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浅谈电流互感器误差及影响

时间:2011-01-13


浅谈电流互感器误差及影响 浅谈电流互感器误差及影响 电流互感器
摘要: 摘要:电流互感器是一次系统和二次系统电流间的联络元件,将一次回路的大电流转换为小 电流,供给测量仪表和保护装置使用。电流反应系统故障的重要电气量,而保护装置 是通过电流互感器来间接反应一次电流的,因此电流互感器的性能直接决定保护装置 的运行。然而从互感器本身和运行使用条件方面来看,电流互感器存在不可避免的误 差,本文分别从这两个方面分析了误差,并结合实际工作阐述了误差带来的影响,以 便在工作中加强重视,并做出正确的分析。 关键词: 关键词:电流互感器 励磁电流 一、电流互感器的误差 误差

Z1 I1 U1 Ie Ze

Z2 I’2 E2 U2 Z E2 φ -I’2 δ I’2 Ie I1

图一 等值电路

图二 相量图

在理想条件下,电流互感器二次电流 I2=I1/Kn,Kn=N2/ N1 ,N1 、N2 为一、二次绕组的 匝数,不存在误差。但实际上不论在幅值上(考虑变比折算)和角度上,一二次电流都存在 差异。这一点我们可以从图中看到。 从图一看,实际流入互感器二次负载的电流 I’2 =I1-Ie,其中 I’2 = I2 * Kn,Ie 为励 磁电流,即建立磁场所需的工作电流。正是因为励磁损耗的存在,使得 I1 和 I’2 在数值上和 相位上产生了差异。正常运行时励磁阻抗很大,励磁电流很小,因此误差不是很大,经常可 以被忽略。但在互感器饱和时,励磁阻抗会变小,励磁电流增大,使误差变大。 图二相量图,以 I’2 为基准,E2 较-I’2 超前φ角(二次总阻抗角,即 Z2 和 Z 阻抗角) , 如果不考虑铁磁损耗,励磁阻抗一般被作为电抗性质处理,Ie 超前 E2 为 90 度, I’2 与 Ie 合成 I1。图中 I’2 与 I1 不同相位,两者夹角 δ 即为角度误差。 对互感器误差的要求一般为,幅值误差小于 10%,角度误差小于 7 度。 二、电流互感器的饱和 电流互感器的误差主要是由励磁电流 Ie 引起的。正常运行时由于励磁阻抗较大,因此 Ie 很小,以至于这种误差是可以忽略的。但当 CT 饱和时,饱和程度越严重,励磁阻抗越小,

励磁电流极大的增大,使互感器的误差成倍的增大,影响保护的正确动作。最严重时会使一 次电流全部变成励磁电流,造成二次电流为零的情况。 引起互感器饱和的原因一般为电流过大或电流中含有大量的非周期分量,这两种情况一 般都出现在发生在事故时候,此时本来要求保护正确动作快速切除故障,但如果互感器饱和 就很容易因误差过大引起保护的不正确动作,进一步影响系统安全。 这里对互感器保护做定性分析。所谓互感器的饱和,实际上讲的是互感器铁心的饱和。 互感器之所以能传变电流,就是因为一次电流在铁芯中产生了磁通,进而在缠绕在同一铁芯 中上的二次绕组中产生电动势 U=4.44f*N*B*S×10-8。式中 f 为系统频率,HZ;N 为二次绕 组匝数;S 为铁芯截面积,m2;B 为铁芯中的磁通密度。如果此时二次回路为通路,则将产生 二次电流,完成电流在一二次绕组中的传变。而当铁芯中的磁通密度达到饱和点后,B 随励 磁电流或是磁场强度的变化趋于不明显。也就是说在 N,S,f 确定的情况下,二次感应电势将 基本维持不变,因此二次电流也将基本不变,一二次电流按比例传变的特性改变了。互感器 的饱和的实质是铁芯中的磁通密度 B 过大,超过了饱和点造成的。而铁芯中磁通的多少决定 于建立该磁通的电流的大小,也就是励磁电流 Ie 的大小。当 Ie 过大引起磁通密度过大,将 使铁芯趋于饱和。而此时互感器的励磁阻抗会显著下降,从而造成励磁电流的再增大,于是 又进一步加剧了磁通的增加和铁芯的饱和,这其实是一个恶性循环的过程。从图 1 中可以看 到,Ze 的减小和 Ie 的增加,将表现为互感器误差的增大,以至于影响正常的工作。 铁芯的饱和一般可以分成两种情况来了解。其一是稳态饱和,其二为暂态饱和。 对于稳态饱和,可以借助图一进行分析。在图中可以知道,Ie 和二次电流 I’2 是按比例 分流的关系。假设励磁阻抗 Ze 不变。当一次电流由于发生事故等原因增大时,Ie 也必然会 按比例增大,于是铁芯磁通增加。如果一次电流过大,也会引起 Ie 的过大,从而又会走入上 面所说的那种循环里去,进而造成互感器饱和。 暂态饱和,是指发生在故障暂态过程中,由暂态分量引起的互感器饱和。任何故障发生 时,电气量都不是突变的。故障量的出现必然会伴随着或多或少的非周期分量。而非周期分 量,特别是故障电流中的直流分量是不能在互感器一二次间传变的。这些电流量将全部作为 励磁电流出现。因此当事故发生时伴有较大的暂态分量时,也会造成励磁电流的增大,从而 造成互感器饱和。 三、电流互感器的误差分析 就继电保护专业而言,角度误差的测量过于繁复且实际情况下误差也极少出现超标的情 况,更关注的是幅值的误差。一般要求一次电流 I1 等于保护安装处可能的最大短路电流时, 幅值误差小于等于 10%。根据一般的电路原理我们可知,在图一中,为满足 10%误差的要求 (Ie 小于等于 10%的 I1/Kn) ,则必须保证励磁阻抗 Ze 大于等于 9 倍的二次回路总负载阻抗 。因此为了进行 10%误差分析,必须知道保护安装处的最大短路电流、对应于该电 (Z2+Z) 流的互感器励磁阻抗值和电流互感器的二次回路总负载阻抗。 励磁阻抗的测量通过平时所说的伏安特性试验,试验从互感器二次测施加电压 U,测得 励磁电流 Ie(因为此时互感器一次侧开路,因此电流只能流过励磁阻抗 Ze,所以此电流一定 是励磁电流。另外,还需注意此项试验一般应在一次开路的情况下进行,以防止一次回路分 流,产生误差) 。改变外加电压 U,会得到不同的 Ie。多组 U 和 Ie 的组合,就构成了伏安特性 试验数据。将这些数据所对应的点在 U-Ie 坐标系中绘出并连成曲线,就是互感器的伏安特 性曲线。该曲线上任一点的切线,就近似是该点的数据所对应的励磁阻抗。 励磁阻抗并不是一个恒定的值,而是随着 Ie 的变化不断变化的。曲线在初始阶段基本为 一条直线,励磁阻抗的值基本保持不变,这对应着互感器的线性工作区。而当超过饱和点 O 点后,曲线急剧趋于水平,U 很小的变化都会带来 Ie 极大的增加。说明此时励磁阻抗的值突 然变得很小,这对应于互感器的饱和工作区。 电流互感器本身性能 本身性能产生的影响 三、电流互感器本身性能产生的影响

保护装置对电流互感器性能的要求为: 1、保证保护的可依赖性。要求保护区内故障时电流互感器误差不致影响保护可靠动作。 2、保证保护的安全性。要求保护区外最严重故障时电流互感器误差不会导致保护误动作或无 选择动作。 实际运行中,由于电流互感器性能问题,导致不能满足保护装置的要求,从而造成一定 的影响。 某站 110kV 母差一段时期多次发 CT 断线信号,信号很快复归。工作人员现场对线路 CT 回路逐一进行检查,没有发现 CT 断线的情况。运行时,差流达到 0.15A 左右,而 CT 断线门 槛值只有 0.2A。该站有一条线路带电铁,当负荷增大时,差流也会增大,观察差流变化,瞬 时会达到门槛值。正常时,0.15A 的差流是比较大的,是什么原因造成差流大呢?工作人员 对 CT 二次回路逐一进行了检查,没有发现问题,退出母差后,对保护装置的采样精度进行检 查,也符合要求。我们知道,互感器铁芯磁场强度越大,损耗角越大,而铁芯磁导率一开始 随磁场强度增加而上升,通常电流互感器铁芯选用的磁感应强度不大,从而减小损耗角,而 一次电流为额定值时,铁芯磁导率接近最大,而当一次电流减小时,磁导率将逐渐下降,故 误差增大。该站线路电流互感器二次额定电流为 5A,而运行时二次电流一般 20%左右,负荷 较轻,造成电流互感器误差较大,各个线路的叠加效应,使得母差正常运行时出现偏大的差 流。 电流互感器运行使用上产生的影响 四、电流互感器运行使用上产生的影响 电流互感器运行时,二次绕组是不允许开路的。当二次绕组开路时,一次电流完全变为 励磁电流,引起铁芯内磁通剧增,会产生很高的二次绕组感应电动势,其值可达数千甚至上 万伏,不但可能损坏二次绕组绝缘,而且还会危及到工作人员的安全。由于磁感应强度剧增, 会使铁芯损耗增大,引起铁芯和绕组过热。此外,在铁芯中还会产生剩磁,使互感器特性变 坏。 某站在 CT 二次回路接线时, 使用的线鼻子断裂, 但并未完全断裂, 由于铜线本身的硬度, 加上套上线号管,所以在试验和投运时都没有发现问题,但在运行一段时间后,线完全断裂, 造成 CT 二次回路开路,导致 CT 及其二次回路的破坏。 某站一 110kV 线路 A 相电流明显低于其他两项,经查,由于施工时,不慎将 A 相 CT 接线 盒处的二次电缆线芯划伤,雨后绝缘降低,线芯搭金属盒分流,造成电流降低。 五、结论 通过对电流互感器误差的产生及其原因的分析,可以看出,电流互感器对保护装置的重 要作用,其误差产生的影响也是不容忽视的。 在正常运行的情况下,由电流互感器本身特性所产生的误差是可以忽略不计的,电流回路 所出现的问题一般来自回路或装置,尤其是接线问题,会受到施工质量的影响。然而在障态的 情况下,互感器本身特性误差的影响就显著起来,保护装置都会采取 CT 饱和的措施,以保证 装置性能。 为了减少电流互感器误差对生产运行的影响,一方面要选择适当类型和参数的互感器, 并在投入运行前,认真进行特性试验;另一方面,对 CT 二次回路加强重视,从 CT 二次接线 柱、端子箱到保护装置,各个环节的接线,都要检查到位,实际工作中发现,对于线缆轻伤 的问题,通过通流试验一般不易发现,针对此采取的措施是,加强电流回路绝缘检查,并通 过直接看的方式,检验二次接线质量。


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