一種便攜式電流互感器二次回路檢測(cè)裝置

賈子然

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引 言

電力系統(tǒng)一次設(shè)備的電流較大、電壓較高，直接測(cè)量電流非常危險(xiǎn)。為了便于測(cè)量、保護(hù)和控制，需要將一次電流轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的二次電流。電流互感器（CT）起到了電流變換和電氣隔離作用，是電力系統(tǒng)內(nèi)最重要的一次設(shè)備之一。電流互感器是一種特殊的變壓器，能將較大的一次電流變換為較小的二次電流，一次繞組串聯(lián)在一次導(dǎo)體中，匝數(shù)較小，二次繞組連接二次負(fù)載，匝數(shù)較大。這種結(jié)構(gòu)要求其二次回路嚴(yán)禁開(kāi)路，否則產(chǎn)生的高壓將嚴(yán)重威脅設(shè)備和人身安全。電流互感器二次開(kāi)路還會(huì)導(dǎo)致保護(hù)控制裝置無(wú)法確切的感知一次電流，造成保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)等事故，威脅電網(wǎng)穩(wěn)定。

鑒于電流互感器及其二次回路的重要性，電力系統(tǒng)對(duì)新投運(yùn)電流互感器有著非常細(xì)致的檢驗(yàn)流程，如伏安特性試驗(yàn)、極性試驗(yàn)、絕緣及一點(diǎn)接地試驗(yàn)以及一次升流試驗(yàn)等。然而對(duì)于部分停電時(shí)間較短的工作，需要變動(dòng)電流互感器二次回路的情況，往往不具備條件完整的進(jìn)行新檢試驗(yàn)項(xiàng)目，因此產(chǎn)生了電流互感器二次回路二次開(kāi)路的風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)電流互感器的二次特性進(jìn)行了分析，并提出了一種檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流互感器二次開(kāi)路故障的快速檢測(cè)。

1 電流互感器二次回路特性分析

電流互感器依據(jù)電磁感應(yīng)原理，一次匝數(shù)很小，流過(guò)恒定的一次電流；二次匝數(shù)較多，工作在近似短路狀態(tài)，二次電流：

由于一次繞組的I1N1和二次繞組的I2N2在鐵芯中感生的磁鏈相互抵消，鐵芯工作在非飽和狀態(tài)，電流互感器保持著理想變壓器的線性轉(zhuǎn)變特性。如果其二次側(cè)開(kāi)路，一次繞組的I1N1維持不變，二次側(cè)I2N2=0，一次側(cè)的磁鏈完全加在鐵芯中，在一次電流較大的情況下，鐵芯完全飽和，飽和磁鏈在電流互感器二次側(cè)感應(yīng)出很高的二次電壓，其理論有效值[1]：

其中，K為鐵芯特性系數(shù)，Ac為磁路有效截面積、Lc為磁路平均長(zhǎng)度，I1為一次電流有效值，N1、N2為一次側(cè)、二次側(cè)的匝數(shù)。

可見(jiàn)電流互感器二次側(cè)開(kāi)路電壓與鐵芯飽和極限、二次繞組匝數(shù)、一次電流大小正相關(guān)，實(shí)際運(yùn)行中，有些電流互感器二次繞組的開(kāi)路電壓會(huì)達(dá)到上萬(wàn)伏。

鐵芯飽和情況下，一個(gè)周期內(nèi)其磁滯回曲線包圍了更大的面積，如圖1所示。磁滯回線所包圍的面積正比于在一次循環(huán)磁化中的能量損耗，包括磁滯損耗和渦流損耗。因此，飽和的鐵芯會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，易造成電流互感器損壞。

圖1 磁滯回曲線

2 各類(lèi)繞組的伏安特性試驗(yàn)

電流互感器的伏安特性試驗(yàn)是指在電流互感器一次側(cè)開(kāi)路的情況下，電流互感器二次側(cè)勵(lì)磁電流與電流互感器二次側(cè)所加電壓的關(guān)系曲線，實(shí)際上就是鐵芯的磁化曲線，該曲線在初始階段表現(xiàn)為線性，在鐵芯接近飽和狀態(tài)時(shí)，隨著電壓升高，電流急劇增大，伏安特表現(xiàn)為非線性[2]。

電力系統(tǒng)對(duì)電流互感器二次繞組準(zhǔn)確級(jí)一般有抗飽和和高精度兩個(gè)不同方面的要求。對(duì)于保護(hù)裝置等需要在故障電流下要求保證精度范圍的選用抗飽和能力強(qiáng)的P級(jí)甚至TPY級(jí)繞組，對(duì)于測(cè)量、計(jì)量等只要求正常負(fù)荷電流下高精度的裝置，一般采用0.5、0.2、0.2 s等準(zhǔn)確級(jí)的繞組。

圖2是幾種類(lèi)型的電流互感器二次繞組伏安特性示意圖。在線性區(qū)，準(zhǔn)確級(jí)為0.2 s的繞組曲線更貼近U軸，即勵(lì)磁電流更小，傳變特性更接近式1，精度更高。隨著電壓增大，0.2 s很快達(dá)到飽和拐點(diǎn)，失去線性特性，而5P40繞組在電壓1.1kV左右達(dá)到飽和拐點(diǎn)，說(shuō)明其在40In下帶5 A電流系統(tǒng)5 Ω的二次負(fù)載（一般二次負(fù)載遠(yuǎn)小于5 Ω）依然可達(dá)到線性轉(zhuǎn)變，而為抗飽和特性專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的TPY的飽和拐點(diǎn)電壓高達(dá)11kV。

圖2 不同類(lèi)型二次繞組的伏安特性

伏安特性試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)電流互感器的二次帶負(fù)荷能力和二次繞繞組是否有匝間短路情況，拐點(diǎn)電壓一般在線性區(qū)的末端。然而由于伏安特性曲線實(shí)際上就是鐵芯的磁化曲線，可反映鐵芯的抗飽和能力[3]，伏安特性曲線的電壓上線也可一定程度反映電流互感器二次開(kāi)路的電壓。伏安特性試驗(yàn)的線性區(qū)內(nèi)，測(cè)量阻抗相當(dāng)于鐵芯的勵(lì)磁阻抗，是一個(gè)很大的值，利用電流互感器二次繞組勵(lì)磁阻抗很大的特性，可實(shí)現(xiàn)在不斷開(kāi)二次繞組側(cè)的情況下測(cè)量二次負(fù)載側(cè)的回路完好性。

3 檢查電流互感器二次開(kāi)路的現(xiàn)有方式及其缺陷

在保護(hù)設(shè)備停電定檢時(shí)，為防止電流互感器繞組側(cè)分流影響精度，一般會(huì)斷開(kāi)電流互感器二次連片，將電流加入保護(hù)裝置側(cè)。一般恢復(fù)連片后不具備通過(guò)一次升流試驗(yàn)檢驗(yàn)二次回路完好的條件。現(xiàn)有的做法是在最靠近電流互感器繞組的端子排（一般是開(kāi)關(guān)端子箱或匯控箱）用萬(wàn)用表測(cè)量電流互感器二次回路電阻，實(shí)際測(cè)量阻值是二次回路負(fù)載與電流互感器繞組電阻的并聯(lián)。這種測(cè)量方式有兩個(gè)問(wèn)題：第一，如果二次負(fù)載側(cè)有串聯(lián)較大電感無(wú)法發(fā)現(xiàn)；第二，針對(duì)一些變較小的二次繞組（尤其是5 A電流系統(tǒng)），由于二次匝數(shù)較小，繞組截面積較大，其繞組側(cè)電阻可能很小，即使在二次負(fù)載側(cè)開(kāi)路的情況下也會(huì)測(cè)得較小的電阻，失去發(fā)現(xiàn)二次開(kāi)路情況的機(jī)會(huì)。如果在開(kāi)關(guān)端子箱打開(kāi)連片測(cè)量，本身又變動(dòng)了電流回路，易造成新的隱患。

在技改項(xiàng)目大規(guī)模變動(dòng)過(guò)電流互感器二次回路后，往往也不具備一次升流試驗(yàn)條件，一般采用繼保試驗(yàn)儀對(duì)變動(dòng)后的電流互感器二次回路進(jìn)行二次升流試驗(yàn)，結(jié)合交流壓差測(cè)量，檢查回路完好性。繼保試驗(yàn)儀本身是較大型的裝置，不便于攜帶，而且必須外接試驗(yàn)電源才能使用，可操作性不強(qiáng)。

4 CT開(kāi)路測(cè)試儀的設(shè)計(jì)思路

為避免電流互感器二次回路繞組側(cè)電阻過(guò)小干擾對(duì)二次負(fù)載側(cè)的檢驗(yàn)效果，保證檢驗(yàn)效果與正常運(yùn)行時(shí)的電流情況類(lèi)似，采用一種工頻阻抗測(cè)試裝置，測(cè)量接線如圖3所示，測(cè)量位置在最接近電流互感器二次繞組的位置（開(kāi)關(guān)端子箱或電流互感器二次接線盒），測(cè)量作業(yè)不需對(duì)電流互感器二次回路作任何變動(dòng)。

圖3 測(cè)試回路電路

其中，Rc、Xc為電流互感器繞組側(cè)的電阻、電抗，Rl、Xl為電流回路二次負(fù)載側(cè)包括導(dǎo)線及裝置的電阻、電抗。實(shí)測(cè)阻抗為兩側(cè)工頻阻抗的并聯(lián)：

對(duì)于各種類(lèi)型的電流互感器二次繞組與各種二次負(fù)載，有Xc＞＞Rc,在二次次負(fù)載未開(kāi)路的情況下有Xc＞＞R1，Xc＞＞X1，此時(shí)式（3）化為：

而當(dāng)負(fù)載側(cè)開(kāi)路時(shí)，有Xc＜＜R1，Xc＜＜X1，式（3）化為：

5 對(duì)測(cè)試儀器的技術(shù)要求

在所有變動(dòng)過(guò)電流互感器二次回路的工作后應(yīng)對(duì)二次回路進(jìn)行測(cè)試檢查，地點(diǎn)一般位于高壓場(chǎng)地，要求測(cè)試設(shè)備必須具備足夠的便攜性，采用電池作為工作電源。

測(cè)試儀器工作時(shí)相當(dāng)于在二次負(fù)載上加入了一個(gè)電流，因此一般不直接用于測(cè)量未停用保護(hù)設(shè)備的二次繞組。為防止操作人員對(duì)繞組判斷錯(cuò)誤導(dǎo)致將測(cè)試電流加入運(yùn)行設(shè)備造成保護(hù)誤動(dòng)，要求測(cè)試儀器的測(cè)量電流必須小于最小保護(hù)啟動(dòng)電流值，二次測(cè)試最大電流應(yīng)小于80 mA。測(cè)量阻抗在不同頻率下有所不同，為保證測(cè)試結(jié)果最接近運(yùn)行實(shí)際，要求測(cè)量阻抗必須基于工頻50 Hz[4]。

6 結(jié) 論

電力系統(tǒng)保護(hù)與控制非常依賴(lài)對(duì)電流的采集測(cè)量，而電流互感器是其中最重要的設(shè)備之一，根據(jù)以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電流互感器開(kāi)路造成的保護(hù)拒動(dòng)、設(shè)備損壞事故頻頻發(fā)生，是作業(yè)的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。外觀檢查、萬(wàn)用表測(cè)量等現(xiàn)有技術(shù)手段不能實(shí)現(xiàn)對(duì)電流互感器二次回路完好性快速準(zhǔn)確的檢驗(yàn)，使用繼保儀進(jìn)行二次通流也不具備很強(qiáng)的可操作性。

通過(guò)對(duì)電流互感器結(jié)構(gòu)和工作原理的分析研究后，利用其特殊的特殊性、二次繞組回路的高抗特性、伏安特性的線性進(jìn)行初始設(shè)計(jì)。提出了一種便攜式電流互感器二次回路檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)思路及測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)在相關(guān)工作后快速準(zhǔn)確地判斷電流互感器二次回路的完好性，避免電流互感器開(kāi)路事故的發(fā)生。