。尽管如此，实际上由故障开始到电流互感器开始饱和总有一个过程，电流互感 器的饱和不是从故障开始就立即出现，而是在一定时间之后才出现。 为了研究电流互感器饱和的过渡过程，我们用电流互感器的铁芯磁滞回线来描述：在磁通密度还没 有达到最大磁通密度 Bmax 前，所需要的磁场强度为零，对应于电流互感器的阻抗等价回路，相当于励磁 阻抗为无穷大。而一当磁通密度到达 Bmax 后，不管磁场强度 H 如何增加，磁通密度保持不变，这对应于 电流互感器阻抗等价回路中的励磁阻抗为零。现用电流互感器的铁芯磁滞回线来描述电流互感器二次回路 输出电流的情况： a、在磁通密度末达到 Bmax 前，一次电流（经变比折算后）将全部忠实地传变到二次回路中。 b、在磁通密度一经达到 Bmax 后，当一次电流继续保持原方向（与饱和达到时同一半波方向）的整 个期间，一次电流完全不传变到二次回路中，或者说，此时的一次电流全部转化为误差电流（励磁电流）。 c、当一次电流由使电流互感器饱和的方向降为零并开始反相时，电流互感器铁芯中的磁通密度由饱 和值下降，又重新转变为理想的互感器，将全部一次电流（经变比折算后）传变到二次回路中，直到再一 次饱和为止。 但由于残磁的存在，即使一次电流值小于正常饱和水平，也可能使电流互感器饱和。在近区发生故 障后所留下的剩磁往往容易使下一次故障时出现饱和，而在重合于故障时，这个问题可能最为严重。由于 开关在一次电流过零时断开电流，因而铁芯剩磁大小和二次回路负载的阻抗角有关，如果二次回路负载为 纯电感性，当一次电流为零时，二次感应电压为最大值，电流互感器铁芯中的磁通为零，因而无剩磁；而 当二次回路负载为纯电阻，在断开一次电流时，电流互感器铁芯中磁通为最大，故可能的剩磁最大。 （3）、电流互感器饱和的过渡过程对保护的影响： a、在线路重合闸，开关出现重合不同期时，当一次电流断开后，二次回路可能出现衰减的 直流分量；这个直流分量是直接由一次侧传变而来，它的衰减时间常数是一次回路单相重合闸时的零序网 络时间常数，这个时间常数随着线路电压的增高而增大。对于利用有无零序电流来判别两侧是否已全相合 闸的方式时，要注意其影响。 b、在超高压电网中，由于故障快速切除和一次回路的时间常数很大，当一次电流过零断开 时，电流中的直流分量可能尚末全部衰减。如果断开时电流波形中的直流与交流分量在同侧，在切故障当 时，铁芯尚处于高度饱和状态。一次电流断开后，铁芯中的磁通将迅速衰减到某一个相对应的剩磁值，从 而在二次回路中感应出直流衰减电流。饱和程度越高，饱和磁通与相应的剩磁值的差也越大，感应的二次 电流也越大，因而就可能使接到电流互感器二次回路中的检查电流有无的继电器延时复归。 三、互感器在现场的调试及调试过程中遇到的一些问题： 1、现场调试： 1）、电压互感器： （1）、检查电压互感器的名牌参数及出厂合格证。 （2）、检查所有绕组的极性。 （3）、检查所有绕组及其抽头的变比。 （4）、检查电压互感器在各使用容量下的准确度。 （5）、检查电压二次回路接地点与接地状况。对中性点直接接地电力网的电压互感器，如装置中的 方向性元件是用相电压或零序电压，而且可由两组电压互感器供给时（经切换设备），则这两组电压互感 器的二次及三次绕组只允许在一个公共地点直接接地，而每一组电压互感器二次绕组的中性点处经放电器 接地；对于其他使用条件的电压互感器则在每组电压互感器二次绕组的中性点各自直接接地。 （6）、检查电压互感器二次、三次绕组在接线端子箱及各自接线端子排处引线螺钉压接的可 靠性。 （7）、经放电器接地的电压互感器，检查放电器的安装是否符合规定及放电器的工频放电电 压。 （8）、检查电压互感器二次回路中所有熔断器（自动开关）的装设地点、熔断（脱扣）电流 是否合适（自动开关的脱扣电流需通过试验确定），质量是否良好，能否保证选择性，自动开关线圈阻抗 值是否合适。 （10）、检查串联在电压回路中的开关、刀闸及切换设备接点接触可靠性。 （11）、测量电压回路自互感器引出端子到配电屏电压母线的每相直流电阻，并计算电压互 感器在额定容量下的压降，其值不超过额定电压的 3%。 （12） 、用 1000V 摇表检查电压互感器绝缘电阻。包括电压互感器二次绕组对外壳及绕组间、 全部二次回路对地及同一电缆内各芯间。 电压互感器在接入系统电压以后： 1、测量每一个二次绕组的电压。 2、测量相间电压。 3、测量零序电压。对小电流接地系统的电压互感器，在带测量前，应于零序电压回路接入一合 适的电阻负载，避免出现铁磁谐振现象。 4、检验相序。 5、定相。 2）、电流互感器： （1）、检查电流互感器的名牌参数及出厂合格证。 （2）、检查所有绕组的极性。 （3）、检查所有绕组及其抽头的变比。 （4）、检查电流互感器各绕组的准确度（级别）及内部安装位置。 （5）、检查电流互感器二次绕组的直流电阻（各抽头）。 （6）、测试电流互感器各绕组间的极性关系，核对名牌上的极性标示是否正确；检查电流互感器 各次级的连接方式及其极性关系是否与设计符合、相别标示是否正确。 （7）、自电流互感器的一次通入大电流，检查工作抽头的变比是否正确（变压器套管互感器的极 性与变比检验在变压器作短路电压试验时进行）。 （8）、测绘电流互感器二次绕组工作抽头 U2=f（I2）的励磁特性曲线，一般应测录到饱和部分。 对多绕组电流互感器应按所得的 U2=f（I2）曲线分析核对各绕组的级别，以检验各绕组的使用分 配是否合理。 （9）、检查电流互感器二次回路绕组在各接线端子箱及端子排处接线的正确性及螺钉压接的 可靠性。 （10） 、检查电流二次回路接地点与接地状况，在同一个电流回路中只允许存在一个接地点。 （11）、自电流互感器的二次端子箱处向整个电流回路通入交流电流，测定回路的压降，计 算电流回路每相与零相及相间的阻抗，将所测得的阻抗结合 U2=f（I2）曲线，验算 U2=f（I2）曲线是否满 足 10%误差的要求。 电流互感器在负荷后， 1、测量各相及零相的电流值。 2、测量各相电流的极性及相序是否正确。 3、定相。 备注：无论是电压互感器及其电压回路，还是电流互感器及其电流回路；当所有全部工作完成后， 应在一次上加一个 3×380V 的电源，在开路状态下检查电压互感器及其电压回路，在短路状态下检查电流 互感器及其电流回路。 2、调试过程中遇到的一些问题： 1）、电压互感器： （1）、电压互感器同极性确定： 根据电磁感应原理，在一次侧同一绕组间用甲电池串一个空开加一个直流电源，在二次绕组间串一 块数字式毫安级的电流表，合上空开，观察电流表指针偏转的方向；指针正偏，则电池正极所接的绕组端 与电流表正极所接的二次绕组端为同极性；反偏则把电流表的正、负在二次绕组端互换，重复上述试验。 （2）、电压互感器电压指向： 一次绕组中的电压的正方向是从一次绕组的极性端指向非极性端，则二次绕组输出的电压正方向也 是从二次绕组的极性端向非极性端；与电机学中的指向相反，故称为减极性。 （3）、电压互感器误差及消除方法： 引起电压互感器误差的原因是：励磁电流在一次绕组上和负载电流在一、二次绕组上所产生的压降 而引起的。误差包括变比误差和角度误差。 为减小误差： 1、应尽量减小一、二次绕组的漏抗。 2、减小电压互感器的励磁电流。 3、减小负载电流，即接入大的负载。 *备注：同一电压互感器随着二次负载的不同，其有不同的准确度等级。 （4）、不平衡电压： 不平衡电压的产生是由以下几个方面造成的： 1、电压互感器本身的误差。 2、一次系统中含有的 3 次或 3 次的倍数谐波电压。 3、一次系统每相对地的导纳不相等引起的电压。 不平衡电压一般不超过电网在发生单相金属性接地故障时滤波器端子上最大电压的百分之几。 （5）、零序电压： 随着离故障点的距离越远，则该点的零序电压就越低；故障点零序电压最高，变压器中性点零序 电压为零，零序电压随着离故障点距离变化的关系具有线性特性。 2）、电流互感器： （1）、电流互感器同极性确定： 根据电磁感应原理，在一次侧同一绕组间用甲电池串一个空开加一个直流电源，在二次绕组间串一 块数字式毫安级的电流表，合上空开，观察电流表指针偏转的方向；指针正偏，则电池正极所接的绕组端 与电流表正极所接的二次绕组端为同极性；反偏则把电流表的正、负在二次绕组端互换，重复上述试验。 （2）、电流互感器误差及其消除方法： 电流互感器误差包括变比误差和角度误差。减小误差，就必须减小励磁电流，其方法： 1、采用高导磁率的材料做铁芯，增大铁芯载面。 2、增加一次绕组的匝数。 而为了减小电流互感器在额定电流范围内的误差，应设法减小电流增量，通用方法，人为减小二次 绕组匝数。 在运行或检验保护，减小误差的方法： 1、限制电流互感器二次负载。 2、限制一次电流倍数 1）、选用一次电流倍数允许值较大的电流互感器。 2）、选用变比较大的电流互感器。 （3）、电流互感器不平衡电流： 电流互感器不平衡电流的产生是由于： 1、电流互感器的励磁特性不同。 2、电流互感器的绕组存在剩磁。 （4）、零序电流： 零序电流是由故障点的零序电压产生的，其大小与分布情况主要决定于电网中线路和中性点接地变 压器的零序阻抗以及中性点接地变压器的数目和分布情况，而与电网中电源数目及其分布没有直接关系。 变压器接地数目越多，零序阻抗越小，零序电流越大。 当运行方式变化时，若变压器接地点数目不变，则对零序电流幅值的大小影响不大。