電流互感器對電力系統電能計量的影響研究

摘要：電流互感器在運行時，需要滿足相應的工況條件，以實現準確的計量。首先對電流互感器的工作原理及誤差的產生進行了分析，針對二次側負荷超出規定范圍時電流互感器對計量造成的誤差進行了研究，然后分析了不合理的電流互感器選擇對計量的影響，最后通過具體的實例分析了電流互感器的二次側某相電流斷線時對計量的影響，并提出了相應的具體整改措施。

關鍵詞：電流互感器；電能計量；誤差分析；電力系統

準確合理對發電、供電及用電等環節的電能進行計量具有重要意義，它關系到電能流動過程中所有參與者的經濟利益，同時，也對電力系統中各項指標的計算有著重要的參考意義。可以說，電能的計量是集經濟與技術為一身的重要課題。實現電能計量的重要裝置是互感器，其有電流互感器和電壓互感器之分，它們能夠有機連接一次回路和二次回路。本文重點對電流互感器進行研究，找出產生誤差的原因，給出相應對策，指導實踐。

一、電流互感器的工作原理

與通常使用的變壓器結構相似，電流互感器內部結構如圖1所示，在閉合鐵芯上有兩組互相絕緣的繞組，分別被稱為一次繞組和二次繞組，其中與被測電路串聯的是一次繞組，與電能表電流線圈相串聯的是二次繞組，在電能表中線圈的內阻幾乎可以忽略不計，整個電流互感器在運行時可以視為二次側是短路的。一般會將電流互感器中的磁通密度設置得比較小，這樣就會減小磁損耗，此時，激磁安匝數I0N1也很小，其主要目的是為了建立磁場，以便能量的傳遞，它在一次安匝數I1N1中的比例很小，圖2給出了電流互感器的向量圖，其中，Φ表示磁通，U2表示電流互感器二次側得到的感應電壓，由于二次側回路中的阻抗呈現感性，所以其電壓超前電流，超前角度為Φ2，有公式：

I1N1+I2N2=I0N1 （1）

激磁安匝數I0N1很小，可以將其忽略，則上式變為：

I1N1+I2N2=0 （2）

由此可見，一次安匝數和二次安匝數呈現出大小相等，方向相反的特點，兩者保持電路的磁路平衡，可以近似認為一次安匝數和二次安匝數的有效值相等。[1]

二、電流互感器的誤差分析

在實際的運行過程中，電流互感器不可避免會產生比差以及角差，也就是說實際的電流比無法做到完全等于額定電流比，圖3給出了電流互感器中鐵心線圈的磁化曲線，下面對誤差的產生進行具體分析。從圖2中可以看出，二次安匝數并沒有與一次安匝數完全重合，一次安匝數滯后于二次安匝數，在模值上也要大一些，其本質原因是激磁安匝數并非完全等于零，也就是說電流互感器的誤差主要是由勵磁電流引起的，要想盡量減小誤差，應該努力減小勵磁電流。在向量圖圖2中，可計算出電流互感器的比差以及角差，發現在勵磁電流的影響下，比差值為負，向負方向變化，角差值為正，向正方向變化，這種變化的結果就導致了計量偏小。電流互感器的工作原理基于電磁感應原理，其鐵心的磁化曲線在第一象限的圖形如圖3所示，其中，實線是實際的變化曲線，虛線是理想的變化曲線，其非線性的特點也是造成誤差的原因之一，一旦鐵心進入到飽和區域，如果再繼續增大電流，磁通Φ幾乎保持不變，電流值越大，鐵心的飽和程度就越深，產生的誤差也越大，這是電流互感器最大的缺點，所以，在實際工作中必須嚴格保證電流互感器不工作于過載狀態。

除此之外，造成電流互感器誤差的另一個原因是剩磁的存在。所謂剩磁，是指鐵磁材料自身的磁滯現象，當系統斷路器動作或出現短路故障時，電流互感器中會產生剩磁，其大小由斷開一次側電流的瞬間鐵心中的磁通來決定。當電流互感器用于測量時，剩磁將降低鐵心的磁導率，且這種影響將呈現非線性的特點，與此對應，電流互感器的勵磁阻抗將會減小，勵磁電流會變大，導致計量誤差朝負方向變化，得到的電量值偏小。

三、電流互感器二次阻抗和接線對計量的誤差分析

實際運行的電流互感器二次側的負荷往往會超出規定的范圍，這會對計量造成誤差，本節重點對二次阻抗值以及接線影響計量結果的機理進行探討。

1.二次阻抗值對計量結果的影響

二次側負荷對電流互感器的影響是成正比的，增大二次側負荷，鐵心的磁密度也會增大，導磁率也有所增加，因此，電流互感器的誤差會向著負方向發展。根據相關試驗，電流互感器二次阻抗超出額定負荷兩倍及以上時，電流互感器的誤差就會超出允許范圍，在很多變電所中，互感器到計量表之間都存在很長的距離，易使互感器二次側負荷過大，一旦超出額定值太多，互感器的準確性會受到很大影響；當互感器二次側阻抗值降低，通常情況下其計量誤差都在允許范圍內，可不予考慮。

2.功率因數值對計量結果的影響

為了保證計量的準確性，電流互感器應該工作在規定的功率因數下，通常在0.8以上，系統中電流表、電能表的電流線圈等的阻抗都比較小，二次側阻抗主要是指導線的阻值，當三相電流為對稱電流，并且各導線的電阻值相等時，C相的互感器工作于超前的功率因數為0.8的狀態下，與規定的工作于滯后的功率因素為0.8的狀態存在很大差別，無法保證計量的準確性。改變三相三線接線模式下采用兩臺電流互感器的做法，采用二次四線式的接線方法，如圖4所示，此時，兩臺電流互感器能夠徹底被分離開來，所帶負荷的大小只會與單相的電流有關，通常情況下，二次負荷呈現感性的特點，功率因數都會保持在滯后的0.8以上，因此，也能保證測量的準確性。[2]

四、電流互感器選擇過大或過小對計量的影響

根據國家電能計量裝置技術的相關管理規定，電流互感器額定一次電流不應小于在正常運行中的實際負荷電流的百分之三十。一般情況下，電流互感器額定一次電流要保證其在正常運行中的百分之六十左右。實際使用中電流的變化范圍應保證在合適的范圍內，當電流互感器勵磁電流所占比例不同時，計量的精確是有所區別的。電流互感器勵磁電流小于百分之五額定電流時，電流互感器的準確度等級就沒有保證，大于額定電流的1.2倍時，過大的電流則可能燒毀電流互感器。如果電流互感器的變流比選擇過大，例如，當勵磁電流在額定電流的1.2倍以上工作時，由于勵磁電流較大，則會產生嚴重的負誤差，從而少計電能量。如果繞組長期過負載運行，就很容易被燒壞，從而在一定程度上縮短電流互感器的使用壽命。

在實際的工作運行過程中，如果電流互感器的變流比選擇過小，即當勵磁電流在額定電流的百分之五以下工作時，會降低其準確度，同時也會產生較大的負誤差。比較電流互感器電流比選擇過小和過大的兩種情況發現，選擇電流互感器變流比較大時造成的計量誤差要小于選擇電流互感器變流比較小時的計量誤差。因此如果當出現兩種情況的同時選擇時，應選擇電流互感器勵磁電流比較大的情況。[3]

為了保證供電計量的準確性，對于一些常見的現象可以采取對應的措施加以解決。例如，負荷經常有變化的單位，我們可以考慮使用多變流比電流互感器，因為在使用中電流互感器存在多個變流比，所以可依據具體單位實際負荷的大小進行電流互感器變流比的調整，從而保證供電計量的準確性。

五、實例分析

為了說明當電流互感器的二次側某相斷線時對計量造成的影響，通過實例進行分析，并且給出相應預防措施：某變電所接于A相上的計量表沒有給出負荷的電流值，同時，對該用戶的相應值班記錄進行調查發現，此前幾個月內，該變電所的用電量急劇減少，同時，對大工業抄表卡進行查看發現，本月的電量比上個月較少了一半。經過電能計量人員的接線檢查發現A相進線端的端鈕與相應的線圈引線斷開了，對功率因數進行測定為0.98，斷線期間測得的用電量為288600 kW·h。

圖5給出了A相電流斷線情況下的計量接線圖。電能表的第Ⅱ元件接入電壓UCB，IC為電流，兩者的夾角為30度，圖6為A相電流斷線第Ⅱ元件接入的向量圖。

P′= P1′+ P2′= 1 /2U I（3cosΦ+ sinΦ） （3）

在A相電流斷線的情況下，功率因數不同，電能表的計量情況也有所不同，分別如下：

當cosΦ=0.5（L）（Φ=60°）時，電能表計量正確；

當cosΦ>0.5（L）（Φ<60°）時，電能表計量值偏小；

當cosΦ<0.5（L）（Φ>60°）時，電能表計量值偏大。

A相電流斷線時，電能表更正系數為：

GX=23cosΦ /（3cosΦ+sinΦ） （4）

此時有：

當cosΦ=0.5、GX=1，電能表的計量正確無誤；

當cosΦ>0.5、GX>1，電能表計量值偏小；

當cosΦ<0.5、GX<1，電能表計量值偏大。

當cosΦ=0.98、sinΦ=0.20時，

GX=23×0.98/（3×0.98+0.20）=1.79>1 （5）

則應追補電量為：

GL=（3×0.98-0.20/3×0.98+0.20）×100%=0.79% （6）

A′=AS-A=GL×A=79%×288600=227994kW·h

六、判斷電流互感器二次斷線事故的方法

設備的故障點會隨著電流互感器的二次連接而增多，一旦某個節點處出現相關的故障，整個電路回路都會受到影響，從而造成儀表指示不正確。電能計量產生的相關誤差，可以采取相關措施加以控制。實際運行中可以裝設相關監測設備用來監測電流互感器二次斷路裝置；為減少事故發生點，相關貿易結算用電能計量裝置應盡量使用二次繞組，并避免與保護測量等回路共用；使用的電纜、導線要有相關防機械損傷措施，要確保產品質量，不得使用相關偽劣不合格產品；有相關隱患的設備要采取措施加以改造，盡量保證整個網絡的合理規劃；相關計量裝置的連接點要牢固，保證接觸可靠等。

七、結束語

電流互感器在運行時，需要滿足相應的工況條件，以實現準確的計量。本文首先對電流互感器的工作原理及誤差的產生進行了分析，針對二次側負荷超出規定范圍時電流互感器對計量造成的誤差進行了研究，然后分析了不合理的電流互感器選擇對計量的影響，最后通過具體實例分析了電流互感器二次側某相電流斷線時對計量的影響并提出了相應的整改措施，以期供相關人員參考。

參考文獻：

[1]趙占雷，王建國.計量用電力互感器誤差大小與電量的關系[J].科技情報開發與經濟，2009，19（35）：211-212.

[2]孫向飛，束洪春，于繼來.電流互感器暫態飽和對和應涌流傳變的影響[J].電力自動化設備，2009，29（1）：83-88.

[3]任先文，徐宏雷，孫楷淇，等.非周期分量對電流互感器飽和特性的影響的仿真[J].電力系統保護與控制，2009，37（5）：6-9.

（責任編輯：劉輝）