电磁式电流互感器二次开路暂态分析及对策

2014-07-20酒小朋

机械工程与自动化 2014年4期

酒小朋

（山西省机电设计研究院，山西太原 030009）

0 引言

电磁式电流互感器是目前我国电力行业中很重要的计量设备之一，它广泛用于发电厂、变电站（所）的输电中，长期接在线路上运行，用来测量线路上的电流、功率、电能等。电磁式电流互感器通常和测量仪表、继电保护及自动装置相连接，所以有必要通过对电流互感器开路分析和采取必要措施减小电磁式电流互感器开路对电力系统输电的准确性和安全性的影响。

1 电磁式电流互感器的基本结构和工作原理

1.1 电磁式电流互感器的基本结构

电磁式电流互感器主要由一次绕组、二次绕组和铁芯构成，一次绕组、二次绕组和铁芯之间都有绝缘。它的一次绕组结构有单匝式、多匝式。单匝式通常采用一根铜棒或一根铜排从铁芯孔中穿过。二次线圈主要接测量仪表或继电器的线圈，匝数比较多。

1.2 电磁式电流互感器在线路中的工作原理

电磁式电流互感器是通过电磁感应，将一次绕组中的电流感应传到二次绕组中。其一次线圈和主电路串联，通过一次电流I1在铁芯内产生交变磁通，使二次线圈感应出相应的二次电流I2（额定电流为5A或1A），如将励磁损耗忽略不计，则I1N1＝I2N2（N1和N2分别为一次、二次线圈的匝数）。电流互感器变比为K＝I1／I2＝N2／N1。电流互感器的工作原理如图1 所示。

2 电流互感器二次开路产生高电压的暂态分析

电流互感器二次端开路时互感器本身处于空载运行状态，此时互感器一次侧电流全部转变成励磁电流，从电磁式电流互感器基本结构可以看出：电流互感器的一次绕组匝数少，使用时一次绕组串联在被测线路里；二次绕组匝数多，与测量仪表和继电保护系统等电流线圈串联使用。测量仪表和继电器等电流线圈阻抗很小，所以正常运行时电流互感器的二次端子是接近短路状态的。互感器的二次电流的大小由一次电流决定，二次电流产生的磁电动势用来平衡一次电流的磁电动势。若互感器的二次开路，其二次端子阻抗无穷大，二次电流等于零，其磁电动势也等于零，就无法去平衡一次电流产生的磁电动势，那么互感器一次电流将全部作用于激磁，使互感器铁芯严重饱和。磁饱和使铁损增大，电流互感器外壳发热，线圈的绝缘层也会因过热而被烧坏，还会在铁芯上产生剩磁，增大互感器本身的误差。由于互感器内部铁芯饱和，互感器内部铁芯交变磁通的波形由正弦波变为梯形波，在磁通快速变化的瞬间，电流互感器二次端子上将会感应出很高的电压，最大可达到几千伏甚至上万伏。

以湖南省娄底市一个110kV变电站型号为LBZ-10W的电流互感器为例，其精度为0.2S，二次电流为5A；电流互感器一次额定安匝I1nN1n为1 200安匝；额定二次匝数N2n＝240匝，铁芯有效截面积Ac＝25.5cm2，铁芯的平均磁路长Lc＝75.4cm；铁芯材料为冷轧钢片，取铁芯材料系数K＝4.13×10－2，通过式（1）计算互感器二次开路时的理论电压（峰值）EKL（V）为：

其中：f为电源频率，Hz；I1n为额定一次电流，A；N1n为额定一次匝数。

将相关参数代入式（1），计算得EKL＝7 130V。由于现场情况比较复杂，事实上该互感器的实际二次开路电压现场测试为8 300V左右，比理论值要大。通过上例可以看出开路电压是相当高的，高电压对互感器本身性能、相关接连设备和测试人员安全都会产生很大的危害。所以电磁式电流互感器严禁二次开路。

图1 电流互感器的工作原理图

3 现场电磁式电流互感器二次开路应对

3.1 电流互感器发生二次开路的判断

电力系统中一次运行设备的监控和故障的排查是靠测量仪表、继电保护及自动装置来实现的。测量仪表、继电保护和自动装置均是通过电流互感器取得设备一次的运行参数。如出现以下情况可判断互感器及其二次线路处于半开路或开路状态：①在发电厂或变电站（所）的电力监控室，测试回路仪表显示为零或降低，三相电流计量表显示不一致，功率测试仪表显示减少，关口计量仪表时有时无；②电流互感器二次回路端子、相连接的仪器设备接线头有放电或冒火现象，电流互感器本身发热或有很明显的异响并且振动不匀称；③互感器二次端连接的继电保护装置柜开关出现误动或拒动。

3.2 电磁式电流互感器开路的应对

电流互感器的二次开路严重影响着人员和设备的安全。出现互感器开路情况，我们必须先解除与该电磁式电流互感器有关的可能引起误动的保护装置，同时记录电流互感器开路时间，以便修正损耗电量，尽量减小互感器一次端负荷电流。若互感器本身已严重损坏，应及时移除相接的所有负荷，二次端出现放电则可用一根导线短接开路点，方法是：先把导线一端与开路线圈的接地端接好，再用绝缘工具（螺丝刀柄的绝缘就可以）将导线另一端接到开路点的较远的固定连接点。这时就可以比较容易地处理互感器二次开路点的问题，避免设备整体停电。