繼電保護用電流互感器伏安特性和10%誤差曲線的分析及應用

徐海峰

(徐州大屯工貿實業公司,江蘇徐州 221000)

繼電保護用電流互感器伏安特性和10%誤差曲線的分析及應用

徐海峰

(徐州大屯工貿實業公司,江蘇徐州 221000)

電流互感器是電力系統中的重要設備,對于繼電保護人員來說,掌握其誤差特性、伏安特性的原理和意義、10%誤差曲線,是十分必要的。作為電氣二次維護人員,合理的運用以上知識,可以避免繼電保護裝置在被保護設備發生故障時拒動,保證電力系統穩定安全的運行,提交繼電保護裝置動作的正確率具有重要意義。本文著重介紹互感器誤差產生的原因、伏安特性的原理意義以及做法、10%誤差曲線的作用及繪制。

電流互感器 飽和 伏安特性 10%誤差曲線

1 電流互感器的工作原理

電力系統中廣泛采用的是電磁式電流互感器(以下簡稱電流互感器),它的工作原理和變壓器相似。其原理接線,如圖1所示。

1.1 電流互感器的特點

(1)一次線圈串聯在電路中,并且匝數很少,因此,一次線圈中的電流完全取決于被測電路的負荷電流．而與二次電流無關。(2)電流互感器二次線圈所接儀表和繼電器的電流線圈阻抗都很小,所以正常情況下,電流互感器在近于短路狀態下運行。

1.2 電流互感器

電流互感器一、二次額定電流之比,稱為電流互感器的額定互感比

CT的額定變比K=I1/I2=N2/N1,為一次繞組與二次繞組的匝數比。對于理想CT： I1*N1=I2*N2,即：I1/I2=N2/N1

當一次側電流為I1時,二次側感生出電流值為：I2=(I1*N1)/N2,但在理論計算中常將二次側電流I2進行折算,將I2折算到一次側為I2’即：I2’=I2*K=(I2*N2)/N1=I1,這樣當一次側電流I1為1時,二次側電流I2’也是1,這樣就可以將CT的等值電路簡化為圖2所示的T型網絡等效電路用于計算。下面為了描述方便折算電流I2’用符號I2來表示。由等值電路可知,其負載包括三個部分：

(1)Z1為一次繞組的阻抗。(2)Zj為建立鐵芯磁通的激磁阻抗。

(3)二次繞組的阻抗以及所帶負載的阻抗。

同時,從圖2中我們可以直觀的看到一次回路所流過的電流I1在電流互感器中被分解為兩部分,其中一部分用來建立鐵芯中的磁通,即激磁電流Ij,另外一部分便是在電流互感器二次側感生出的二次電流I2,據此,我們看下一步要分析一下電流互感器的磁飽和特性。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

2 電流互感器的磁飽和特性

帶鐵芯的電流互感器的結構形式如圖1所示,是一次側繞組與二次側繞組通過一個共同的鐵芯進行互感耦合。正常工作時鐵芯的磁通密度B很低,激磁電流Ij很小,故I2=I1-Ij≈I1,I2與I1的誤差極小。

當發生短路時一次側短路電流將變得很大,使磁通密度B大大增加,Ij也相應增加。在磁通密度B不是很大時,Ij基本與B成線性關系,但是鐵芯中的B增加到一定程度后將出現鐵芯磁通飽和現象。這時增加Ij并不能使磁通密度B成線性增加,而是增加Ij時B增加的越來越少。磁通密度B與電流Ij的關系曲線如圖3所示,當B增加到一定程度后將出現飽和,這時Ij急劇增加,于是I2=I1-Ij和I1就會出現較大和誤差。這就是鐵芯飽和導致互感器出現較大的傳導誤差的原因。

較大的激磁電流Ij還會產生很大的激磁功率Ij*U1,這個功率不僅不能傳輸到二次側,而且會使CT產生很高的熱量,甚至還可以燒毀電流互感器。

3 CT伏安特性曲線

CT伏安特性曲線其實質描述的就是圖3所示的B-Ij的關系曲線。在進行CT伏安特性曲線測試時,應特別注意電壓應由零逐漸上升,不可中途降低電壓再升高,以免因磁滯回線關系使伏安特性曲線不平滑。試驗接線如圖4所示.將CT的一次側開路,對于二次側是多繞組的CT,在做伏安特性試驗時也應將其它二次繞組開路。從二次繞組加入交流電壓U2,測量電流I2,U2與I2的關系曲線即為伏安特性曲線,如圖5所示。

由于已經將一次側開路,所以圖2中的I1、Z1、ZL不再存在,此時的等值電路如圖6所示,所加電壓U2產生的電流I2就等于激磁電流Ij,即：I2=Ij

進而：U2=I2(Zj+Z2)=Ij(Zj+Z2)由于Z2是線圈內阻抗,其數值遠小于激磁阻抗Zj,故：

U2=I2(Zj+Z2)=Ij(Zj+Z2)≈Ij*Zj=Uj

由此可見,此時U2與I2的關系曲線就是Uj與Ij的關系曲線。根據電磁感應定律,線圈的感應電壓Uj與磁通的變化率成正比,在固定頻率的交流磁場中,Uj與B成正比,故Uj與Ij的關系曲線即描述的是B與Ij的關系曲線,也就是說根據此測試方法測得的伏安特性曲線描述的就是B和Ij的關系曲線。

從實試驗測出的伏安特性曲線如圖5所示,它和圖2形狀相同,數值成正比例。這就是雖然我們做伏安特性的目的是要檢驗B和Ij的關系,卻要在試驗時采用用從電流互感器二次繞組加電壓并測得對應電流的原因所在。

4 CT的傳導誤差

理想狀態下的CT就是內阻無窮大的電流源,不因為外界負荷大小而改變電流大小,而實際中的CT只能在一定的負載范圍內保持傳變電流的準確性,這是為什么呢？由圖2可知：

公式右邊一項E=Ij=I2(Z2+ZL)/Zj,為CT產生的傳導誤差,即一次側I1傳導到二次側的電流I2≠I1,其誤差為Ij.在理想CT中,Zj=∞,Ij=0,故I1=I2,無傳導誤差。在實際CT中,I1不大時,CT未飽和,Zj很大,誤差也很小。但當I1變大時磁通密度B趨于飽和,這時Zj急劇減小,對應的Ij急劇增大,即誤差E急劇增大。這就是I1越大,傳導誤差越大的原因。在CT所帶的實際電路中,回路負載ZL≠0,若ZL越大時,E=I2(Z2+ZL)/Zj也越大。即CT所帶回路越多,誤差也會越大。

綜上所述,當一次電流I1增大時,誤差會變大,同樣回路負載ZL越大時,誤差也會越大。

同時我們可以想到,若I1增大時,可以通過減小ZL,或者,若ZL增大時,可以通過減小I1,都可以適當減小一些誤差。所以,要將誤差控制在一定的范圍內,當I1增大時可以通過減小ZL來實現,反之當ZL增大時可以通過減小I1來實現。上述規律在實際工作中加以應用便引入了電流互感器10%和5%誤差曲線這一概念。

5 CT的10%誤差曲線

10%誤差曲線,是當傳導誤差E=10%時,CT一次電流倍數m10與CT二次側所帶負載ZL的關系曲線,如圖7所示,即CT一次電流倍數為m10、二次負載為ZL時,誤差E=10%。

曲線縱坐標為m10,m10=I1/I1e,即一次側額定電流倍數。曲線橫坐標為ZL,為二次側所帶負載。曲線上某點A(Ax,Ay)的意義是,當阻抗ZL=Ax時,最大允許一次電流I1=Ay*I1e,此時誤差E≤10%。如果,I1大于此值,或ZL大于Ax,誤差均大于10%。5%誤差曲線的意義與10%誤差曲線類似,只是允許誤差為5%。

通常電流互感器的10%誤差曲線是由制造廠實驗作出,并且在產品說明書中給出。若在產品說明書中未提供,或經多年運行,需重新核對電流互感器的特性時,就要通過試驗的方法繪制電流互感器的10%誤差曲線。

6 10%誤差曲線的繪制方法

測定電流互感器10%誤差曲線最直接方法是一次測定電流法,此項方法由于所需電源及設備容量較大,很難用于現場測驗。另一種方法是二次側通電流法,此項方法由電流互感器二次側通入電流,所需電源及設備容量較小,其結果與一次電流法所得相同,現場測量很易實現。下面就介紹用二次側通電流法,繪制電流互感器10%誤差曲線的方法。以變比為100/5,準確等級為10P的電流互感器為例。首先將將電流互感器一次側開路,在二次側采用電流電壓法做伏安特性。如圖8所示。

6.1 制作電流互感器的電勢E和勵磁電流Ie的關系曲線

由圖8等值電路可知：

E=U2-Ie(Z2)=U2-Ie(R2+jX2),R2的直流電阻,可以用電橋測得,Z2可根據經驗公式求取,用經驗公式計算：對于油浸式LCCWD型,一般取Z2=(1.3～1.4)R2;對于套管式LRD型電流互感器,一般取Z2=2R2。

根據U2=f(Ie),可逐點計算,利用E=U2-Ie(Z2)得出E=f(Ie)曲線。

6.2 計算勵磁阻抗Ze

由于Ze=E/f(Ie),可得Ze=f(Ie)曲線。

6.3 計算一次電流倍數m10=I1/I

當電流的比誤差為10%時,勵磁電流Ie應為一次電流I1的10%,則二次電流I2為一次電流I1的90%。

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

6.4 計算允許的二次負荷阻抗Zen

由于Ze與Z2+Zen并聯,故Ze/(Z2+Zen)=I2/Ie=9Ie/Ie=9

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

7 誤差曲線的作用

得到10%誤差曲線后,可以求出在m10最大時(最大短路電流時)允許的二次負荷阻抗Zen,從而確定現有的二次負荷阻抗是否滿足10%誤差曲線的要求。將實測阻抗值按最嚴重的短路類型換算成Z;然后根據計算出的電流倍數m10,找出與m10倍數相對應的允許阻抗值Zfh,如果Z≤Zfh時為合格。

上述分析方法由于太過復雜,而且受各種實際條件制約,往往能成功進行分析的不多,而通常的做法是采用對比法,對比法有多種：

(1)對比多條相似回線的CT的伏安特性曲線是否基本相同,可以判斷是否某些CT特性能不能滿足要求。(2)對比一條線路的三相CT的曲線是否基本相同,或變壓器高低壓側CT曲線是否基本相似,可以判斷是否某些CT不能滿足要求。(3)保護CT一般伏安特性曲線的電壓比較高,測量CT一般不做伏安特性曲線,要做的話其曲線電壓很低就飽和。檢查CT的伏安特性曲線電壓值一般可以判斷是否把保護CT與測量CT弄混,或是否把CT的保護繞組和測量繞組弄混。

8 電流互感器不滿足10%誤差要求時的處理方法

當電流互感器不滿足10%誤差要求時,可以采取：

(1)改用伏安特性較高的電流互感器二次繞阻,提高代負荷的能力;(2)提高電流互感器的變比,或采用二次額定電流小的電流互感器;以減小電流倍數m10;(3)串聯備用相同級別電流互感器二次繞組,使其帶負荷的能力增大一倍;(4)增大二次電纜截面,或采用消耗功率小的繼電器;以減小二次側負荷;(5)改變二次負荷元件的接線方式,將部分負荷移至互感器備用繞組,以減小計算負荷。

[1]國家電力調度通信中心《電氣系統繼電保護實用技術問答》.中國電力出版社,2000年2月第二版.

[2]賀家李.《電力系統繼電保護原理》.中國電力出版社,2010-8-1.

徐海峰(1979.12.25-),男,2003年7月1日畢業于華北水利水電學院,電力系統及其自動化專業,2003年7月-2012年4月供職于江蘇沛縣大屯發電廠,繼電保護班技術員一職,2009年9月具備工程師任職資格,2012年4月至今供職于徐州大屯工貿實業公司,研發中心,研發專員一職。