保用用电流互感器测试与评价

保用用电流互感器测试与评价 武汉市华英电力科技有限公司针对电流互感器测试仪分享技术文章

保护用电流互感器测试与评价

编辑：王兰芳

武汉市华英电力科技有限公司

1 概述

保护用电流互感器是安装在电力系统中用于在一次回路发生短路故障时将故障电流传送给继电保护系统的电流变换设备，因此保护用电流互感器最重要的工作或者说其意义在于电力系统发生短路故障时能正常运行，以保证继电保护系统能检测到故障信息并及时切断故障电流，保护电力系统主设备的安全。同时保护用电流互感器还应该保证在非故障状态下，电流互感器应可靠运行，不能输出错误的故障电流信号而导致继电保护系统误动作。

目前我国电力系统对保护用电流互感器的主要检测项目包括励磁特性试验（伏安特性曲线），校核变比，极性以及绘制误差曲线，但是并没有对这些数据进行更深入的分析，没有考虑互感器二次回路负荷对互感器参数的影响，很多现场试验人员和负责设备检修的专工也不明白对于保护用电流互感器进行这些试验的意义所在。

本文从保护用电流互感器的工作原理，国家标准规定，保护用电流互感器的失效原因及影响，检测项目参数意义及评价等方面进行阐述和说明

2 保护用电流互感器工作原理

2.1 电磁式电流互感器工作原理

我国标准体系与IEC标准体系基本一致，电力系统中的绝大部分标准和IEC标准中对应的标准号都是等效的，IEC60044-1是IEC标准中对电磁式电流互感器的约束与要求，对应我们国家的标准GB1208，在IEC60044-1中定义的保护用电流互感器准确等级有5P,10P,5PR,10PR和PX五种，在我们国家电力系统中安装的保护用电流互感器中，最常见的准确等级是5P，10P和PX。

保护用电流互感器和计量用电流互感器的原理是完全一样的，其区别在于保护用电流互感器强调的性能是其承受短路电流的能力，而计量用电流互感器强调的性能是其电流传递的误差大小。所有电磁式电流互感器的结构都如图1所示，二次线圈和一次线圈都绕在同一个闭合的铁芯上，一次一般为1匝或数匝，一次的匝数远小于二次的匝数，其匝数比一般情况下都等于其电流之比。

电流互感器铁芯的磁感应强度公式是

B H u

其中H是磁场强度，由线圈中的电流I和匝数N决定

B是铁芯中磁感应场强度（不同于磁场强度H），

u是铁芯的导磁率，呈现非线性特性如图2所示

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由于u呈现非线性因此当铁芯中的磁感应强度B达到一定的数值时，不再随H的增加而增加（达到饱和以后磁导率近似于真空磁导率，磁化效应几乎可以忽略），此时互感器的铁芯进入饱和状态。

图1 电流互感器的原理图

图 2 B-H铁芯磁化曲线

2.2 电磁式电流互感器误差产生原因

对于电磁式电流互感器，造成其二次电流Is产生误差的主要原因是铁芯励磁损耗电流的存在，铁芯励磁损耗主要由铁损和磁滞损耗构成。决定电流互感器损耗的主要因素包括铁芯磁感应强度B和磁感应强度的频率f，而它们所对应的就是电流互感器二次线圈的电动势Es。

当励磁电动势Es的数值和频率确定以后就可以确定互感器的励磁损耗电流If。因为B不可能无限制增大，它受制于材料磁导率u的限制，B达到一定数值后就不再增加，因此当频率f一定时，励磁电动势Es的数值也就存在一个最大值，不可能无限制增加。电流互感器二次侧的端电压Vs不可能超过这个最大的励磁电动势Es限制值

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3 5P与10P保护用电流互感器

3.1 5P/10P电流互感器的定义

5P/10P电流互感器是电力系统中使用最广泛的保护用电流互感器，其最重要的参数是准确限制系数ALF，所有的5P/10P电流互感器铭牌精度等级后面都会跟随标注在额定负荷下其准确限制系数ALF保证值，并且会标注互感器的额定负荷，例如5P10 20VA， 10P20 30VA等。这其中10就是5P这个互感器在20VA下的准确限制系数ALF，20是10P这个互感器在30VA下的准确限制系数

铭牌准确限制系数ALF的定义是：在额定负荷下，当一次电流不断增大至Ip，使二次电流Is的复合误差达到5%（5P是5%，10P是10%），此时的一次电流Ip比上一次额定电流的Ipr的倍数即为ALF。

ALF Ip/Ipr

其中Ipr是额定一次电流

Ip是使二次电流复合误差达到5%（5P是5%，10P是10%）时注入的一次电流值

也就是说如果一次流过的电流在额定电流Ipr的ALF倍数以内，电流互感器的传递误差小于5%（5P是5%，10P是10%）

3.2 ALF数值测量方法与评估

在实际的检测过程中，ALF数值的粗略算法可按照下式进行：

ALF Vsk/| Zb Rs*Isr

其中Zb是互感器所连接二次负荷

Rs是互感器二次线圈内阻

Zb Rs是二次负荷和互感器内阻的向量和的模值

Isr是互感器额定二次电流

Vsk是互感器励磁特性的拐点电动势

注意：拐点电动势不等同于伏安曲线的拐点电压，在伏安特性试验中，拐点电动势等于伏安特性曲线的拐点电压与互感器线圈内阻分压的矢量差

也就是说电流互感器二次电流Is的数值不可能远能大于ALF Isr，例如假设二次电流达到1.5倍ALF Isr，此时的二次电动势会达到1.5 ALF Isr zb Rs 1.5Vsk，而这是不可能发生的，因为Vsk是励磁曲线的拐点，基本接近了互感器的最大励磁饱和电压。因此当一次电流超过ALF Ipr后，二次电流将不会再随一次电流Ip的增大而增大，此时电流互感器的铁芯中磁通量已经达到严重饱和，由于磁滞效应的存在，二次电流的输出可能接近于0。

注意：电流互感器达到饱和以后，铁芯磁通量不再随一次电流I的增加而增加，因此此时铁芯中磁通没有变化，根据法拉第电磁感应定律，如果铁芯中没有磁通变化，二次感应电动势就等于0，因此此时也就没有二次电流输出。而铁芯磁场都存在磁滞效应即磁感应强度B变化滞后于一次电流I所产生的磁场H的变化，因此当一次电流的瞬时值低于导致磁饱和的电流后，铁芯中的磁感应强度仍处于饱和状态，二次依然没有电流输出

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3.3 5P/10P电流互感器失效举例

5P/10P保护用电流互感器主要用于在系统发生短路时传递正确的故障电流给继电保护系统，以下我们以举例形式说明保护用电流互感器可能发生的失效情况：

1） 例1对于5P20 20VA 额定电流是2000/1的电流互感器，二次实际连接的负载是18欧（18VA）功率因素0.8的负荷，使用华英电力的HYVA-405 CTPT分析仪实测的ALF值是额定负荷20VA下只有12，实际工作负荷18VA下ALF是13.3。

当系统产生20倍的短路电流时，一次电流高达40000A，此时的一次电流已经远远超过了准确限制倍数13.3，因此当一次电流达到40000A时，二次电流的数值不会超过13.3 Isr，并且因为电流互感器处于严重磁饱和状态，此时会导致电流互感器二次侧根本就没有输出，因而继电保护系统也不会动作

2）例2对于10P20 30VA 额定电流是4000/5的电流互感器，二次实际连接的负载是1欧（25VA）功率因素0.8的负荷，使用华英电力的HYVA-405 CTPT分析仪实测的ALF值是额定负荷30VA下为21，实际工作负荷25VA下ALF是25。

但是系统设计的短路最大短路电流倍数是30倍，也就是说系统可能产生120000A的短路电流，因此这种情况属于实际安装的互感器参数并不能达到系统要求，属于系统性缺陷，当系统产生30倍的短路电流时互感器将进入饱和而失效

3）例3对于10P20 30VA 额定电流是1000/5的电流互感器安装在A相和C相，10P15 20VA 额定电流是1000/5的电流互感器安装在B相，A相实际连接负荷是25VA功率因素0.8， C相实际连接负荷是23VA功率因素0.85， B相实际连接负荷是26VA功率因素0.8， 三个保护互感器的输出之和作为零序电流，用来检测系统的零序电流故障，供给继电保护系统。

使用HYVA-405实测的A相工作负荷下ALF是26， B相工作负荷下ALF是10.5，C相工作负荷下ALF是28，当系统并网给配电系统供电时，连接主变和供电线路的断路器合闸，此时回路中产生了很大的合闸涌流，最大瞬时合闸涌流达到12000A，此时的一次电流已经超过了B相的允许值，但是却并未达到继电保护系统的过流保护动作值，因此继电保护系统不应该动作，但是因为B相进入磁饱和而没有电流输出，导致继电保护系统检测到的零序电流超过限值，继电保护系统动作切断了母线供电，使非检修线路也事故停电，这种情况就是属于三相系统中其中一相参数达不到要求而造成的系统运行故障

3.4 5P/10P电流互感器的测试

对5P/10P保护用电流互感器的检测应该确保以下参数符合要求：

1）互感器的铭牌参数标识正确，即实测的额定负荷下ALF值要大于等于电流互感器铭牌标识的数值

2）互感器的铭牌极性标识正确

3）互感器的额定电流处比差角差符合国家标准要求

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4）互感器二次回路的阻抗必须要小于互感器的铭牌标识值

现阶段我们国家很多负责电力设备检修的单位在执行保护用电流互感器试验时，仅执行励磁特性试验（伏安特性试验），极性试验和电流比试验，完成这些试验的主要意义和存在的问题如下：

1> 励磁特性试验仅仅是获得电流互感器励磁曲线二次端电压对于二次端电流的数值，然后将其与出厂数据对比，此试验项目仅对发现电流互感器内部匝间短路，互感器的铁芯发生断裂，位移缺陷时有效。

2> 电流比试验

在一次注入大电流然后检测互感器二次电流大小，此时电流互感器所连接的二次负荷仅仅是仪器的输入阻抗，注入的一次电流一般情况下也达不到互感器的额定电流，此时仅能发现互感器变比标识错误，或者电流互感器内部发生了多匝短路，并不能发现电流互感器在额定电流额定负荷处,比差与角差是否超标

3> 通过励磁特性曲线计算拐点电压，但是往往并没有详细解释和理解拐点电压的含义以及如何使用拐点电压判断互感器的性能，因此如果互感器的ALF值不达标也无法被发现

4> 没有校核电流互感器所连接的二次负荷值，因此如果互感器二次负荷超标则无法被发现

对于这些问题，在武汉市华英电力科技有限公司的HYVA-405型CTPT分析仪上有了完美的解决方法，HYVA-405能够针对5P/10P型保护用电流互感器完成以下试验项目并对互感器做出全面的评价：

1> 完成电流互感器的励磁特性试验，除了与出厂数据对比发现互感器内部变化之外，仪器会根据励磁特性试验结果自动计算电流互感器在额定负荷下和工作负荷下的ALF值，如果HYVA-405获得的ALF值小于电流互感器铭牌标识值，仪器会自动给出互感器检测不合格结论

2> HYVA-405自动测量获取电流互感器的线圈直流电阻值，并结合线圈直流电阻和励磁特性曲线，获得电流互感器的拐点电动势，从而计算出电流互感器的准确限制系数ALF

3> 测量并获取电流互感器在1%，5%，20%，100%，120%额定电流下，额定负荷处和工作负荷处的比差与角差，当仪器发现电流互感器在有效负荷下，额定电流处的比差与角差超过国标限制时，自动给出互感器检测不合格结论

4> 自动测量互感器的极性标识和铭牌是否一致

5> 校核电流互感器二次回路的负荷，以保证电流互感器所连接的二次负荷并未超过电流互感器铭牌标识的限制

HYVA-405通过对这些参数项目的检测与评价可以非常直观的掌握被检测电流互感器的性能和缺陷，从而使对5P/10P型保护用电流互感器的检测与试验变得更有意义

4 5PR与10PR保护用电流互感器

4.1 定义

5PR/10PR保护用电流互感器的定义与5P/10P电流互感器的定义相同，但是相对于