电流互感器标准装置中二次负荷检测方法探讨

2013-11-15唐国民秦富祥蒋映霞

中国测试 2013年4期

唐国民，秦富祥，王郁，蒋卫，蒋映霞，刘勇

（1.中国测试技术研究院四川成都 610021；2.四川省电力科学研究院，四川成都 610072；3.遵义市产品质量检验检测院，贵州遵义 563000）

0 引言

电流互感器由一次绕组、二次绕组、铁芯及绝缘材料构成[1]，通过电磁感应的方式实现用电信息的传输。一次绕组串联在供电线路中，二次绕组按照相应的电流比输出电流到二次仪表。电流互感器主要有两方面用途，一方面和电能表配套用于计量电能；另一方面，在电力线路中用于保护线路安全运行，它是电力线路中非常重要的元件之一。目前大多数电流互感器都采用电磁感应原理来实现电流变换，由于众多因素的影响，会使电流变比产生误差[2]。

尽管影响电流互感器误差的因素很多，但使用电流互感器的用户只需要提出一些简单的要求，比如根据线路电压选择相应电压等级的电流互感器，根据用电量的大小及二次仪表的输入电流选择相应的额定电流比，这些会影响使用过程中的安全，对计量准确度不会造成实质的影响。为了保证计量的准确可靠，电流互感器在使用之前应该通过计量部门进行检测。

1 二次负荷对电流互感器误差的影响

二次负荷是影响电流互感器变比误差的主要因素之一[2-3]。电流互感器在工作时，二次电流在二次负荷上产生相应的电压。在一次电流恒定时，当二次负荷阻抗变化，二次绕组的电压就会发生变化，励磁电流也随之改变，直接影响电流变比误差。

计量检定规程规定[4-5]，电流互感器负荷箱的允许误差为±3%，据有关资料[6]分析：负载箱±3%的误差变化对电流互感器的检定数据带来±6%的限值误差，比如对0.2S级电流互感器带来的限值误差见表1。

表1 电流互感器负荷箱的误差对检定电流互感器带来误差限值

表1为通过资料分析得到的数据，表明检定电流互感器时，负载箱不准确对检定结果会带来误差。

实际上通过实验也可以确定负荷与电流变比误差的关系。负荷变化对误差影响的试验方法在笔者的相关文章中进行了介绍[7]。不管是分析还是试验都证明一点：电流互感器的误差受负荷的影响客观存在。

电流互感器在使用前通过互感器标准装置进行检测，标准装置中提供电流互感器的额定负荷及下限负荷作为模拟负荷。该负荷主要由负载箱、连接导线及二次回路中的接触电阻等部分构成，基本满足相关计量检定规程的要求。负载箱通过校准满足相关规范要求，但连接导线及接触电阻等容易被忽视，从而造成计量数据的不准确，影响到互感器制造企业和用户的利益。为了改变这种状况，有必要对互感器标准装置中模拟二次负荷的实际值是否满足相关计量检定规程的要求进行研究[8]。

2 互感器标准装置中的二次负荷

2.1 确定电流互感器二次负荷的原则

前面分析二次负荷对电流互感器误差的影响时知道，当二次负荷阻抗增大，将使二次绕组的电压升高，也会使激磁电流增加，导致电流误差增大。

图1为电流互感器工作原理图。可知二次电流、二次负荷及二次电压的关系为

图1 电流互感器工作原理图

ZB主要包括电流测试部分阻抗、导线及各个触点的电阻。实际使用中ZB可以是电能表的电流线圈回路阻抗，也可以是电流表、继电器线圈回路阻抗等。式（1）表明二次电流I˙X流过二次负荷ZB产生二次电压U˙，所以电流互感器的二次负荷ZB，也可以理解为有I˙x流过的除电流互感器自身的二次绕组阻抗外的部分构成的阻抗，即本文提出的确定二次负荷的基本原则。基于这个原则对互感器的检测线路进行分析。

2.2 检定电流基本原理线路

检定电流互感器就是对电流互感器变比的比值误差及相位误差进行测量，通常采用与被检电流互感器额定变比相同标准电流互感器作为标准，在规定的电流下测量两互感器变比的误差[4-5]。常用的0.2S级电流互感器检定线路图如图2所示。

图2 电流互感器检定线路图

由图2可知：标准电流互感器和被检电流互感器初级同名端相连，次级同名端也相连，升流器输出电流同时流过标准和被检电流互感器的初级绕组，在它们的次级绕组上按照各自的变比感应出相应的电流I˙0和I˙X。当两者变比及性能完全相同时，它们感应出相应的电流相等，即I˙0=I˙X，ΔI˙=0，K1到 K 的支路电流为零；当两者变比及性能不完全相同时，它们感应出相应的电流也不相等，即I˙0≠I˙X，ΔI˙≠0，K1到 K的支路就有误差电流产生。误差测量装置对该电流进行处理，就可以显示标准电流互感器和被检电流互感器变比的比值误差及相位误差[9-10]。被检电流互感器二次侧的负荷Z作为模拟负载，检定时应在规定的负荷进行。

根据确定二次负荷的原则，在这个原理线路中，二次负荷Zx应包括Tx到负载箱的导线电阻R1、负载箱到Kx2的导线电阻R2、Kx1到Kn1的导线电阻R3及负载箱的阻抗。

2.3 变换线路

实际使用的线路在细节上有多种变化，见图3～图5。

在图3线路中，二次负荷Zx应包括Tx到负载箱的导线电阻R1、负载箱到Kx2的导线电阻R2及负载箱的阻抗，即：

在图4线路中，二次负荷Zx应包括Tx到负载箱的导线电阻R1、负载箱到Kx2的导线电阻R2、Kx1到K的导线电阻R4及负载箱的阻抗，即：

在图5线路中，二次负荷Zx应包括Tx到负载箱的导线电阻R1、负载箱到Kxi2的导线电阻R5、Kxi1到K的导线电阻R6及负载箱的阻抗，即：

图3～图5中基本上能够理清属于二次负荷的部分导线。实际应用中有多台位，使用继电器用于切换被检电流互感器的接线台及其他接线方式，接线的变化太多难以具体描述。

3 现场测量二次负荷的方法

3.1 静态测试

图2到图5可按照式（2）～式（5）用电桥测量导线的电阻，该电阻阻值应满足负载箱上对外接电阻的要求。因为负载箱通过了计量部门的检测，可以不再进行测试。

另外通过互感器校验仪说明书介绍的方法测量二次负荷仅供参考[9]，因为这种方法可能满足不了本文提出的确定二次负荷的原则。

图3 电流互感器检定线路图的细节变化1

图4 电流互感器检定线路图的细节变化2

图5 电流互感器检定线路图的细节变化3

现场环境及装置布线非常复杂，要按图2～图5找到相关导线非常麻烦，难以用静态的方法进行测试；对于多台位及有继电器切换接线的装置，由于涉及计算机程控问题，各导线在装置台体中捆绑在一起，分辨继电器触点电阻的影响还是其他因素影响变得很难，用静态的方法不能进行测试。

3.2 在线测试

在线测试二次负荷的理论基础是本文提到的确定二次负荷的原则。式（1）中Zx代替ZB经变换：

在实际工作状态下，调整调压器使电流相对固定在1～5A的任意值，测量出被检电流互感器二次两端的电压及电流即可计算出实际电阻值。该值与负载箱相应标称值的误差应满足计量检定规程对负载箱所要求的误差限值。

也可以选择具有阻抗测量功能的设备，如互感器校验仪、二次负荷测量仪等，这些仪器可以直接输入电流向量及电压向量，因此它们测量出来的数据是包括同相分量和正交分量的阻抗值，可以对负载箱功率因素为0.8的部分在工作状态进行检测。

在线测试负荷的方法应用时应注意到取电流及电压的接线位置。

3.3 在线测试方法验证

用两种方式对名义值为0.1Ω的直流标准电阻在两种状态下进行测量，数据见表2。

表2 对名义值为0.1Ω的直流标准电阻的测量结果

由表2可知：两种测量方式带来的相对误差绝对值约为0.2%，表明用负荷测试仪对导线类功率因素为1的直流电阻可以在线测量。

图2中的电流互感器二次回路阻抗由负载箱和连接导线两大部分构成，阻抗按式（2）计算。采用两种方式进行分别进行测量。负载箱中名义值为0.2Ω，功率因素为0.8，静态测量数据为：同相分量RX1=0.1022Ω，正交分量-0.1203Ω。连接导线电阻用电桥测量得到R1=0.0022Ω、R2=0.0453Ω、R3=0.0129Ω，RX2=R1+R2+R3=0.0604Ω。在线测量时采用阻抗测量类仪器进行测量，两种方法测量数据见表3。

表3 对负载箱中名义值为0.2Ω，外接电阻为0.06Ω，功率因素为0.8的负荷进行测量的结果

由表3可知：两种测量方式带来的相对误差绝对值约为0.2%，这种误差主要是测量仪器本身带来的，不是测量方法带来的，同时能满足现场测量阻抗的要求。由此表明用阻抗测量测量类仪器对功率因素为0.8的阻抗也可以在线测量。

为了验证本文提出的确定二次负荷的基本原则，在不改变连接导线的情况下，接线方式由图2变成图3。由式（3）可知：Zx不包括R3，同样在线测量时采用阻抗测量类仪器进行测量，同相分量的数据为：0.1502Ω，通过计算得到同相分量的数据为0.1496Ω，相对误差的绝对值为0.4%。该误差主要由测量仪器本身带来的，由此表明本文提出的确定二次负荷的基本原则是正确的。

表2、表3表明在线测量的方法可以测量互感器标准装置中被检电流互感器的二次回路的负荷，用同样的方式也可以测量标准互感器二次回路的负荷。