超大電流互感器校驗和溯源檢定裝置的研究

山西省機電設計研究院 常建芳

引言

對超大電流互感器的校驗和溯源檢定，存在大量技術上的難題，目前國內尚未開展相關技術和設備的研究。研究超大電流互感器校驗與溯源檢定系統解決目前國內存在的超大電流互感器的誤差檢定和量值溯源，建立相應的量值溯源體系是很有必要的。目前國網公司各省級計量中心和國家計量院的互感器檢定工作已提出了這方面的要求。

1.大電流互感器校驗存在的主要問題

對于超大電流互感器的誤差校驗，其校驗原理和校驗線路已經很成熟，國家相關規程JJG313-2010《測量用電流互感器檢定規程》和JJG1021-2007《電力互感器檢定規程》都有相關的試驗方法和試驗線路，但是隨著電流互感器一次電流增大到幾萬安，電流越大，帶來的問題也越多，主要存在以下問題：

（1）試驗時，連接標準器和被檢電流互感器的一次回路要通過幾萬安的電流，如此大的電流對一次導體和連接方式提出了更高的要求，同時在超大電流的作用下存在發熱和電磁力的破壞作用；

（2）電流互感器一次所需的一次電流要通過升流裝置來產生，由于被試電流互感器體積龐大，一次回路長，所需輸出電壓提高，一次回路的感抗呈幾何倍數增加，升流裝置所需容量達到數百千瓦，這是很難做到的。

（3）試驗電源包含了試驗線路中一次回路，二次回路及各用電設備消耗的能量，試驗電源所需容量要大于升流裝置消耗的功率，達數百千伏安。

（4）超大電流所產生的強磁場會帶來電磁干擾，渦流損耗等破壞效應。

2.技術方案

本文介紹的超大電流互感器的校驗和溯源檢定裝置主要依據《JJG313-2010測量用電流互感器》、《JJG1021-2007電力互感器》等檢定規程采用比較測差法實現超大電流互感器的誤差校驗和標準電流互感器的量值溯源。本裝置的校驗目標為60000A電流互感器，裝置由300kW三相柱式調壓器、多臺抽頭式大電流發生器、0.02S級標準電流互感器、0.002級雙級電流互感器、互感器校驗儀、電流負荷箱、無功補償裝置、一次大電流接線裝置、溫控系統、油冷部分及校驗與控制軟件組成，系統準確度達0.02級。校驗系統示意圖如圖1所示。

2.1 互感器一次接線裝置的設計

互感器一次接線裝置主要是為標準電流互感器和被檢電流互感器提供檢定所需的一次電流，電流互感器比較線路中一次回路消耗很大的功率，達數百千伏安。互感器一次接線裝置應滿足以下試驗要求：（1）能提供和通過高達72000A的大電流；（2）考慮標準器和被試品的幾何尺寸，滿足實驗設備的安裝要求；（3）盡量減小一次回路消耗的功率；（4）滿足電流互感器實驗的溫升限值要求，采取必要的溫度監測和降溫措施。

圖1 校驗系統示意圖

互感器一次回路消耗功率為一次導體電阻所產生的有功功率和一次回路等效感抗所產生的無功功率的復數和。試驗表明，當一次電流大于5000A時，回路中無功消耗數倍于有功消耗。減小一次回路消耗的功率不僅要減小有功消耗，更主要是減小回路的無功損耗。

減小回路的功率消耗應采取以下措施：

（1）增大導體截面積；

（2）減小導體長度；

（3）盡量縮小回路包圍面積；

（4）采用多匝穿心，減小回路感抗；

（5）增大連接點接觸面積。

2.2 溫控和油冷卻系統

一次回路通過最大72000A電流時，一次回路導體本體及回路連接點以及導體接觸面會大量發熱。根據國標GB1208-2006《電流互感器》相關規定：互感器繞組出頭或接觸連接處的溫升不應超過50K；在鐵芯或其他金屬件表面所測得的溫升值，不應超過它們所接觸或靠近的絕緣材料相應的溫升限值。超過溫升限值會破壞互感器繞組絕緣，導致誤差測量的不準確，影響測試的穩定性，應采取溫控措施：

（1）溫度監測

采用溫度傳感器和16通道溫度巡檢儀，實時監測一次導體表面導體連接處，穿心導體接觸表面、互感器繞組和鐵芯溫度，一旦超過溫升限值應啟動冷卻系統。

（2）變壓器油冷卻系統

一次導體采用扁平銅管，空心部分注入變壓器油循環散熱，并輔助以強制風冷散熱。

2.3 升流裝置的設計

升流裝置為互感器一次回路提供大電流，包括升流器和無功補償裝置。

2.3.1 升流器的設計

升流器初級線圈連接調壓器的輸出，次級線圈接互感器一次回路，升流器的設計涉及其輸出電壓和輸出容量。升流的輸出容量S=UI，U為輸出電壓，I為輸出電流，U=I(R+jX)，升流器的輸出容量和輸出電流一旦確定，其輸出電壓就已確定，但是如果一次回路壓降大于其額定輸出電壓，電流就不可能額定輸出，為此設計了升流器的串并聯接線方式，加大其輸出電壓，同時也加大了升流器的輸出容量，連接方式如圖2所示。

圖2 升流器的串并聯結構

2.3.2 一次回路的無功補償

互感器一次回路的功率消耗，包括有功消耗和無功消耗，互感器一次回路方式一旦確定，其有功消耗就已確定，減少一次回路的無功消耗可減小升流器的容量，其無功損耗與電流平方成正比。實驗表明，當一次電流大于5000A時，回路中無功消耗數倍于有功消耗。減少無功損耗可大大降低升流器容量，決定無功損耗的主要措施是抵消感抗帶來的損耗，必須進行無功補償，無功補償有以下三種方式：升流器輸入端并聯電容補償、升流器輸出端并聯電容補償和升流器輸出端串聯電容補償。

2.4 減少大電流情況下的渦流損耗和集膚效應

大電流導體在穿過環形鐵芯時會在環形鐵芯產生與截面方向垂直的交變磁通，由電磁感應定律可知互感器二次會產生感應電勢，交變磁通包括主磁通和漏磁通及雜散磁通，漏磁通和雜散磁通會在磁性材料的截面感應出閉合的環形電流，也就是渦流，由渦流產生的損耗稱為渦流損耗。渦流損耗的存在會在電流互感器外殼，金屬結構件內部產生熱量，增加電源容量，同時增大了大電流噪聲。減少渦流損耗應將互感器外殼及金屬結構件加工成鋁合金材料，實驗證明，鋁合金材料可大大減少渦流損耗和大電流噪聲。

交變電流通過導體時，電流在導體橫截面的分布不均勻，導體表面的電流密度大于中心的密度，這種現象稱為趨膚效應，也稱集膚效應。集膚效應使導體通過交變電流的有效面積減小，導體的電阻增大，為了傳輸更大的電流，通常導體截面積較大，遠離表面的中心處，電流密度會明顯減小，因此，對傳輸交流大電流的導體會制作成截面積為長方形的銅排且不能太厚，對于工頻電流，導體為銅，其趨膚深度為8mm，本項目中選用的大電流導體為壁厚5mm的扁平空心銅管，空心銅管注油形成油循環作降溫處理。

2.5 標準電流互感器的設計

標準電流互感器包括：0.05S級電流互感器和0.002級雙級電流互感器，二者的電流比為10000～60000A/5、1A，由于標準電流互感器工作在由大電流產生的強磁場中，設計時必須考慮采取電磁屏蔽措施以保證其準確度。

標準電流互感器在設計時不僅要考慮按其參數和技術指標滿足指標要求的準確等級，還應采取電屏蔽的磁屏蔽及電磁屏蔽措施。首先在貼近環形鐵芯的外邊用導電良好的薄銅皮制成鐵芯護套，形成屏蔽層，同時避免環形護套會封閉造成鐵芯短路。其次，磁屏蔽采用由短接的屏蔽線圈構成，屏蔽線圈分為A、B、C、D四段，每段占鐵芯的一半周長，其中兩段繞向相反的并聯段與另外兩段繞線相反的并聯段，在空間位置上相差90°。

2.6 減少電磁干擾對二次設備的影響

標準器和被檢電流互感器工作在強磁場環境中，其二次側受電磁干擾影響，輸入互感器校驗儀的二次信號成分復雜，必須考慮強磁場對二次信號的影響，主要有兩方向影響：1、電磁輻射的影響，2、諧波影響。針對以上影響經實驗測試采取以下措施：1、輸入互感器校驗儀的二次測試線采用屏蔽雙級線，屏蔽層接地，雙級線對電磁場產生的影響互相抵消。2、對輸入互感器校驗儀的信號進行模擬濾波和數字濾波，模擬濾波由硬件電路實現；數字濾波由軟件通過降準，取平均數，增加采樣點數來實現。3、互感器校驗儀外殼加裝屏蔽并接地。

3.結語

本項目的實施解決了超大電流互感器向更高精度溯源的要求，對于發電機出口的電能計量提供了強有力的技術支持，保證了發電機電能計量的準確性，維護了發電廠發電的經濟效益。超大電流互感器溯源檢定系統的建立完善了國內計量器具量值溯源體系，對大電流互感器量值標準的傳遞做出了有益的探索。