電流互感器檢定用測試設備的匹配問題

盧嘉棟

(山西省機電設計研究院有限公司，山西 太原 030009)

1 電流互感器檢定用測試設備的組成

根據JJG313—2010《測量用電流互感器》檢定規程的規定，檢定電流互感器采用比較測差法[1]，即采用同變比標準電流互感器(又稱標準器)與被檢電流互感器進行比較。檢定時，由電源設備為標準器和被檢電流互感器提供相同的一次電流，二者的二次電流輸入互感器校驗儀，由互感器校驗儀讀出被檢電流互感器相對于標準器的誤差。電流互感器的檢定線路如圖1所示。

圖1 電流互感器檢定線路

圖1中，TY為電壓調節器，SL為升流器，CT0為標準器，CTX為被檢電流互感器，Z為電流負荷箱，HE為互感器校驗儀，互感器校驗儀有電位差式校驗儀或數顯校驗儀。由圖1電流互感器檢定線路可知，檢定電流互感器用測試設備包括電壓調節器、升流器、標準電流互感器、互感器校驗儀和電流負荷箱等。

2 電壓調節器與升流器的匹配

在檢定電流互感器時，需要電壓調節器提供可調節的輸出電壓，升流器為標準器和被檢電流互感器提供一次電流。電壓調節器和升流器需匹配，二者的電壓和容量必須相當。

2.1 電壓調節器與升流器電壓匹配問題

由圖1電流互感器檢定線路可以看出，電壓調節器TY的電壓輸出端連接升流器SL的電壓輸入端，因此，二者的電壓必須相當。如電壓調節器的輸出電壓UT大于升流器的輸入電壓UL,則升流器可能因過載燒壞；如果UT小于UL，則升流器容量可能因輸入電壓不足而造成浪費。

2.2 電壓調節器與升流器容量匹配問題

在檢定電流互感器時，交流電源電壓調節器和升流器共同為標準器和被檢電流互感器提供一次回路電流，二者容量必須相當，如果電壓調節器的容量ST大于升流器容量SL則會造成“大馬拉小車”現象；而如果ST小于SL，則會造成“小馬拉大車”現象，在實際使用中只能按容量小的使用，容量大的會造成浪費。

2.3 電壓調節器與升流器容量計算

檢定電流互感器時，電壓調節器與升流器需要提供的容量有[2]：

(1) 標準器和被檢電流互感器自身的空載容量和其二次負荷容量S1(VA)：

S1=40～150.

(1)

(2) 電流互感器一次回路連接導線有功容量S2(VA)：

S2=K1Ien.

(2)

其中：K1為系數，K1=2 V～4 V；Ien為標準器額定一次電流值。

(3) 電流互感器一次回路連接導線無功容量S3(VA)：

(3)

其中：K2為系數，K2=(0.5～1)×10-3Ω。

故電壓調節器與升流器輸出容量S為：

S=S1+S2+S3.

(4)

將式(1)～ 式(3)代入式(4)可得：

(5)

3 標準器與互感器校驗儀的匹配

標準器是標定電流互感器檢定裝置整體準確級的最關鍵計量器具，互感器校驗儀是測量并指示被檢電流互感器相對于標準器的誤差測量裝置。互感器校驗儀工作回路內阻抗給標準器帶來負荷，同時檢定電流互感器時，校驗儀差流回路內阻抗給標準器和被檢電流互感器帶來大小相等、符號相反的附加負荷[3]。

3.1 標準器的選擇和技術性能要求

標準器包括標準電流互感器和電流比例標準器，通常使用標準電流互感器、雙級電流互感器或補償式電流比較儀等，其一次電流值為GB20840.1—2010《互感器第1部分：通用技術要求》和GB/T20840.2—2014《互感器第2部分：電流互感器補充技術要求》規定的額定值，其二次電流通常為5 A和1 A，準確度級別范圍為0.05～0.001級或0.05S～0.001S級。

標準器與被檢電流互感器的額定電流比相同，準確級至少比被檢電流互感器高兩個級別，其實際誤差不大于被檢電流互感器誤差限值的1/5，其實際二次負荷不應超出額定和下限負荷范圍，誤差回路負荷應包括在實際二次負荷之內。由此可得出標準器的誤差限值，如表1和表2所示。

表1 標準電流互感器誤差限值

由表1和表2可以看出：對于標準器的誤差限值要求，當標準器比被檢互感器高兩個準確級時，對于0.05級和0.05S級以及0.005級和0.005S級標準器，其誤差限值比JJG313—2010《測量用電流互感器》中表1和表2規定的誤差限值嚴格。

表2 特殊用途標準電流互感器誤差限值

3.2 互感器校驗儀工作回路阻抗與標準器負荷的匹配

互感器校驗儀工作回路阻抗包括采樣電阻或等值電阻與連接導線電阻之和；標準器負荷為互感器校驗儀工作回路阻抗和差流回路附加負荷等值阻抗之和，負荷值范圍通常為0.1 Ω～0.2 Ω。校驗儀工作回路一般有兩種采樣方式：①電阻采樣，其電阻值R01=0.1 Ω；②互感器采樣，其阻值R0≤0.01 Ω。對于第一種方式，只要互感器校驗儀工作回路的連接導線電阻值R02≤0.1 Ω，則校驗儀工作回路阻抗R0=0.1 Ω～0.2 Ω，符合標準器負荷范圍。對于第二種方式，則需要在連接導線電阻中串接0.1 Ω電阻，使R0=0.1 Ω～0.2 Ω。

標準電流互感器的二次電流大都是5 A的，常用的標準器變比范圍為(5～2000/5)A或(5～5000/5)A。要檢定二次電流為1 A的電流互感器，可以通過5 A的標準器與5/1 A的電流互感器級聯進行檢定，如圖2所示。

圖2中，CT01為二次電流5 A標準器，CT02為用于級聯的5/1 A電流互感器或5/1 A自耦式電流互感器。

圖2 電流互感器級聯檢定線路圖3 測標準器二次負荷阻抗線路

對于級聯電流互感器的檢定線路，按規定CT01和CT02的二次負荷都應在其額定負荷和下限負荷之間，應為0.1 Ω～0.2 Ω。

對于5/1 A級聯電流互感器，由于自耦式電流互感器的誤差小于一般互感器，且其一次輸入電阻也小于一般電流互感器，更適合于級聯線路中用于下一級的標準電流互感器，建議在級聯線路中使用自耦式電流互感器。對于標準器二次回路阻抗可通過電流互感器參數測量線路來測定，以考核標準器二次回路負荷是否符合規程規定要求，測標準器二次負荷阻抗線路如圖3所示。測試時，選擇互感器校驗儀的測阻抗功能，在20%額定電流點測標準器二次回路的負荷阻抗，其阻抗值應在標準器額定負荷和下限負荷之間。

4 互感器校驗儀差流回路附加負荷與標準器負荷的匹配

互感器校驗儀差流回路有阻抗壓降，給標準器和被檢互感器分別帶來大小相等、正負相反的附加負荷。附加負荷的大小和相位不僅與差流回路內阻有關，而且與校驗儀誤差有關[4]。設差流回路內阻為Rd，被檢互感器的誤差限值為εm，最大附加負荷等值阻抗為ZF，產生的附加負荷誤差稱為附加誤差，則：

εm=fm+jδm.

(6)

ZF=Rdδm=Rd(fm+jδm).

(7)

其中：fm為比值差最大值；δm為相位差最大值。

JJG313—2010《測量用電流互感器》規定：互感器校驗儀差流回路附加二次負荷引起的測量誤差，即附加誤差不大于被檢互感器的誤差限值1/20。一般標準器和被檢電流互感器的最小額定負荷阻抗為0.2 Ω，如果ZF<(1/20)Zon(Zon為額定負荷下二次回路總阻抗)，則附加誤差對標準器和被檢電流互感器均可忽略不計[5]；而對于標準器為雙級電流互感器，且用于電位差式校驗儀和數顯校驗儀，這時雙級電流互感器就成為雙級補償電流互感器，校驗儀差值回路的附加負荷就是它的負荷，稱為雙級負荷。雙級電流互感器的誤差主要決定于差流回路附加負荷[6]，如果雙級電流互感器用作標準器在任意電位差式校驗儀和數顯校驗儀上進行誤差測試，假設Rd=5 Ω，雙級電流互感器的雙級負荷與被檢電流互感器的對應關系如表3所示。

表3 雙級電流互感器的雙級負荷與被檢電流互感器的對應關系

5 結束語

用于檢定電流互感器的標準器，其準確級決定了電流互感器檢定裝置或檢定系統整體的準確度，標準器在使用時其二次回路實際負荷阻抗必須是額定負荷阻抗和下限負荷阻抗之間任一值，標準器二次回路實際負荷高于額定負荷或低于下限負荷都不能保證標準器的準確級；用于檢定高準確級電流互感器的雙級電流互感器，其雙級負荷必須與互感器校驗儀差流回路附加負荷相匹配，可通過互感器校驗儀的性能參數來確定標準器的有效性，二者單獨送檢合格并不意味著檢定裝置或檢定系統整體合格；另外，電壓調節器和升流器的電壓和容量必須相當，相互匹配，二者的額定容量才能有效利用，達到全量程測試的目的。