电流互感器知识简介

为了保证电力系统安全经济运行,必须对电力设备的运行情况进行监视和测量.但一般的测量和保护装置不能直接接入一次高压设备,而需要将一次系统的高电压和大电流按比例变换成低电压和小电流,供给测量仪表和保护装置使用.执行这些变换任务的设备,常见的就是我们通常所说的互感器.大电流试验装置应用于发电厂、变配电站、电器制造厂及科研院所等部门，属于短时或断续工作制，具有体积小、重量轻、使用维修方便等特点。进行电压转换的是电压互感器(voltagetransformer),而进行电流转换的互感器为电流互感器(currenttransformer),简称为CT.本文将讨论电流互感器的相关基本知识.
1.电流互感器的简单分类
       根据用途电流互感器一般可分为保护用和计量用两种。两者的区别在于计量用互感器的精度要相对较高，另外计量用互感器也更容易饱和，以防止发生系统故障时大的短路电流造成计量表计的损坏。
       根据对暂态饱和问题的不同处理方法，保护用电流互感器又可分为P类和TP类。P（protection，保护）类电流互感器不特殊考虑暂态饱和问题，仅按通过互感器的大稳态短路电流选用互感器，可以允许出现一定的稳态饱和，而对暂态饱和引起的误差主要由保护装置本身采取措施防止可能出现的错误动作行为（误动或拒动）。TP（transientprotection，暂态保护）类电流互感器要求在严重的暂态条件下不饱和，互感器误差在规定范围内，以保证保护装置的正确动作。
        对于其它类型的互感器，比如光互感器，电子式电流互感器等实际应用还很少，因此这里不作介绍。
2.电流互感器的饱和
       前面我们讲到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。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，这两种情况都是发生在事故情况下的，这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造成误差过大引起保护的不正确动作，进一步影响系统安全。因此对于电流互感器饱和的问题我们必须认真对待。
       互感器的饱和问题如果进行详细分析是非常复杂的，因此这里仅进行定性分析。
       所谓互感器的饱和，实际上讲的是互感器铁心的饱和。我们知道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。我们知道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。
       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。我们知道，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。
       3.电流互感器的误差分析和计算
       当我们知道电流互感器的误差主要是由于励磁电流Ie引起的之后，就有必要根据实际运行情况来检验所使用的电流互感器的误差是否符合要求。互感器的误差包括角度误差和幅值误差。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，我们更关注的是幅值的误差。我们一般要求一次电流Ip等于保护安装处可能的大短路电流时，幅值误差小于等于10％，这也就说我们平时所说的10％误差分析中的要求。
       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Ip/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（Xct＋Rct＋Zb）。因此为了进行10％误差分析，我们必须知道保护安装处的大短路电流、对应于该电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。下面我们分别进行讨论。3.1.励磁阻抗的测量
4.互感器实际二次负担的测量
       互感器的实际二次负担就是每只互感器实际承载的交流阻抗。可用下式表示：
       电流互感器实际负担＝单相互感器绕组两端电压/测试电流互感器绕组内流过的电流
测试应该在电流互感器输出端测量（实际工作中多在端子箱出进行，这样会产生误差，没有计及端子箱到互感器输出端子出电缆）。应当注意，当作差动保护回路阻抗测试时应将差动线圈短接。这是因为，我们上面说过差动保护的整定一般均以躲过外部故障产生的不平衡电流，而此时理论上是不产生差动电流的，也就是说差动回路中不流过差动电流，因此差动回路的阻抗也可以忽略。
5.分析结论
       我们计算出了励磁阻抗，那么更加10％误差的要求，就可以求出满足误差要求的大的二次允许负载。在3.4中我们又测得了互感器的二次实际负载。如果实测负载大于允许大的二次负载，则互感器误差不符合要求。反之则符合误差要求。
如果10％误差不符合要求一般的做法有：
       增大二次电缆界面积（减少二次阻抗）
       串接同型同变比电流互感器（减少互感器励磁电流）
       改用伏安特性较高的绕组（励磁阻抗增大）
       提高电流互感器变比（增大励磁阻抗）
       在这里有一点必须明确，上面进行的所有计算均为稳态量的计算。即使计算结果*符合误差要求，当故障量中暂态量很大时，仍然会产生很大的误差。也就是说对于暂态饱和和暂态误差，上面的计算是无意义的。因为对于暂态分量的形式和大小我们无法把握和预知。对于由于暂态分量造成的误差，一般要采用暂态特性的互感器以及在保护中采取相应的措施以避免对保护动作行为的影响。
       后还有一点需要说明，现在我们经常会遇到伏安特性很高的互感器。我们在进行伏安特性试验时，现有的仪器根本不能将励磁电流升到足够高的水平。下面是一组实际测得的某互感器的伏安特性数据：
       I(A)0.0150.020.0250.040.08
       U(V)7007808209701230
       从上表中我们可以看到，励磁电流还不到0.1A，电压就已经超过1000V。即使互感器二次额定电流为1A，那么我们考虑到短路电流倍数，将励磁电流升到一个足够的值显然是不可能的。这里不可能有两个，一是现有的常用试验仪器的容量不够；二是考虑到二次回路的耐压水平也就是2000KV而已，真的通过其它方式将电压升高，不仅可能造成二次设备的损坏，而且也并不符合实际运行情况。对于这种情况，我们其实并不需要知道某个我们应该计算的励磁电流对应的电压。这是因为在励磁特性曲线中，即使互感器已经饱和，随着励磁电流的增加，励磁电压也是在增加的（只不过趋于平缓而已），至少是不会下降的。因此，以上表为例，我们大可以通过短路电流倍数的计算确定励磁电流值，然后用1230V，甚至是700V作为电压值进行计算。这显然是比常规的算法对互感器的要求更加苛刻了，因此不会造成错误的计算。而计算结果中，我们会发现，即使是采用这种更加苛刻的算法，这种高伏安特性的互感器允许的实际二次负载往往仍远远小于实际负载。
6.其它相关知识
6.1.继电保护应采用保护级绕组。故障录波一般应单独采用保护级绕组以防止故障电流大时出现录波失真。条件不允许时可和保护共用一个绕组，但要布置在保护装置后面。表计应采用测量计绕组，一是保证精度，而是在故障时互感器容易饱和以保护表计不损坏。
6.2.电流互感器的布置要把握两个原则，一是要防止出现保护死区，二是要躲过互感器易发生故障的部分。为防止死区，一般要求各种保护的保护范围之间要有交叉，同时要求电流互感器的一次测极性端必须安装咱母线侧。这是因为互感器二次绕组的排列是以互感器一次极性端为参考的，如果一次极性端放置错误，那么尽管在二次绕组的分配上考虑到了交叉问题，仍然会出现保护范围的死区。另外，由于互感器底部易发生故障，而母线保护动作停电范围太大，因此一般要注意母线保护要尽量躲开互感器底部。
6.3.电流互感器的选择一般有如下原则需要遵循:
       应满足一次回路的额定电压、大负荷电流及短路时的动、热稳定电流的要求；
       应满足二次回路测量、自动装置的准确度要求和保护装置10％误差的要求；
       应满足保护装置对暂态特性要求（如500KV保护）；
       用于变压器差动时，各侧电流互感器的铁芯宜采用相同的铁芯型式。各互感器的特性宜相同。以防止区外故障时，各互感器特性不一致产生差流，造成误动。
 7.电流互感器类型选择
       为保证保护装置的正确动作，所选择的互感器至少要保证在稳态对称短路电流的下的误差不超过规定值。至于故障电流中的非周期分量和互感器剩磁等问题带来的暂态影响，则只能根据互感器所在系统暂态问题的严重程度、保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行情况进行综合考虑定性分析，至于的暂态特性计算由于过于复杂且现场工作情况很难进行，因此不进行讨论。
7.1.330－500KV系统保护、高压侧为330－500KV的变压器保护用的电流互感器，由于系统一次时间常熟较大，互感器暂态饱和较严重，由此可能导致保护错误动作的后果。因此互感器应保证实际短路工作循环中不致暂态饱和，即暂态误差不超过规定值。一般选用TP类互感器，尤其是线路保护考虑到重合闸的问题，要考虑双工作循环的问题，因此推荐使用TPY型。
7.2.220KV系统保护、高压侧为220KV的变压器保护互感器其暂态饱和问题及其影响较轻，可按稳态短路条件计算互感器稳态特性，进而选择互感器。当然，为减轻可能发生的暂态饱和影响，我们有必要留有适当的裕度。220KV系统保护的暂态系数一般不小于2。
7.3.110KV系统保护用互感器一般按稳态条件考虑，采用P类互感器。
7.4.高压母线差动保护用电流互感器，由于母线故障时故障电流很大，而且外部故障时流过互感器的电流差别也很大。即使各互感器特性一致，其暂态饱和的情况也可能差别很大。因此母线差动保护用的电流互感器好要具有抗暂态饱和的能力。实际工程应用中，一般按稳态条件选择互感器，而抗饱和的问题更多的由保护装置进行处理。