電磁式電流互感器保護級的選擇與應用

鄶小娟　管永秋

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摘 要 電流互感器是電力系統一次側和二次側的主要連接部分，隨著對電力系統繼電保護的超負載和高速動作要求，電流互感器又成為了繼電保護中安全運行的重要元件，所以應該對保護用電流互感器的性能牢牢掌握， 我們才可以準確選擇和判斷電流互感器，對繼電保護裝置進行精確設置，確保繼電器快速動作，從而保證電力系統正常運行，在這里我們介紹了電流互感器的準確級及準確限值系數的選擇，二次輸出負荷的計算，伏安特性的分析，并通過詳細數據來認識保護用電流互感器。

關健詞 電流互感器保護級 準確級 二次負荷 準確限值系數 伏安特性

中圖分類號：TM4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）10-0005-03

在我國的電力系統中，發電機、變壓器及變電所等大型設備都要用到電流互感器，其中保護用電流互感器主要在電力系統非正常運行和故障狀態下給繼電保護裝置及類似電器傳遞信號作用。保護用電流互感器是在眾多保護設備中不可缺少的元件之一，電流互感器的主要作用是給測量儀器、儀表或繼電保護、控制裝置傳遞信息，使測量、保護和控制裝置與高電壓相隔離，其中保護用電流互感器對繼電保護的準確快速動作最為重要。保護級的計算要精確，否則可能會造成差動保護誤動或者拒動，都會影響設備安全運行。所以將保護級單獨設立為二次繞組，并對它的原理、特性和功能進行了解，我們就可以很好地進行選擇和應用，進而更有效的保護電力系統及設備。電流互感器在繼電保護中最常用的有微機保護和差動保護，首先根據設備的各個參數指標來設定要計算的繼電保護器的整定電流、最大短路電流飽和倍數，及二次所承載的負荷和線路損耗來確定電流互感器的保護級的精度和負荷。通過保護級的精度來確定電流互感器的鐵芯和誤差，通過拐點電壓和伏安特性曲線來分析保護級的保護性能。

1 保護級的選擇

對于保護用電流互感器準確級是以該準確級在額定準確限值一次電流下的最大允許復合誤差的百分數來標稱，以“P”或“PR”表示保護級.一般保護級復合誤差有5P或10P。它是由一次電流為穩態對稱電流時的復合誤差或勵磁特性拐點來確定的[1]。在這里5P和10P一般情況下可以通用，但是發電機和變壓器主回路及220kV以上電壓線路應用復合誤差較小的5P。 準確限值系數度有10、15、20、25、30等，額定輸出標準值為2.5VA，5VA，10VA，15VA，20VA，25VA，30VA，40VA，50VA等。例準確級5P15指互感器復合誤差為5%，準確限值系數為15。

2 保護級的誤差

保護用電流互感器的誤差只需測量額定電流下的電流誤差和相位差滿足GB20840.2-2013，保護用的誤差可按100%點的伏安特性來確定，詳見表1。

對互感器生產廠家來說，保護用誤差測試都是按額定一次電流這一點來測量的，只需要通過調試好的試驗設備來完成，無需重復計算。

3 準確限值系數計算及伏安特性曲線特性

額定準確限值一次電流是指電流互感器出廠時所標明的能保證復合誤差不超過該準確級允許的最大電流，也就是二次繞組的勵磁安匝與一次安匝的百分數不超過限值。保護用電流互感器的額定準確限值一次電流下的磁通密度，通常是電流誤差和相位差的相量和。計算出電流誤差εin（%）=sin（α+θ）×100;相位差δi（`）=cos（α+θ） ×3440。

在額定準確限值一次電流下復合誤差應小于10%。準確限值系數=。

下圖1為伏安特性的曲線圖，從圖中可以分析出電流互感器保護級的飽和程度，間接看出保護級的復合誤差。

如下圖1可見保護級選擇0.01，0.02，0.03，0.04，0.05五個點來電流所測得的電壓值畫出的曲線來分析飽和點的情況，此圖中拐點在0.036左右，未達到飽和，所以選用的5P20能達到20VA時可以長期運行。

4 電流互感器二次負載的計算

電流互感器的保護級用性能的基本要求，就是在規定使用條件下的誤差應在規定范圍內。由于電力系統中會經常出現短路故障，這樣會使電流互感器勵磁增加鐵心飽和，保護用互感器在過飽和狀態下，保證電流保護繼電器可正常工作，還要防止互感器二次電流不會引起誤動作，還要保證在特定故障點進電流互感器通過故障電流時，誤差不超過規定值[2]。初選鐵心截面積可以根據準確級和準確限值系數，保護級鐵心只能選擇飽和磁密較高的冷軋硅鋼板材料。為保證在額定準確限值一次電流下的復合誤差不超出規定的限值，忽略其它影響保護鐵心的磁密可按在額定準確限值一次電流下不高于1.6T。初步計算額定電流和額定二次負荷時的磁密的公式為：Bn=1.6/KALF，T，KALF-----額定準確限值系數。

計算誤差先計算二次繞組r2和二次繞組漏電抗X2，然后得出額定二次負荷Z2n。

額定二次負荷的有功分量和無功分量分別為：R2n= 0.8Z2n;X2n=0.6Z2n。

二次回路總阻抗：Z2ε=。

計算與二次電流相對應的二次繞組感應電勢E2=I2Z2，由此可得出鐵心磁通額度B，B=，T;

N2n----二次繞組額定匝數;

AC-------鐵心有效截面積，cm2;

再根據鐵心材料磁化曲線查出鐵心損耗角。

1.電流互感器的負荷通常由兩部分組成：一部分是所連接的測量儀表或保護裝置;另一部分是連接導線的接觸電阻。計算電流互感器負荷時應注意在不同接線方式和故障形態下的阻抗換算系數。

保護用電流互感器二次輸出負載為：Zb=ΣKrcZr+KlcR1+Rc。

Zr------繼電器電流線圈電阻，Ω對于數字保護可忽略電抗，僅計及電阻Rr。

R1-----連接導線電阻Ω。

Rc-------接觸電阻，Ω一般為0.05～0.1Ω。

Krc-------繼電器阻抗換算系數。

Klc-------連接導線阻抗換算系數。

電流互感器的二次負荷定值（Sbn）可根據實際負荷需要選用2.5、5、7.5、10、15、20、30VA。在某些特殊情況，也可選用更大的額定值。

2.保證在穩態對稱短路電流下的誤差。應根據實際情況選擇準確限值系數Kalf，暫態系數度KS=Kalf/K。穩態性能計算二次負荷一般應大于實際二次負荷，二次負荷包括二次連接導線、接地電阻和保護裝置，但是經常有Kalf不夠但二次輸出容量有裕度的情況。計算要精確，可以按二次極限電動勢或實際準確限值系數曲線來驗證：Esl=KalfIsn（Rct+Rbn）：

Kalf-----準確限限值系數;

Isn--------額定二次電流;

Rct--------電流互感器二次繞組電阻;

Rbn----------電流互感器額定負荷。

一般在互感器制作時要按低漏磁特性，二次繞組的電阻值選取時大500mΩ，計算連接導線的負荷時，一般情況下可忽略導線電感，而僅計及其電阻R2。

R2=ρ，Ω

L—電纜長度，m;

S—導線截面，mm2。電流回路采用2.5mm2及以上截面積的銅導線;

ρ—銅導線電阻系數，如變壓器套管型電流互感器，取75℃時的值，ρ=0.02135（Ω.mm2）/m。

3.二次輸出有功功率以阻抗值表示Z2

Z2=R2XI2n2

R2----二次電阻;

I2n----額定二次電流，A;

Z2----二次輸出，VA。

以上電流互感器應用在各電廠和變電所運行保護當中，為了避免互感器飽和，在選擇容量時要盡量降低保護用電流互感器所接的二次負荷，來減小二次感應電動勢。例如某變電站開關柜繼電保護為遠程集中控制，電流互感器初步選擇10P20，電纜長100m，導電為4mm2，需要二次負荷約12VA左右，初步選擇15VA。保護和自動裝置電流回路功耗應根據實際應用情況確定，其功耗與裝置實現原理和構成元件有關，且差別很大，選擇最終負荷應考慮以上損耗[3]。

5 保護用電流互感器應用

變壓器差動保護對變壓器主保護起著重要作用，在選擇電流互感器時應注意其參數及性能，保護級一般用10P10或10P15，二次負荷選用10VA或15VA即可，也會保證繼電器的速斷性。如有特殊情況，一般為遠程保護或是后備保護，它的線路較長，所接負荷和損耗也較大，要根據際情況選擇。

差動保護的要求，在參數選擇上保護級應該在10P15，二次負荷應在15VA以上保證差動足夠負載，減少鐵芯飽和程度。更重要的是進出線電流互感器伏安特性一致，負荷阻抗相同，剩磁相同，減少繼電器誤動或者拒動。

對于近程，遠程，后備保護分別給不同繼電器裝置提供信號，近程有速斷保護和II段保護，一般用保護用負荷來決定。因為近程保護距離較近，一般在本柜或上屋等安裝，這樣保護的倍數無需太高，二次輸出的負荷無需太大。所以在電流互感器參數也不需太大，這樣既降低了成本，也縮小了占用的空間。

6 結語

綜上所述對保護用電流互感器的特性分析可以看出在電力系統中如何正確的選擇保護電流互感器，要保證在其準確度滿足國標的技術參數下，互感器二次負荷標稱值選擇要造當，負荷偏大只會造成設備體積和增加，導致材料浪費、造價高;負荷偏低會導致互感器鐵芯飽和，會影響設備正常運行，甚至損壞。所以選擇保護電流互感器要從各個角度分析才能滿足它的電氣性能和機械性能。

參考文獻：

[1] 肖耀榮，高祖綿，朱英浩.互感器原理與設計基礎[M].遼寧：遼寧科學技術出版社，2003.

[2] 國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會.互感器（GB20840-2014）[M].北京：中國標準出版社，2004.

[3] 袁季修，盛和樂，吳聚業.保護用電電流互感器應用指南[M].北京：中國電力出版社，2004.