继电保护用电流互感器伏安特性和10%误差曲线的分析及应用

徐海峰

(徐州大屯工贸实业公司,江苏徐州 221000)

继电保护用电流互感器伏安特性和10%误差曲线的分析及应用

徐海峰

(徐州大屯工贸实业公司,江苏徐州 221000)

电流互感器是电力系统中的重要设备,对于继电保护人员来说,掌握其误差特性、伏安特性的原理和意义、10%误差曲线,是十分必要的。作为电气二次维护人员,合理的运用以上知识,可以避免继电保护装置在被保护设备发生故障时拒动,保证电力系统稳定安全的运行,提交继电保护装置动作的正确率具有重要意义。本文着重介绍互感器误差产生的原因、伏安特性的原理意义以及做法、10%误差曲线的作用及绘制。

电流互感器 饱和 伏安特性 10%误差曲线

1 电流互感器的工作原理

电力系统中广泛采用的是电磁式电流互感器(以下简称电流互感器),它的工作原理和变压器相似。其原理接线,如图1所示。

1.1 电流互感器的特点

(1)一次线圈串联在电路中,并且匝数很少,因此,一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流．而与二次电流无关。(2)电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小,所以正常情况下,电流互感器在近于短路状态下运行。

1.2 电流互感器

电流互感器一、二次额定电流之比,称为电流互感器的额定互感比

CT的额定变比K=I1/I2=N2/N1,为一次绕组与二次绕组的匝数比。对于理想CT： I1*N1=I2*N2,即：I1/I2=N2/N1

当一次侧电流为I1时,二次侧感生出电流值为：I2=(I1*N1)/N2,但在理论计算中常将二次侧电流I2进行折算,将I2折算到一次侧为I2’即：I2’=I2*K=(I2*N2)/N1=I1,这样当一次侧电流I1为1时,二次侧电流I2’也是1,这样就可以将CT的等值电路简化为图2所示的T型网络等效电路用于计算。下面为了描述方便折算电流I2’用符号I2来表示。由等值电路可知,其负载包括三个部分：

(1)Z1为一次绕组的阻抗。(2)Zj为建立铁芯磁通的激磁阻抗。

(3)二次绕组的阻抗以及所带负载的阻抗。

同时,从图2中我们可以直观的看到一次回路所流过的电流I1在电流互感器中被分解为两部分,其中一部分用来建立铁芯中的磁通,即激磁电流Ij,另外一部分便是在电流互感器二次侧感生出的二次电流I2,据此,我们看下一步要分析一下电流互感器的磁饱和特性。

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

2 电流互感器的磁饱和特性

带铁芯的电流互感器的结构形式如图1所示,是一次侧绕组与二次侧绕组通过一个共同的铁芯进行互感耦合。正常工作时铁芯的磁通密度B很低,激磁电流Ij很小,故I2=I1-Ij≈I1,I2与I1的误差极小。

当发生短路时一次侧短路电流将变得很大,使磁通密度B大大增加,Ij也相应增加。在磁通密度B不是很大时,Ij基本与B成线性关系,但是铁芯中的B增加到一定程度后将出现铁芯磁通饱和现象。这时增加Ij并不能使磁通密度B成线性增加,而是增加Ij时B增加的越来越少。磁通密度B与电流Ij的关系曲线如图3所示,当B增加到一定程度后将出现饱和,这时Ij急剧增加,于是I2=I1-Ij和I1就会出现较大和误差。这就是铁芯饱和导致互感器出现较大的传导误差的原因。

较大的激磁电流Ij还会产生很大的激磁功率Ij*U1,这个功率不仅不能传输到二次侧,而且会使CT产生很高的热量,甚至还可以烧毁电流互感器。

3 CT伏安特性曲线

CT伏安特性曲线其实质描述的就是图3所示的B-Ij的关系曲线。在进行CT伏安特性曲线测试时,应特别注意电压应由零逐渐上升,不可中途降低电压再升高,以免因磁滞回线关系使伏安特性曲线不平滑。试验接线如图4所示.将CT的一次侧开路,对于二次侧是多绕组的CT,在做伏安特性试验时也应将其它二次绕组开路。从二次绕组加入交流电压U2,测量电流I2,U2与I2的关系曲线即为伏安特性曲线,如图5所示。

由于已经将一次侧开路,所以图2中的I1、Z1、ZL不再存在,此时的等值电路如图6所示,所加电压U2产生的电流I2就等于激磁电流Ij,即：I2=Ij

进而：U2=I2(Zj+Z2)=Ij(Zj+Z2)由于Z2是线圈内阻抗,其数值远小于激磁阻抗Zj,故：

U2=I2(Zj+Z2)=Ij(Zj+Z2)≈Ij*Zj=Uj

由此可见,此时U2与I2的关系曲线就是Uj与Ij的关系曲线。根据电磁感应定律,线圈的感应电压Uj与磁通的变化率成正比,在固定频率的交流磁场中,Uj与B成正比,故Uj与Ij的关系曲线即描述的是B与Ij的关系曲线,也就是说根据此测试方法测得的伏安特性曲线描述的就是B和Ij的关系曲线。

从实试验测出的伏安特性曲线如图5所示,它和图2形状相同,数值成正比例。这就是虽然我们做伏安特性的目的是要检验B和Ij的关系,却要在试验时采用用从电流互感器二次绕组加电压并测得对应电流的原因所在。

4 CT的传导误差

理想状态下的CT就是内阻无穷大的电流源,不因为外界负荷大小而改变电流大小,而实际中的CT只能在一定的负载范围内保持传变电流的准确性,这是为什么呢？由图2可知：

公式右边一项E=Ij=I2(Z2+ZL)/Zj,为CT产生的传导误差,即一次侧I1传导到二次侧的电流I2≠I1,其误差为Ij.在理想CT中,Zj=∞,Ij=0,故I1=I2,无传导误差。在实际CT中,I1不大时,CT未饱和,Zj很大,误差也很小。但当I1变大时磁通密度B趋于饱和,这时Zj急剧减小,对应的Ij急剧增大,即误差E急剧增大。这就是I1越大,传导误差越大的原因。在CT所带的实际电路中,回路负载ZL≠0,若ZL越大时,E=I2(Z2+ZL)/Zj也越大。即CT所带回路越多,误差也会越大。

综上所述,当一次电流I1增大时,误差会变大,同样回路负载ZL越大时,误差也会越大。

同时我们可以想到,若I1增大时,可以通过减小ZL,或者,若ZL增大时,可以通过减小I1,都可以适当减小一些误差。所以,要将误差控制在一定的范围内,当I1增大时可以通过减小ZL来实现,反之当ZL增大时可以通过减小I1来实现。上述规律在实际工作中加以应用便引入了电流互感器10%和5%误差曲线这一概念。

5 CT的10%误差曲线

10%误差曲线,是当传导误差E=10%时,CT一次电流倍数m10与CT二次侧所带负载ZL的关系曲线,如图7所示,即CT一次电流倍数为m10、二次负载为ZL时,误差E=10%。

曲线纵坐标为m10,m10=I1/I1e,即一次侧额定电流倍数。曲线横坐标为ZL,为二次侧所带负载。曲线上某点A(Ax,Ay)的意义是,当阻抗ZL=Ax时,最大允许一次电流I1=Ay*I1e,此时误差E≤10%。如果,I1大于此值,或ZL大于Ax,误差均大于10%。5%误差曲线的意义与10%误差曲线类似,只是允许误差为5%。

通常电流互感器的10%误差曲线是由制造厂实验作出,并且在产品说明书中给出。若在产品说明书中未提供,或经多年运行,需重新核对电流互感器的特性时,就要通过试验的方法绘制电流互感器的10%误差曲线。

6 10%误差曲线的绘制方法

测定电流互感器10%误差曲线最直接方法是一次测定电流法,此项方法由于所需电源及设备容量较大,很难用于现场测验。另一种方法是二次侧通电流法,此项方法由电流互感器二次侧通入电流,所需电源及设备容量较小,其结果与一次电流法所得相同,现场测量很易实现。下面就介绍用二次侧通电流法,绘制电流互感器10%误差曲线的方法。以变比为100/5,准确等级为10P的电流互感器为例。首先将将电流互感器一次侧开路,在二次侧采用电流电压法做伏安特性。如图8所示。

6.1 制作电流互感器的电势E和励磁电流Ie的关系曲线

由图8等值电路可知：

E=U2-Ie(Z2)=U2-Ie(R2+jX2),R2的直流电阻,可以用电桥测得,Z2可根据经验公式求取,用经验公式计算：对于油浸式LCCWD型,一般取Z2=(1.3～1.4)R2;对于套管式LRD型电流互感器,一般取Z2=2R2。

根据U2=f(Ie),可逐点计算,利用E=U2-Ie(Z2)得出E=f(Ie)曲线。

6.2 计算励磁阻抗Ze

由于Ze=E/f(Ie),可得Ze=f(Ie)曲线。

6.3 计算一次电流倍数m10=I1/I

当电流的比误差为10%时,励磁电流Ie应为一次电流I1的10%,则二次电流I2为一次电流I1的90%。

所以,m10=I1/I=10Ie/I=10Ie/5=2Ie根据Ze=f(Ie),可得Ze=f(m10)曲线。

6.4 计算允许的二次负荷阻抗Zen

由于Ze与Z2+Zen并联,故Ze/(Z2+Zen)=I2/Ie=9Ie/Ie=9

即Ze=9(Z2+Zen),其中Z2已知,由Ze=f(m10)曲线,可得m10=f(Zen)曲线,即10%误差曲线。

7 误差曲线的作用

得到10%误差曲线后,可以求出在m10最大时(最大短路电流时)允许的二次负荷阻抗Zen,从而确定现有的二次负荷阻抗是否满足10%误差曲线的要求。将实测阻抗值按最严重的短路类型换算成Z;然后根据计算出的电流倍数m10,找出与m10倍数相对应的允许阻抗值Zfh,如果Z≤Zfh时为合格。

上述分析方法由于太过复杂,而且受各种实际条件制约,往往能成功进行分析的不多,而通常的做法是采用对比法,对比法有多种：

(1)对比多条相似回线的CT的伏安特性曲线是否基本相同,可以判断是否某些CT特性能不能满足要求。(2)对比一条线路的三相CT的曲线是否基本相同,或变压器高低压侧CT曲线是否基本相似,可以判断是否某些CT不能满足要求。(3)保护CT一般伏安特性曲线的电压比较高,测量CT一般不做伏安特性曲线,要做的话其曲线电压很低就饱和。检查CT的伏安特性曲线电压值一般可以判断是否把保护CT与测量CT弄混,或是否把CT的保护绕组和测量绕组弄混。

8 电流互感器不满足10%误差要求时的处理方法

当电流互感器不满足10%误差要求时,可以采取：

(1)改用伏安特性较高的电流互感器二次绕阻,提高代负荷的能力;(2)提高电流互感器的变比,或采用二次额定电流小的电流互感器;以减小电流倍数m10;(3)串联备用相同级别电流互感器二次绕组,使其带负荷的能力增大一倍;(4)增大二次电缆截面,或采用消耗功率小的继电器;以减小二次侧负荷;(5)改变二次负荷元件的接线方式,将部分负荷移至互感器备用绕组,以减小计算负荷。

[1]国家电力调度通信中心《电气系统继电保护实用技术问答》.中国电力出版社,2000年2月第二版.

[2]贺家李.《电力系统继电保护原理》.中国电力出版社,2010-8-1.

徐海峰(1979.12.25-),男,2003年7月1日毕业于华北水利水电学院,电力系统及其自动化专业,2003年7月-2012年4月供职于江苏沛县大屯发电厂,继电保护班技术员一职,2009年9月具备工程师任职资格,2012年4月至今供职于徐州大屯工贸实业公司,研发中心,研发专员一职。