化工企业低压电流互感器二次侧额定电流探讨

李长启, 向少锋

(湖北省化学工业研究设计院, 湖北 武汉 430073)

0 引 言

电流互感器是保证企业用电安全、经济运行的重要工具。电流互感器除应满足测量仪表对准确度的要求外,尚应满足一次侧回路额定电流、额定电压、最大负荷电流及短路时的动、热稳定要求[1]。

本文主要结合化工企业工程设计,分析低压测量用电流互感器二次侧额定电流的选择,以及在选择过程中所需注意的问题。

1 基本原理及相关规定

电流互感器是将数值较大的一次侧电流通过一定的变比转换成1 A或5 A的二次侧额定电流。正常工作时电流互感器二次侧处于近似短路状态,输出电压很低,若二次侧绕组开路,会在二次侧产生数千伏的过电压。这不仅给二次侧绝缘造成危害,还会使互感器过激而烧损,甚至危及运行人员的生命安全,故电流互感器二次侧回路不得开路。同时为防止因一次侧、二次侧线圈之间的绝缘损坏出现高压击穿时,将导致高压窜入低压,需将二次侧线圈有一点接地,使二次侧线圈保持地电位,从而确保了人身及设备的安全。

对于低压系统电流互感器额定二次侧电流的选择,虽然电力行业规程[2]第9.2.2条规定了1 kV及以下系统电流互感器额定二次侧电流宜采用1 A,但在国家规范[3]中却没有明确这点。另外规程[2]第3.3.1条规定“电流互感器额定二次侧电流宜采用1 A,如有利于互感器制作或扩建工程,以及某些情况下为降低电流互感器二次侧开路电压,额定二次侧电流也可采用5 A”。综合上述要求,电流互感器二次侧额定电流应结合项目实际统一考虑。

额定输出标准值与额定二次侧电流对应关系如表1所示。根据规程[2]第3.3.2条规定,电流互感器额定输出标准值宜采用表1中的数据,同时根据式(1)可推算出二次侧回路允许负荷Zbp。

表1 额定输出标准值与额定二次侧电流对应关系

I2sNZbp=Ss

(1)

式中:IsN——电流互感器的二次侧额定电流;

Zbp——电流互感器的二次侧回路允许负荷;

Ss——电流互感器的二次侧负荷。

2 二次侧回路计算

二次侧是采用5 A还是1 A,与电流互感器的额定输出标准值、导线截面、导线长度以及所接仪表均有关系,下面将以此展开分析。

测量用电流互感器二次侧负荷可按下式计算:

Zb=∑KmcZm+KlcZl+Rc

(2)

Zl=ρL/A

(3)

式中:Kmc——仪表接线阻抗换算系数,单相时为1;

Zm——仪表电流线圈的阻抗;

Klc——连接线阻抗换算系数,单相时为2;

Zl——连接导线单程的阻抗,可忽略电抗,仅计及电阻;

Rc——接触电阻,可取0.05～0.10 Ω;

ρ——线路导电率,铜取0.018 6 Ω·mm2/m;

L——线测量回路线路计算长度;

A——线测量回路线路截面积。

根据规范[3]第8.1.5条规定,对一般测量回路电缆芯线截面,当二次侧电流为5 A时,不宜小于4 mm2,二次侧电流为1 A时,不宜小于2.5 mm2。将不同测量线路截面、不同线路长度的功率损耗计算,额定二次侧1 A时测量线路的功耗如表2所示;额定二次侧5 A时测量线路的功耗如表3所示。

表2 额定二次侧1 A时测量线路的功耗

表3 额定二次侧5 A时测量线路的功耗

目前电力工程中已采用智能测量仪表,其二次侧负荷很小,影响互感器额定二次侧负荷选择的主要因素是连接电缆长度和截面大小[2]。测量用电流互感器的二次侧负荷值不应超出25%～100%额定负荷。很多用户认为互感器的额定负荷选得越大越好,这个观点是不正确的,因若二次侧负荷太大,会影响电流互感器的测量精度[4-5]。

由表2可以看出,额定二次侧电流为1 A的电流互感器适合距离较远时采用,导线截面采用2.5 mm2已足够。比如当距离为200 m时,接触电阻容量按0.1 VA计,电流表按0.7 VA计,总二次侧容量为3.776 VA,可以选择容量为5 VA或者10 VA的电流互感器。

由表3可以看出,若距离较远且又想采用额定二次侧电流为5 A的电流互感器,一方面要提高导线截面,另一方面也要提高二次侧允许容量,非常不经济。如当距离为200 m时,必须采用6 mm2的导线,接触电阻按2.5 VA计,电流表按0.7 VA计,总二次侧容量为34.2 VA,需要选择容量为40 VA或者50 VA的电流互感器。其经济性显然不如额定二次侧电流为1 A的电流互感器。

3 工程设计分析

化工企业电力变压器后的低压配电方案中,以下面三种典型回路进行电流互感器的应用分析(其他行业可参考)。

3.1 变压器主断路器回路

万能式断路器一般由断路器厂家自带电流互感器,本文不做讨论。另一般在总进线处设置电流互感器,用于电流表或功率表。根据变压器容量、低压母线规格、一次侧额定电流,可以看出二次侧额定电流是5 A或1 A时的价格对比,变压器后母排电流互感器选型及价格对比如表4所示。

表4 变压器后母排电流互感器选型及价格对比

由表5可以看出,当电流互感器二次侧额定电流为1 A时,因其绕线圈数要远远多于二次侧额定电流为5 A的电流互感器,故二次侧额定电流为1 A的电流互感器价格较5 A要高。变比越大,其之间的价格差别也越大。

因电流互感器与仪表的距离非常短,此处二次侧额定电路可选5 A或1 A。从价格方面考虑,变比越大时,5 A的价格优势就会越明显。二次侧额定电流若选择5 A,其导线和距离可按4 mm2、10 m考虑,容量为2.325 VA,接触电阻容量按2.5 VA计,电流表按0.7 VA计,总二次侧容量为5.525 VA,则容量为5 VA的电流互感器不能满足要求,可选择容量为10 VA、15 VA的电流互感器。

3.2 电动机回路

智能电动机控制器用电流互感器一般由控制器厂家成套供货,本文不做讨论。根据规范[3]第3.2.1条规定,55 kW及以上的电动机以及工艺要求监视电流的其他电动机,应测量交流电流。另根据石化规范[4]第9.3.9条规定,37 kW及以上电动机或工艺需要监视电流的电动机,机旁宜装设电流表。这两条结合起来看,化工工程设计一般会在37 kW及以上电动机现场操作柱上设置电流表。

因考虑变配电所需设置在爆炸危险区域之外(若变配电所处于爆炸区则需正压通风),且部分车间或装置占地较大,致使现场电动机距离配电柜的距离较远,一般可达100～200 m或更远,此时电流互感器可选用二次侧额定电流为1 A,控制电缆选用2.5 mm2。若选用二次侧额定电流为5 A的电力互感器,会因距离增加引起线路负荷太大,大大增加电流互感器容量,且控制电缆截面也需增加至4 mm2或更大,从经济性和可操作性来看,显然不合理。

3.3 馈线回路

低压馈线回路电流表一般设置在柜体上,电流互感器与电流表之间的距离非常近。电流互感器二次侧额定电流5 A和1 A均可选用。但应注意若选用5 A时,导线截面宜按4 mm2。

4 结 语

经过上述分析,可以看出电流互感器二次侧额定电流5 A和1 A各有其使用范围及使用要求。对于距离较远时,应选用二次侧额定电流为1 A的电力互感器。当电流互感器与测量仪表距离较近(比如在同一箱柜)时,可以从线圈制造引起价格不同的经济性考虑,选用5 A或1 A。若选用额定二次侧电路为5 A的电路互感器,应重点注意导线截面、控制距离长度并应核算其实际二次侧容量。