剩磁對電流互感器誤差的影響

周 遷

（云南電力技術有限責任公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

電力系統用電流互感器是將電力系統中一次側大電流通過電磁感應原理轉換到二次側小電流（1 A/5 A），供計量儀表、測量儀表及保護裝置使用的一種特殊變壓器，是一次系統和二次系統的聯絡元件。目前，我國計量規程規定計量繞組的準確度等級為0.2級。

長期運行的電流互感器在檢定時往往發現誤差超差，不能滿足計量準確度等級要求。究其原因，影響因素是多種多樣的，但是剩磁對互感器誤差超差準確度等級下降的影響尤其明顯。

1 電流互感器誤差產生的原因

根據基本電磁感應關系，得出互感器的等效電路圖（圖1）。將二次側的電流和阻抗折算到一次側，二次繞組阻抗為與，一次側繞組很小，可以忽略；一次電流用表示，勵磁支路的勵磁電流為，阻抗用電阻為，電抗為X0，二次側所帶負荷用和表示。當一次繞組中流過電流時，由于電磁感應在二次繞組中會產生感應電勢E2，在二次繞組帶有負荷的情況下，二次繞組中會產生電流在勵磁回路中會產生勵磁電流以產生磁通。

根據基爾霍夫電流定律（KCL），所有進入某節點的電流的總和等于所有離開該節點的電流的總和，故一次電流為：

電流互感器的誤差（比值差）f的計算公式為：

圖1 互感器的等效電路

其中，K為電流互感器的額定電流比。

由式（1）和式（2），可得：

根據式（3）可得出，勵磁電流I0的存在是導致互感器存在誤差的原因。

2 剩磁產生的原因

電流互感器產生的剩磁分為穩態剩磁和暫態剩磁。穩態剩磁主要是由于互感器自身鐵磁材料固有的磁滯特性產生，暫態剩磁主要是由短路故障下的剩磁產生。

剩磁產生的原理可通過圖2說明，圖中H為磁場強度，B為磁感應強度，Oa為磁化曲線，Br為剩余磁感應強度。當鐵磁材料從未磁化狀態（B=0、H=0）開始磁化時，低漏磁鐵芯可以看作H=NIm，N為匝數。在勵磁電流Im作用下，H增加，B隨著H的增加而非線性增加。當H增加到Hs后，B增加緩慢，趨于穩定到Bs，這時磁化到達飽和狀態，稱為磁飽和；當H從Hs開始減小時，B隨著減小，但不沿原曲線減小；當H減小到0時，B減小到Br，此時無磁場強度，但是鐵磁材料中仍保留一定的磁性Br，這種現象就是磁滯效應，其中Br為剩余磁感應強度，簡稱剩磁。從變化曲線可以看出，若想消除剩磁，需要反向增加磁場強度H到Hc，Hc稱為矯頑力。

圖2 剩磁產生的曲線

由圖2可得出：

（1）B的變化始終落后于H的變化，這種現象稱為磁滯現場；

（2）圖中的bc曲線段稱為退磁曲線；

（3）H上升到某一值和下降到同一數值時，鐵磁材料內的B值不相同，即磁化過程和鐵磁材料過去的磁化經歷有關。

暫態剩磁產生的原因主要有以下幾方面：（1）運行過程中對斷路器進線跳閘、合閘操作；（2）電力系統發生短路；（3）電流互感器經歷過開路運行；（4）對互感器進行試驗時也可能產生剩磁[1]。

3 剩磁造成互感器誤差偏大的原因

從磁化分析可得到，電流互感器的基本誤差ε等于勵磁磁勢F0和工作磁勢F1之比，即：

從電路方面可得，基本誤差ε等于勵磁電流I0與工作電流I1之比，即：

根據安培環路定理和法拉第電磁感應定律，可得：

根據磁化曲線B（H、ψ），可以計算出電流互感器基本誤差：

其中，f和δ分別為電流互感器的比值差和相位差，ψ為電流互感器的鐵芯損耗角，α為二次回路功率因數角。當鐵芯存在剩磁時，不管剩磁的方向，其勵磁磁勢F0將相應增大，使誤差增大并向負向偏移[2]，造成電能計量偏小。

4 減小剩磁影響的措施

4.1 消除剩磁對測量用電流互感器影響的措施

（1）采用疊片式鐵芯可以大大降低剩磁的影響。由于疊片式鐵芯連接處有較大的磁阻，使得鐵芯原有的矯頑力降低，鐵芯的單位磁化能量降低，即剩磁減小。缺點是在相同條件（鐵芯截面積、二次負荷等）下必須增加互感器的匝數，這對絕緣和材料成本都有影響。

（2）非晶材料和坡莫合金材料矯頑力很小，用這兩種材料制成的電流互感器的殘留剩磁對0.2級準確度幾乎沒有影響。與硅鋼片相比，這兩種材料的磁導率高4倍以上，缺點是價格偏高[3]。

（3）設計制造時適當加大鐵芯截面積，減小鐵芯磁通密度，使電流互感器工作的磁通密度遠離貼心的飽和磁密點，可以使磁路暢通，不會使一次繞組產生的磁場選擇其他路徑而產生漏磁場，從而減少剩磁對互感器準確度等級的影響。

（4）在試驗環節控制。修改現行檢定規程的有關條款要求，測量用電流互感器應該在退磁和充磁兩種狀態下都能滿足準確等級的要求，而不是只對退磁試驗后的準確度等級做出要求。

（5）采用電子式互感器。電子式互感器無電磁感應，具有暫態特性好，無剩磁、無飽和、絕緣結構簡單、無需油和氣作為絕緣介質等優點。

4.2 電流互感器的退磁方法

根據互感器鐵芯的磁化過程和退磁原理，平時主要采用以下兩種方法退磁。

4.2.1 開路法

選擇一、二次繞組中匝數較少的繞組（一般為一次），通過10%～15%的額定電流，其他繞組均開路，將電流平穩、緩慢的降至0。匝數最多的繞組接監視電壓表，當電壓表讀數達到2.6 kV時退磁。

4.2.2 閉路法

二次繞組接上額定負荷10～20倍的電阻（若有兩個或兩個以上二次繞組，其余繞組開路），一次繞組通上額定的1.2倍電流，然后緩慢降至0。

5 結 論

正常運行中的電流互感器，在操作和故障中都可能產生鐵芯剩磁，這是普遍存在的情況。正常工況下，鐵芯運行在小磁滯回線狀態，剩磁不會自動消失。長期使用過程中，剩磁對測量保護和電流互感器的性能都會產生影響，使得電流互感器的誤差往負方向偏移，造成電能計量損失。測量用電流互感器可以采用磁導率高、剩磁系數小的優質鐵芯材料，以保證剩磁的影響量不會偏大，如疊片式鐵芯、非晶和坡莫合金材料等。在試驗過程中進行控制，確保互感器在退磁和充磁兩種狀態下都能滿足準確等級的要求。另外，條件允許的情況下，在每次大擾動后進行退磁，以保證互感器的準確度等級滿足要求。