保护用电流互感器10%误差的校核方法

熊 超

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广州 510663）

1 电流互感器的误差

电流互感器是将电力系统的一次大电流变换成与其成正比的二次小电流，然后输入到测量仪表或继电保护及自动装置中，并将低压设备与高压线路隔离，是一种常见的电气设备。其等值电路如图 1所示，相量图如图2所示。

图1 电流互感器等值电路

图2 相量图

在理想条件下，以下电流变换等式成立：

在实际情况下，从图1中看出：

式中，Ie为励磁电流，为输入电流的一部分，是用来建立磁场的工作电流。

因为电流互感器在正常运行工况下励磁阻抗较大，磁通密度较低，励磁电流很小，所以误差可以被忽略不计。但是当在短路时一次侧短路电流很大，磁通密度很大，使互感器铁心饱和，励磁阻抗变小，励磁电流增大，误差就会变大。一般情况下励磁阻抗呈现电抗性质，二次负载呈阻抗性质，所以在二次感应电势E的作用下，I2和励磁电流Ie相位不同，造成了角度误差 δ。角度误差和二次回路负载的特性有关。因此，电流互感器的误差与其二次电流及二次负载均有关。当二次电流很大时误差增大，二次负载阻抗增大时误差也增大。

2 电流互感器的10%误差及10%误差曲线

电流互感器的10%误差是指将电流互感器的二次电流和变比的乘积与一次电流差的百分数等于10%。保护用电流互感器的工作特点不同于测量电流互感器，测量用的电流互感器，是要考虑在正常运行工况下的变比误差和角度误差；但作为保护用的电流互感器，为了保证继电保护及自动装置的安全稳定运行，要考虑当电力设备发生故障，一次短路电流剧增时能正确地在二次侧反映出故障电流的幅值和相位，不会因为电流互感器铁心饱和等因素引起的误差使保护装置拒动或误动。一般情况下系统一次的故障电流要比正常工况下的的电流大几倍甚至更多， 为确保继电保护和自动装置的电流采样值能如实反映一次侧设备通过的电流值， 规定电流互感器的一次电流I1等于最大短路电流时，其电流误差不允许超过10%。

电流互感器10%误差曲线是保护电流互感器的一个重要的基本特性。是指电流互感器的误差为10%时，其一次电流I1除以额定电流I1N的倍数m与其二次侧负载阻抗Zb的关系曲线， 即 m=f( Zb)。在电气设备一次侧流过很大的短路电流时，电流互感器铁心饱和，误差就会增大，这对继电保护装置的灵敏度和选择性造成影响。但如果误差不超过10%，就不会影响继电保护装置动作的正确性。根据电流互感器10%误差曲线及系统故障时最大一次电流，可以确定满足10%误差时电流互感器允许的最大二次负载。

3 电流互感器10%误差曲线试验及计算

一般情况下电流互感器的10%误差曲线是由制造厂商根据设备实验结果在说明书中给出的。如果设备说明书中未提供此数据，或者设备已运行多年，需重新校核电流互感器的特性时，就要通过现场试验重新取得相关数据，绘制电流互感器的10%误差曲线。现场试验中首先要绘制出其二次绕组的伏安特性曲线，其次还要知道电流互感器的变比，系统故障时的最大一次电流，电流互感器二次接线方式及二次设备的阻抗等。其中，二次设备的阻抗包含回路导线的电阻和接触电阻等。

1）收集数据

试验需要收集的数据如下：电流互感器的变比、接线方式、绕组分布情况、准确级、允许流过电流互感器的最大故障电流等。

2）用万用表测量电流互感器相应二次绕组的直流电阻R2，以近似代替电流互感器二次绕组漏抗Z2。

3）用伏安特性法测试电流互感器的 U=f( Ie)曲线

电流互感器的伏安特性曲线是指其励磁电流Ie与感应电动势的关系曲线， 即 E=f( Ie)。因E =U - IeZ2，而 U=f( Ie)曲线可用试验方法求出，具体方法是将电流互感器一次侧开路，断开二次侧所有负荷后从电流互感器本体二次侧施加一个电压，读取电流值。电压值由零逐渐上升，注意升压过程中不得降低后再升高，目的是避免因磁滞回线使伏安特性曲线不平滑，影响到计算的精准度。可预先选取几个电流点，逐点读取相应电压值。通入的电流或电压以不超过制造厂技术条件的规定为准。试验的过程中，如果出现当电压只增加了一个很小的值而电流却增大很多时，说明电流互感器的铁心已近似饱和，此时就应停止试验。电流值一般做到5A，有特殊需要时做到饱和为止。试验后，根据试验数据绘出伏安特性曲线。这种方法由于所需电源及设备容量较大，很难用于现场试验。

二次侧通电流法是试验的另一种方法，此方法是在电流互感器二次侧通入电流，通常可借助专用的测试仪来完成，需要的电源及测试设备的容量较小，其结果与一次电流法所得相同。

4）根据现场的伏安特性曲线，计算出励磁阻抗、励磁电压、电流倍数与允许二次负载的关系，并绘制出10%误差曲线。

在电流互感器一次绕组开路情况下，在二次线圈加电压，此时流经二次绕组的电流即为电流互感器的的励磁电流。根据等值电路图得

当电流互感器的变比误差为10%时，励磁电流Ie为一次侧电流变换到二次侧电流的10%。例如当为1A时，则Ie为0.1A，I2为0.9A。所以一次电流变换到二次侧时为励磁电流的10倍，二次侧电流为励磁电流的9倍，即

Ie= I1Ki- I2= (1- 0.9)I1Ki= 0.1I1Ki，(Ki为电流互感器变比)

当电流互感器二次侧额定电流为 5A时，电流倍数为

即

而二次侧阻抗：Z2+ Zfh= E0I2=E09I0

因此，允许负荷

根据以上式（1）至（3），求出电流倍数m10和允许负荷Zfh，画出电流互感器的10%误差曲线。

5）测定电流互感器的二次负荷阻抗

电流互感器的二次阻抗是指电流互感器二次端子所呈现的负荷阻抗。它包括继电器阻抗，连接导线阻抗。

（1）计算电流互感器二次负荷

电流互感器二次的负荷为其输出电压的与输出的电流之比；Zfh=U2/I2。其值的大小与电流互感器的接线方式、故障类型有关。

各种接线方式下的电流互感器的二次计算负荷汇总见表1。为可靠系数。当保护动作时限t≤0.5s时取 1.5；t＞ 0.5s 时取1.3。

7）分析结果

将现场实际测得的阻抗值按最严重的短路类型换算成Z；再根据计算出的电流倍数m10找出与之相对应的允许阻抗值Zfh，若Z≤Zfh时，则为合格。

8）计算实例

选取一台电流互感器， 变比为1200/5A，使用CT分析仪测试出其伏安特性数据及曲线如下，图3是伏安特性曲线，表2为曲线上的数据点。Z2=0.368Ω

表1 四种接线方式，在不同的短路状态下电流互感器的二次计算负荷

（2）用电流电压法测定最大负荷阻抗

电流电压法是在电流互感器根部通电流进行的一种测量方法，用来测量电流互感器二次回路AB、BC、CA和A0相的阻抗。计算公式为

6）电流倍数m10的计算

为确保所选用电流互感器变比误差不超过10%，发生故障时一次侧能承受的电流与额定电流的比值不应小于下列各式的计算值：

（1）纵差保护：m10=KkIkmaxI1N

Ikmax为最大穿越故障短路一次电流；I1N为一次侧额定电流；Kk为可靠系数。通常取1.3。

（2）母线保护：m10=KkIkmaxI1N

Ikmax为外部短路时，流过电流互感器的最大电流；Kk为可靠系数。取1.3。

（3）电流速断保护、过电流保护： m10=KkIop/I2NKcon

Iop为保护装置的动作电流；Kk为可靠系数。取1.1；I2N为二次侧额定电流；Kcon为接线系数。

（4）距离保护：m10=KkIkI1N

Ik为保护装置第一段末端短路时故障电流；Kk

图3 电流互感器的伏安特性

表2 电流互感器伏安特性数据

根据伏安特性曲线，依据上面式（1）至（3）计算出电流倍数m10和允许负荷Zfh，计算结果列表3。

表3 电流互感器10%误差曲线数据

根据表3数据做出电流互感器10%误差曲线如图4。

图4 电流互感器的10%误差曲线

实际情况下，若该电流互感器一次侧可能通过的最大短路电流是额定电流的9倍，实际测得的二次负载阻抗为8.4Ω，那么此时该电流互感器能否满足继电保护的要求呢？根据图 4中电流互感器 10%误差曲线，当m=9.2时，其允许的二次负载为9Ω（图中A点），现二次负载阻抗为8.4Ω（图中B点），其电流倍数大于9.2，所以此电流互感器满足要求。

4 结论

当电流互感器不满足10%误差要求时，可采取以下措施：

1）串联相同级别的备用电流互感器。

2）可增大二次回路电缆的截面。

3）提高电流互感器的变比。

4）改用伏安特性较高的互感器二次绕阻。