化工企業低壓電流互感器二次側額定電流探討

李長啟, 向少鋒

(湖北省化學工業研究設計院, 湖北 武漢 430073)

0 引 言

電流互感器是保證企業用電安全、經濟運行的重要工具。電流互感器除應滿足測量儀表對準確度的要求外,尚應滿足一次側回路額定電流、額定電壓、最大負荷電流及短路時的動、熱穩定要求[1]。

本文主要結合化工企業工程設計,分析低壓測量用電流互感器二次側額定電流的選擇,以及在選擇過程中所需注意的問題。

1 基本原理及相關規定

電流互感器是將數值較大的一次側電流通過一定的變比轉換成1 A或5 A的二次側額定電流。正常工作時電流互感器二次側處于近似短路狀態,輸出電壓很低,若二次側繞組開路,會在二次側產生數千伏的過電壓。這不僅給二次側絕緣造成危害,還會使互感器過激而燒損,甚至危及運行人員的生命安全,故電流互感器二次側回路不得開路。同時為防止因一次側、二次側線圈之間的絕緣損壞出現高壓擊穿時,將導致高壓竄入低壓,需將二次側線圈有一點接地,使二次側線圈保持地電位,從而確保了人身及設備的安全。

對于低壓系統電流互感器額定二次側電流的選擇,雖然電力行業規程[2]第9.2.2條規定了1 kV及以下系統電流互感器額定二次側電流宜采用1 A,但在國家規范[3]中卻沒有明確這點。另外規程[2]第3.3.1條規定“電流互感器額定二次側電流宜采用1 A,如有利于互感器制作或擴建工程,以及某些情況下為降低電流互感器二次側開路電壓,額定二次側電流也可采用5 A”。綜合上述要求,電流互感器二次側額定電流應結合項目實際統一考慮。

額定輸出標準值與額定二次側電流對應關系如表1所示。根據規程[2]第3.3.2條規定,電流互感器額定輸出標準值宜采用表1中的數據,同時根據式(1)可推算出二次側回路允許負荷Zbp。

表1 額定輸出標準值與額定二次側電流對應關系

I2sNZbp=Ss

(1)

式中:IsN——電流互感器的二次側額定電流;

Zbp——電流互感器的二次側回路允許負荷;

Ss——電流互感器的二次側負荷。

2 二次側回路計算

二次側是采用5 A還是1 A,與電流互感器的額定輸出標準值、導線截面、導線長度以及所接儀表均有關系,下面將以此展開分析。

測量用電流互感器二次側負荷可按下式計算:

Zb=∑KmcZm+KlcZl+Rc

(2)

Zl=ρL/A

(3)

式中:Kmc——儀表接線阻抗換算系數,單相時為1;

Zm——儀表電流線圈的阻抗;

Klc——連接線阻抗換算系數,單相時為2;

Zl——連接導線單程的阻抗,可忽略電抗,僅計及電阻;

Rc——接觸電阻,可取0.05～0.10 Ω;

ρ——線路導電率,銅取0.018 6 Ω·mm2/m;

L——線測量回路線路計算長度;

A——線測量回路線路截面積。

根據規范[3]第8.1.5條規定,對一般測量回路電纜芯線截面,當二次側電流為5 A時,不宜小于4 mm2,二次側電流為1 A時,不宜小于2.5 mm2。將不同測量線路截面、不同線路長度的功率損耗計算,額定二次側1 A時測量線路的功耗如表2所示;額定二次側5 A時測量線路的功耗如表3所示。

表2 額定二次側1 A時測量線路的功耗

表3 額定二次側5 A時測量線路的功耗

目前電力工程中已采用智能測量儀表,其二次側負荷很小,影響互感器額定二次側負荷選擇的主要因素是連接電纜長度和截面大小[2]。測量用電流互感器的二次側負荷值不應超出25%～100%額定負荷。很多用戶認為互感器的額定負荷選得越大越好,這個觀點是不正確的,因若二次側負荷太大,會影響電流互感器的測量精度[4-5]。

由表2可以看出,額定二次側電流為1 A的電流互感器適合距離較遠時采用,導線截面采用2.5 mm2已足夠。比如當距離為200 m時,接觸電阻容量按0.1 VA計,電流表按0.7 VA計,總二次側容量為3.776 VA,可以選擇容量為5 VA或者10 VA的電流互感器。

由表3可以看出,若距離較遠且又想采用額定二次側電流為5 A的電流互感器,一方面要提高導線截面,另一方面也要提高二次側允許容量,非常不經濟。如當距離為200 m時,必須采用6 mm2的導線,接觸電阻按2.5 VA計,電流表按0.7 VA計,總二次側容量為34.2 VA,需要選擇容量為40 VA或者50 VA的電流互感器。其經濟性顯然不如額定二次側電流為1 A的電流互感器。

3 工程設計分析

化工企業電力變壓器后的低壓配電方案中,以下面三種典型回路進行電流互感器的應用分析(其他行業可參考)。

3.1 變壓器主斷路器回路

萬能式斷路器一般由斷路器廠家自帶電流互感器,本文不做討論。另一般在總進線處設置電流互感器,用于電流表或功率表。根據變壓器容量、低壓母線規格、一次側額定電流,可以看出二次側額定電流是5 A或1 A時的價格對比,變壓器后母排電流互感器選型及價格對比如表4所示。

表4 變壓器后母排電流互感器選型及價格對比

由表5可以看出,當電流互感器二次側額定電流為1 A時,因其繞線圈數要遠遠多于二次側額定電流為5 A的電流互感器,故二次側額定電流為1 A的電流互感器價格較5 A要高。變比越大,其之間的價格差別也越大。

因電流互感器與儀表的距離非常短,此處二次側額定電路可選5 A或1 A。從價格方面考慮,變比越大時,5 A的價格優勢就會越明顯。二次側額定電流若選擇5 A,其導線和距離可按4 mm2、10 m考慮,容量為2.325 VA,接觸電阻容量按2.5 VA計,電流表按0.7 VA計,總二次側容量為5.525 VA,則容量為5 VA的電流互感器不能滿足要求,可選擇容量為10 VA、15 VA的電流互感器。

3.2 電動機回路

智能電動機控制器用電流互感器一般由控制器廠家成套供貨,本文不做討論。根據規范[3]第3.2.1條規定,55 kW及以上的電動機以及工藝要求監視電流的其他電動機,應測量交流電流。另根據石化規范[4]第9.3.9條規定,37 kW及以上電動機或工藝需要監視電流的電動機,機旁宜裝設電流表。這兩條結合起來看,化工工程設計一般會在37 kW及以上電動機現場操作柱上設置電流表。

因考慮變配電所需設置在爆炸危險區域之外(若變配電所處于爆炸區則需正壓通風),且部分車間或裝置占地較大,致使現場電動機距離配電柜的距離較遠,一般可達100～200 m或更遠,此時電流互感器可選用二次側額定電流為1 A,控制電纜選用2.5 mm2。若選用二次側額定電流為5 A的電力互感器,會因距離增加引起線路負荷太大,大大增加電流互感器容量,且控制電纜截面也需增加至4 mm2或更大,從經濟性和可操作性來看,顯然不合理。

3.3 饋線回路

低壓饋線回路電流表一般設置在柜體上,電流互感器與電流表之間的距離非常近。電流互感器二次側額定電流5 A和1 A均可選用。但應注意若選用5 A時,導線截面宜按4 mm2。

4 結 語

經過上述分析,可以看出電流互感器二次側額定電流5 A和1 A各有其使用范圍及使用要求。對于距離較遠時,應選用二次側額定電流為1 A的電力互感器。當電流互感器與測量儀表距離較近(比如在同一箱柜)時,可以從線圈制造引起價格不同的經濟性考慮,選用5 A或1 A。若選用額定二次側電路為5 A的電路互感器,應重點注意導線截面、控制距離長度并應核算其實際二次側容量。