電流互感器二次回路電流信號自動化校驗技術

胡建宇

（赤峰市產(chǎn)品質量檢驗檢測中心，赤峰 024005）

要確保電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，就必須要清楚地了解電網(wǎng)中各種實時運行參數(shù)[1]，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，保護設備在第一時間迅速做出響應，這就要求變流器能夠準確地把一次大電流變換成二次小電流[2]。對于新建的電廠、變電站，在有條件的情況下，變壓器的二級電流應選擇1 A。如果在變電站擴建工程中，原變壓器為5 A 時，那么二級電流也應選擇5 A，以保證全變電站二次電流的一致性。電流互感器主要用于繼電器，其具有良好的抗飽和性能[3]，當線路出現(xiàn)短路、過載等故障時，可將系統(tǒng)的工作狀況反饋給繼電器，從而作出正確的判斷，從而保障電力系統(tǒng)的安全[4]。

文獻[5]提出了一種基于自動檢定裝置的校驗方法，采用傳輸標準和驗證準則，在各實驗室進行量值的傳輸，從基礎誤差、重復性、一致性、誤檢率、錯誤率5 個維度進行量值追溯，并由休哈特控制圖實時反饋檢測誤差，完成對自動檢驗系統(tǒng)的量值追溯和在線監(jiān)測。文獻[6]從電壓互感器結構出發(fā)，對其測量電流凹陷的誤差進行分析，建立模擬模型，對暫降初相角度、剩余電壓、電流互感器參數(shù)、負載對電流凹陷持續(xù)時間、凹陷幅度、相位跳躍等特征量的影響和敏感性分析，最后，針對由于電流凹陷的不確定性，采用虛擬阻抗補償技術對電流互感器電壓流陷完成信號校驗。

但上述文獻沒有考慮到磁滯回線引發(fā)的能量損耗問題，校正后結果容易導致二次繞組死區(qū)。因此，本文所提電流互感器二次回路電流信號自動化校驗技術，不僅分析了電流互感器二次回路特征，還計算了磁滯損失和渦流損失，得出互感器的相位差會導致二次回路電流信號出現(xiàn)異常，通過校驗電流互感器二次回路電流負荷，計算電纜最大容許長度，確保設備正常運行。

1 電流互感器二次回路電流特征分析

電流互感器根據(jù)電磁感應原理[7]，一次繞極小，一次電流不變；二次匝數(shù)大，工作在接近短路的情況下，二次回路電流表達式為

式中：N1和N2為一次、二次側匝數(shù)。由于一次線圈I1N1與二次線圈I2N2在鐵心內感應出的磁鏈互相抵消[8]，使得線圈處于非飽和狀態(tài)，從而導致電流互感器具有理想變壓器的線性轉換特性。若二次側斷開，一次側的I1N1保持不變，二次側I2N2=0，一次側的磁鏈全加在鐵芯上，一次大電流使鐵芯完全飽和，而二次磁鏈在二次側上形成一個很高的二次電壓，其有效數(shù)值表達式為

式中：K 為鐵心特征系數(shù)[9]；AC為磁路的有效截面；LC為平均長度；I1為一次有效電流。電流互感器二次側開路電壓與變壓器二次繞組匝數(shù)、一次電流的大小成正比關系。

當磁心處于飽和狀態(tài)時，磁滯回線會環(huán)繞較大的區(qū)域，如圖1 所示。磁滯回線所圍繞的區(qū)域與一次周期磁化時的能量損失成比例，其中包含了磁滯損失和渦流損失。這樣，飽和鐵心就會產(chǎn)生較大的熱量[10]，容易導致電流互感器的失效。

圖1 磁滯回曲線Fig.1 Hysteresis loop curve

2 電流互感器二次回路電流信號異常原因分析

電流互感器在工作時，飽和鐵心會產(chǎn)生較大的熱量，導致二次回路電流信號出現(xiàn)各種異常。電流互感器模數(shù)轉換及數(shù)據(jù)處理帶來的延遲[11]，使得相位差指數(shù)不能滿足要求，因此計算新的相位誤差，用于后續(xù)校正。

極坐標的相位差φ＝φs-φp，如圖2（a）所示，其中φp為一次電流相量Ip的相位位移，φs為二次電流相量Is的相位偏移，Kr為變率。當Is在Ip之前，那么φ＞0。相位誤差φe=φ-（φ0r+φtdr），如圖2（b）所示，φ0r為額定的相位偏差補償，φtdr=-2π ftdr為由額定時延tdr造成的相位偏移，f 為頻率。無積分環(huán)空心線圈型[12]互感器的φ0r=90°，而其他電流互感器的φ0r＝0°，則表示所有其他的相位偏離都要計入tdr。電流信號輸出的Is通常會延遲為Ip，也就是φ＜0，如圖2（c）所示，因為修正后的tdr工作和φ 呈相反位置[13]，所以φe＜φ。圖2（d）中實際測量的相量參照圖，通過將基準系統(tǒng)的相量添加到圖2（c）中得到。分析電流信號異常情況，首先采用取樣技術將基準系統(tǒng)數(shù)字化，然后將其與測量互感器的輸出進行對比。很明顯，基準系統(tǒng)的相位差φr包括由部件[14]造成的相位偏移φer以及在取樣處理中延遲tdrr。實際運行得到相位差為測量互感器與基準系統(tǒng)輸出相之間的角差，也就是在圖2（d）中，最底端兩個相位之間的角為φm。

圖2 電流互感器信號異常圖Fig.2 Current transformer signal abnormality diagram

由于基準體系的tdrr和φer更精確，所以可以對整體的測試體系進行修正。將φ0r略去，將其設置為0°，φr=φer-2π ftdrr，則測量互感器的相位誤差表達式為

3 電流互感器二次回路電流信號自動化校驗技術

3.1 單相互感器單電流表

通過單相互感器二次回路電流負荷的實際值計算過程為

一個等級為0.5 的電流互感器，其額定為S2=10 VA。

二次額定電流I2n=5 A，S2=10 VA=52×Z2?25R2，二級額定電流I2n=1 A，S2=10 VA=12×Z2?R2。

當負荷電流達到0.5 級時，電流互感器二次回路的總電阻R2≤0.4 Ω，5 A 電流互感器在二次端；R2≤10 Ω，1 A 電流互感器在二次端。

由于軸的功率通常比電機的額定功率小，所以實際的二次負載都要比額定的電流小。舉例：一臺55 kW 的電動機In=102.5 A，選擇LMZJ1-0.5，150/5（1）A 的電流互感器，輸出功率為42 kW，自動校驗電纜的長度為230 m，實際負荷電流為78.5 A。

也就是自動校驗二次回路電流負荷是：I2sj＝2.62 A，5 A 電流互感器在二次側；I2sj＝0.523 A，1 A 電流互感器在二次側。

當負荷電流達到0.5 級時，電流互感器二次回路的總電阻值為R2≤1.46 Ω，5 A 電流互感器在二次側；R2≤36.5 Ω，1 A 電流互感器在二次側。

按照式（4）來計算自動校驗電流互感器二次回路的總電阻：

式中：Kj×1為連接互感器導線的接線因數(shù)，Kj×1＝2；Rdx為接線的電阻，Rdx＝ρL/S；銅導線ρ=0.0184 Ω·mm2/m[15]；Kj×2為測量儀器的導線因數(shù)，Kj×2=1；Zcj為測量儀器的內部電阻，Zcj=1 VA，但實際電流負荷為0.5 VA；因此，Zcj?Rcj=1 VA/52=0.04 Ω，或者為Zcj?Rcj=1 VA/12=1.0 Ω；Rjc為互感器線接觸電阻，其中Rjc＝0.05 Ω。

因此，整個二次側阻抗為Z2＝2 ρL/S+0.09 Ω或者Z2＝2ρL/S+1.05 Ω。

將L=230 m，S=1.5（2.5）mm2，ρ=0.0184 Ω·mm2/m代入二次側阻抗中能夠得到：

5 A 電流互感器，1.5 mm2電纜：Z2＝2 ρL/S+0.09 Ω＝5.73 Ω＞1.46 Ω，未達到標準。

1 A 電流互感器，1.5 mm2電纜：Z2＝2 ρL/S+0.09 Ω＝6.69 Ω＜36.5 Ω，達到標準。

按照式（5），計算出自動校驗控制纜線的最大容許長度：

式中：S2為電流互感器二次額定負荷；Scj為測量儀器負荷；S 為連接線截面；I2n為電流互感器二次額定電壓，1 A 或5 A；I1n為電流互感器一次額定電流；I1為一次電流互感器的實際操作電流；Kj×1為接線的接線因數(shù)，Kj×1＝2；Kj×2為測量儀器的導線因數(shù)，Kj×2＝1；在二次額定電流為1 A、二次負荷為10 VA 時，所述自動校驗控制電纜的橫截面為1.5 mm2，則符合0.05級的電纜最大容許長度為

在二次額定電流為5 A、二次負荷為10 VA 時，所述控制電纜的橫截面為1.5 mm2，所述0.5 級的電纜最大容許長度為

3.2 互感器兩相電流表

電流互感器二次回路電流負荷的實際值表達式為

如果L=230 m，S=1.5 mm2，Z2=6.67 Ω＜36.5 Ω，則符合規(guī)定。

自動校驗控制電纜的最大容許長度可由式（5）來計算，但導線的連接因數(shù)是不同的。

綜上所述，將電流互感器二次回路電流信號自動校驗完成，防止設備受到電流沖擊，保證電力運行穩(wěn)定。

4 自動化校驗實驗

為了驗證所提技術的有效性，利用某電網(wǎng)500 kV綜合潮流控制器項目，完成性能測試。如圖3 所示為電流互感器實驗現(xiàn)場情況。

圖3 電流互感器實驗現(xiàn)場圖Fig.3 Field diagram of current transformer experiment

極線及閥出口變壓器的額定電流為1000 A，輸出電壓為2000 A。一階躍信號是由瞬態(tài)階躍供電完成的，為此采集直流暫態(tài)信號，并檢測電流變壓器的接收信號，對數(shù)據(jù)處理。在檢驗電流互感器的末端模塊中，后備芯線將控制室內集成單元的輸出直接導入原位測試現(xiàn)場，從而解決標準側和校驗互感器二次輸出同時讀出的難題。

極線側和閥出口側電流互感器的輸出信號是IEC60044 版本的FT3，而定制FT3 是50 kHz。瞬態(tài)階躍源最大輸出電壓為300 A，采用瞬態(tài)階躍源，將100 A 和300 A 的階躍信號分別應用于2 個互感器，并對基準電源和校驗互感器的上升時間、最大過沖以及二者的瞬態(tài)延遲進行測量，結果如圖4、圖5 所示。

圖4 極線側電流互感器特性實驗結果Fig.4 Experimental results of the characteristics of the pole side current transformer

圖5 閥出口側電流互感器特性實驗結果Fig.5 Experimental results of valve outlet current transformer characteristics

按照圖4 和圖5 實驗結果，利用線性插值方法對電流互感器的上升時間、最大過沖和瞬態(tài)延遲采取統(tǒng)計和分析，得到了相應的數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 標準源與被測互感器性能比較Tab.1 Comparison of performance between standard source and tested transformer

通過表1 能夠觀察到：

（1）在100 A 的瞬態(tài)電流下，在標準電源側、校驗極線側、閥出口側電流互感器的升高時間都在規(guī)定范圍以內，符合電流互感器技術標準。但是，因為階躍源的振幅較低，階躍信號的上升時間較短，瞬態(tài)階躍電源的調整周期相對較短，所以在這個時候，基準電源的最大過沖和校驗互感器的最大過沖也就越大。

（2）在300 A 的瞬態(tài)電流下，階躍信號的振幅增加，高頻成分增加，由于校驗電流互感器已被安裝在高處，實驗環(huán)由2 條較長的銅線與校驗互感器相連接，其總體感抗很高，且不能使標準電源的標準信號發(fā)生迅速的變化，因而標準源和校驗電流互感器的上升時間大于200 μs，這就使調整時間延長，使標準源和校驗電流互感器的最大過沖值保持在9.5%以下，達到標準規(guī)定的要求。

（3）所提檢驗技術以90%的參考電源和檢查電流互感器的幅度首次到達階躍信號，而10 kHz 的極線側電流互感器的瞬變信號延遲約308.2 μs。對于輸出50 kHz 的閥出口電流互感器，其瞬時信號的延遲約為75.2 μs。根據(jù)制造商的要求，在信號傳輸、遠端模塊處理、打包處理、輸出等過程中，檢驗電流互感器的數(shù)據(jù)延遲達到3 個，與實測數(shù)據(jù)一致，減少電流沖擊，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

5 結語

電流互感器二次回路的正確配置、接線、安裝等，甚至二次回路上一顆小螺絲都會對電力系統(tǒng)安全造成一定的影響。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，其安全需求日益增加，電流互感器在電力系統(tǒng)中的地位突出，要改善電網(wǎng)的供電可靠性，必須不斷優(yōu)化保護方案，加強現(xiàn)場施工和維修，以防止電流互感器二次回路的故障導致設備的損壞和大范圍的停電。因此，提出了電流互感器二次回路電流信號自動化校驗技術，通過對電流互感器二次回路特性分析，發(fā)現(xiàn)其滯后損耗和渦流損耗，因電流互感器相位差異會引起二次回路電流信號的異常，隨后對其電流負荷檢驗，并確定電纜最大允許長度，保證了裝置正常工作。