淺析電流互感器運行與維護

宋傳偉，趙金龍

內蒙古興安盟阿爾山供電局，內蒙古阿爾山 137800

1 電流互感器工作原理

電力系統中廣泛采用電磁式電流互感器，它的主要結構和工作原理和變壓器相似，電流互感器的一次繞組匝數N1很小，串聯被側電路中，因此，一次繞組中的電流I1完全取決于待測電路的負載大小，而不受二次電流I2的影響，這是電流互感器與變壓器區別的重要特點，二次繞組匝數N2較多，它所連接的儀表和繼電器的電流線圈阻抗很小，故電流互感器正常工作情況近于短路狀態下運行。電流互感器利用變壓器原、副邊電流成比例的特點制成。其工作原理、等值電路也與一般變壓器相同，只是其原邊繞組串聯在被測電路中，且匝數很少；副邊繞組接電流表、繼電器電流線圈等低阻抗負載，近似短路。原邊電流（即被測電流）和副邊電流取決于被測線路的負載，而與電流互感器的副邊負載無關。由于副邊接近于短路，所以原、副邊電壓U1和Uc2都很小，勵磁電流I0也很小。電流互感器運行時，副邊不允許開路。因為一旦開路，原邊電流均成為勵磁電流，使磁通和副邊電壓大大超過正常值而危及人身和設備安全。因此，電流互感器副邊回路中不許接熔斷器，也不允許在運行時未經旁路就拆下電流表、繼電器等設備。

2 電流互感器開路的危害

電流互感器正常工作時，二次回路近于短路狀態。這時二次電流所產生的二次繞組磁動勢F2對一次繞組磁動勢F1有去磁作用，因此，合成磁勢F0＝F1-F2不大，合成磁通φ0也不大，二次繞組內感應電動勢E2的數值最多不超過幾十伏。因此，為了減少電流互感器的尺寸和造價，互感器鐵心的截面是根據電流互感器在正常工作狀態下合磁磁通φ0很小而設計的。使用中的電流互感器如果發生二次回路開路，二次繞組磁動勢F2等于0，一次繞組磁動勢F1仍保持不變，且全部用于激磁，合成磁勢F0=F1，這時的F0較正常時的合成磁勢(F1-F2)增大了許多倍，使得鐵心中的磁通急劇地增加而達到飽和狀態。由于鐵心飽和致使磁通波形變為平頂波，因為感應電動勢正比于磁通的變化率dφ/dt，所以這時二次繞組內將感應出很高的感應電動勢e2。二次繞組開路時二次繞組的感應電動勢e2是尖頂的非正弦波，其峰值可達數千伏之高，這對工作人員和二次設備以及二次電纜的絕緣都是極危險的；另一影響是，因鐵心內磁通的劇增，引起鐵心損耗增大，造成嚴重發熱也會使電流互感器燒毀；第三個影響是因鐵心剩磁過大，使電流互感器的誤差增加，在運行中的電流互感器是將處于高電位的大電流變成低電位的小電流。也就是說：二次繞組的匝數比一次要多幾倍，甚至幾千倍（視電流變比而定）。如果二次開路，一次側仍然被強制通過系統電流，二次側就會感應出幾倍甚至幾千倍于一次繞組兩端的電壓，這個電壓可能高達幾千伏以上。運行中電流互感器二次側開路后，一次側電流仍然不變，二次側電流等于0，則二次電流產生的去磁磁通也消失了。這時，一次電流全部變成勵磁電流，使互感器鐵芯飽和，磁通也很高，將產生以下后果：

1）由于磁通飽和，其二次側將產生數千伏高壓，且波形改變，對人身和設備造成危害；

2）由于鐵芯磁通飽和，使鐵芯損耗增加，產生高熱，會損壞絕緣；

3）將在鐵芯中產生剩磁，使互感器比差和角差增大，失去準確性。

因此，電流互感器在使用中必須與二次負荷確切聯結，不接負荷時則應可靠短接，短接的導線必須有足夠的截面，以免當一次過電流時產生的較大的二次電流將導線熔斷，造成二次開路而出現高電壓。電流互感器一次繞組匝數少，使用時一次繞組串聯在被測線路里，二次繞組匝數多，與測量儀表和繼電器等電流線圈串聯使用，測量儀表和繼電器等電流線圈阻抗很小，所以正常運行時CT是接近短路狀態的。CT二次電流的大小由一次電流決定，二次電流產生的磁勢，是平衡一次電流的磁勢的。若二次開路，其阻抗無限大，二次電流等于零，其磁勢也等于零，就不能去平衡一次電流產生的磁勢，那么一次電流將全部作用于激磁，使鐵芯嚴重飽和。磁飽和使鐵損增大，CT發熱，CT線圈的絕緣也會因過熱而被燒壞。還會在鐵芯上產生剩磁，增大互感器誤差。最嚴重的是由于磁飽和，交變磁通的正弦波變為梯形波，在磁通迅速變化的瞬間，二次線圈上將感應出很高的電壓，其峰值可達幾千伏，如此高的電壓作用在二次線圈和二次回路上，對人身和設備都存在著嚴重的威脅。所以CT在任何時候都是不允許二次側開路運行的。

3 如何對電流互感器開路判斷

如何判斷電流互感器二次開路故障，一般可從以下現象進行檢查判斷：

1）回路儀表指示異常降低或為零。如用于測量表記的電流回路開路，會使三相電流表指示不一致、功率表指示降低，計量表記不轉或轉數減慢，如果表記指示時有時無，可能是處于半開路狀態；

2）CT本體有無噪聲、振動不均勻、嚴重發熱、冒煙等現象，當然這些現象在負荷小時表現并不明顯；

3）CT二次回路端子、元件線頭有放電、打火現象；

4）繼保發生誤動或拒動，這種情況可在誤跳閘或越級跳閘時發現并處理；

5）電度表、繼電器等冒煙燒壞。而有無功功率表及電度表、遠動裝置的變送器、保護裝置的繼電器燒壞，不僅會使CT二次開路，還會使PT二次短路。

4 電流互感器二次開路處理

檢查處理CT二次開路故障，要盡量減小一次負荷電流，以降低二次回路的電壓。操作時注意安全，要站在絕緣墊上，戴好絕緣手套，使用絕緣良好的工具。

1）發現CT二次開路，要先分清是哪一組電流回路故障、開路的相別、對保護有無影響，匯報調度，解除有可能誤動的保護。

2）盡量減小一次負荷電流。若CT嚴重損傷，應轉移負荷，停電處理。

3）盡快設法在就近的試驗端子上用良好的短接線按圖紙將CT二次短路，再檢查處理開路點。

4）若短接時發現有火花，那么短接應該是有效的，故障點應該就在短接點以下的回路中，可進一步查找。若短接時沒有火花，則可能短接無效，故障點可能在短接點以前的回路中，可逐點向前變換短接點，縮小范圍檢查。

5）在故障范圍內，應檢查容易發生故障的端子和元件。對檢查出的故障，能自行處理的，如接線端子等外部元件松動、接觸不良等，立即處理后投入所退出的保護。若開路點在CT本體的接線端子上，則應停電處理。若不能自行處理的（如繼電器內部）或不能自行查明故障的，應先將CT二次短路后匯報上級

5 電流互感器開路電壓

電流互感器二次發生開路會產生高電壓。常見的對這一現象的解釋是：“如果電流互感器二次開路，二次電流消失，去磁作用隨之消失，鐵心中的磁密很高；又由于二次繞組匝數特多，二次電壓會很高。有時可達幾千伏”電流互感器的一次匝數很少，其一次繞組通常是一次設備的進出導線，只有一匝或兩匝，而起二次繞組很多。我們知道其二次電壓U2與一次電壓U1的關系應該為 U2=U1*W2/W1，其中W2、W1分別為二次和一次的繞組匝數。比如一個額定變比為1200/5的電流互感器其一次繞組為1匝，而二次繞組為240匝。如果互感器二次開路，而如果我們所說的這個變比為1200/5的互感器使用在110kV系統，那么當二次開路時是不是就要產生110kV×240這樣高的電壓呢？說實話，這是我以前的一個誤解。而上面的推算過程中發生的關鍵錯誤是把一次系統的額定電壓當成了互感器的一次電壓U1，而真正的U1實際上應該是電流流過互感器一次，在互感器進線和出線端產生的電壓?？紤]到這么短的一次導體的阻抗非常小，即使電流很大，最后電壓也不會大。而這個不會很大的一次電壓傳遞到二次的開路端也就是幾千伏而已了。當然也不完全如此，你的前提是電流互感器鐵心正常（不飽和）情況下的，正常的電磁傳變特性，可以用一次導線上的一小段電壓乘以變比，得出二次的電壓，這樣算來，電壓是不高，但是忽略了電流互感器飽和的因素。應該講一次電流越大，二次電壓越高，但不是線性的！應該講一次電流在二次不開路有去磁作用的情況下，去勵磁的電流是很小的，一般保護級該勵磁電流不允許超過總的電流的10%。也就是說正常勵磁電流下，鐵心是不飽和的，那么在鐵心中的勵磁電流所產生的磁通就不會畸變，還是標準的正弦波。如果二次開路，那么一次電流因二次無去磁，使得一次電流全部去勵磁，那么此時激磁電流劇增，鐵心飽和，此時的激磁電流產生的磁通畸變。為什么二次會有電壓，其實是磁感應來的，就是我們常說的感應電動勢e = N（dφ/dt），這里N是匝數，是常量，關鍵是磁通的變化陡度！那么我們來比較一下上述兩種情況的的磁通的變化陡度?？磮D：需要說明的是如果一次電流很小，只要全部去勵磁而電流互感器不飽和，可以用一次導線上的一小段電壓乘以變比，得出二次的電壓，這樣算來，電壓是不高。這里關鍵是一次電流大了，就有問題了。電流互感器正常工作時，二次回路近于短路狀態。這時二次電流所產生的二次繞組磁動勢F2對一次繞組磁動勢F1有去磁作用，因此合成磁勢F0＝F1-F2不大，合成磁通φ0也不大，二次繞組內感應電動勢E2的數值最多不超過幾十伏。因此，為了減少電流互感器的尺寸和造價，互感器鐵心的截面是根據電流互感器在正常工作狀態下合磁磁通φ0很小而設計的。 使用中的電流互感器如果發生二次回路開路，二次繞組磁動勢F2等于零，一次繞組磁動勢F1仍保持不變，且全部用于激磁，合成磁勢F0=F1，這時的F0較正常時的合成磁勢(F1-F2)增大了許多倍，使得鐵心中的磁通急劇地增加而達到飽和狀態。由于鐵心飽和致使磁通波形變為平頂波，因為感應電動勢正比于磁通的變化率dφ/dt，所以這時二次繞組內將感應出很高的感應電動勢e2。二次繞組開路時二次繞組的感應電動勢e2是尖頂的非正弦波，其峰值可達數千伏之高，這對工作人員和二次設備以及二次電纜的絕緣都是極危險的；另一影響是，因鐵心內磁通的劇增，引起鐵心損耗增大，造成嚴重發熱也會使電流互感器燒毀；第三個影響是因鐵心剩磁過大，使電流互感器的誤差增加 帶電的電流互感器二次繞組嚴禁開路運行。 簡單的講,這是因為一次的匝數很少。二次的匝數相對一次是很多的，當二次繞組開路會產生很高過電壓，對人身和設備造成威脅，所以電流互感器是嚴禁開路的。

6 電流互感器與測量儀表接線

電流互感器的接線方式按其所接負載的運行要求確定。最常用的接線方式為單相，三相星形和不完全星形。額定變比和誤差互感器的額定變比KN指電壓互感器的額定電壓比和電流互感器的額定電流比。前者定義為原邊繞組額定電壓U1N與副邊繞組額定電壓 U2N之比；后者則為額定電流I1N與I2N之比。即 KN＝U1N/U2N （對電壓互感器）KN＝I1N/I2N （對電流互感器）電壓（或電流）互感器原邊電壓（或電流）在一定范圍內變動時，一般規定為0.85～1.15U1N（或10～120%I1N），副邊電壓（或電流）應按比例變化，而且原、副邊電壓(或電流)應該同相位。但由于互感器存在內阻抗、勵磁電流和損耗等因素而使比值及相位出現誤差，分別稱為比差和角差。一般通過在互感器上加繞附加繞組或增添附加鐵心，以及接入相應的電阻、電感、電容元件來補償。常用的補償法有匝數補償、分數匝補償、小鐵心補償、并聯電容補償等。

7 電流互感器變比檢查試驗方法

電流互感器交接時和更換繞組后的現場變比檢查試驗列為重要試驗項目。電流互感器工作原理大致與變壓器相同，不同的是變壓器鐵心內的交變主磁通是由一次線圈兩端交流電壓所產生，而電流互感器鐵心內的交變主磁通是由一次線圈內電流所產生，一次主磁通在二次線圈中感應出二次電勢而產生二次電流。從電流互感器工作原理可知：決定電流互感器變比的是一次線圈匝數與二次線圈匝數之比，影響電流互感器變比誤差的主要原因有：1）電流的大小，比差和角差隨二次電流減小而增大；2）二次負荷的大小，比差和角差隨二次負荷減小而減??；3）二次負荷功率因數，隨著二次負荷功率因數的增大，比差減小而角差增大；4）電源頻率的影響；5）其它因素。電流互感器內部參數也可能引起變比誤差，如二次線圈內阻抗、鐵心截面、鐵心材料、二次線圈匝數等，但這是由設計和制造決定的。

8 電流互感器極性和接線方式及其應用

在電力系統中電流互感器的作用是把大電流變成小電流，將連接在繼電器及測量儀器儀表的二在電力系統中電流互感器的作用是把大電流變成小電流，將連接在繼電器及測量儀器儀表的二次回路與一次電流的高壓系統隔離，并將一次電流變換到5A或1A兩種標準的二次電流值。電流互感器的極性 與電流保護密切相關，特別是在農電系統中，電流保護起主導作用，因此必須掌握好極性與保護的關系。 本文分析了電流互感器的極性和常用電流保護的關系，以及易出錯的二次接線。

電流互感器在交流回路中使用，在交流回路中電流的方向隨時間在改變。電流互感器的極性指的是某一時刻一次側極性與二次側某一端極性相同，即同時為正、 或同時為負，稱此極性為同極性端或同名端，用符號“*”、“-” 或“.”表示。(也可理解為一次電流與二次電流的方向關系)。按照規定，電流互感器一次線圈首端標為L1，尾端標為L2；二次線圈的首端標為K1，尾端標為K2。在接線中L1和K1稱為同極性端，L2和K2也為同極性端。電流互感器同極性端的判別與耦合線圈的極性判別相同。較簡單的方法例如用1.5V干電池接一次線圈，用一高內阻、大量程的直流電壓表接二次線圈。當開關閉合時，如果發現電壓表指針正向偏轉，可判定1和2是同極性端，當開關閉合時，如果發現電壓表指針反向偏轉。一相式電流保護的電流互感器主要用于測量對稱三相負載或相負荷平衡度小的三相裝置中的一相電 流。電流互感器的接線與極性的關系不大，但需注意的是二次側要有保護接地，防止一次側發生過電流現 象時，電流互感器被擊穿， 燒壞二次側儀表、繼電設備。但是嚴禁多點接地。兩點接地二次電流在繼電 器前形成分路，會造成繼電器無動作。因此在《繼電保護技術規程》中規定對于有幾組電流互感器連接在 一起的保護裝置，則應在保護屏上經端子排接地。如變壓器的差動保護，并且幾組電流互感器組合后只有 一個獨立的接地點。

9 電流互感器運行中應注意的問題

1）電流互感器在運行中二次側不得開路，一旦二次側開路,，由于鐵損過大，溫過高而燒毀，或使 副繞組電壓升高而將絕緣擊穿，發生高壓觸電的危險。所以在換接儀表時如調換電流表、有功表、無功表 等應先將電流回路短接后再進行計量儀表調換。當表計調好后，先將其接入二次回路再拆除短接線并檢查表計是否正常。如果在拆除短接線時發現有火花，此時電流互感器已開路，應立即重新短接，查明計量表回路確無開路現象時，方可重新拆除短接線。在進行拆除電流互感器短接工作時，應站在絕緣皮墊上，另外要考慮停用電流互感器回路的保護裝置，待工作完畢后，方可將保護裝置投入運行。

2）如果電流互感器有嗡嗡聲響，應檢查內部鐵心是否松動，可將鐵心螺栓擰緊。

3）電流互感器二次側的一端，外殼均要可接地。

4）當電流互感器二次側線圈絕緣電阻低于10～20兆歐時，必須進行干燥處理，使絕緣恢復后，方可使用。