剩磁对电流互感器误差的影响

周 迁

（云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

电力系统用电流互感器是将电力系统中一次侧大电流通过电磁感应原理转换到二次侧小电流（1 A/5 A），供计量仪表、测量仪表及保护装置使用的一种特殊变压器，是一次系统和二次系统的联络元件。目前，我国计量规程规定计量绕组的准确度等级为0.2级。

长期运行的电流互感器在检定时往往发现误差超差，不能满足计量准确度等级要求。究其原因，影响因素是多种多样的，但是剩磁对互感器误差超差准确度等级下降的影响尤其明显。

1 电流互感器误差产生的原因

根据基本电磁感应关系，得出互感器的等效电路图（图1）。将二次侧的电流和阻抗折算到一次侧，二次绕组阻抗为与，一次侧绕组很小，可以忽略；一次电流用表示，励磁支路的励磁电流为，阻抗用电阻为，电抗为X0，二次侧所带负荷用和表示。当一次绕组中流过电流时，由于电磁感应在二次绕组中会产生感应电势E2，在二次绕组带有负荷的情况下，二次绕组中会产生电流在励磁回路中会产生励磁电流以产生磁通。

根据基尔霍夫电流定律（KCL），所有进入某节点的电流的总和等于所有离开该节点的电流的总和，故一次电流为：

电流互感器的误差（比值差）f的计算公式为：

图1 互感器的等效电路

其中，K为电流互感器的额定电流比。

由式（1）和式（2），可得：

根据式（3）可得出，励磁电流I0的存在是导致互感器存在误差的原因。

2 剩磁产生的原因

电流互感器产生的剩磁分为稳态剩磁和暂态剩磁。稳态剩磁主要是由于互感器自身铁磁材料固有的磁滞特性产生，暂态剩磁主要是由短路故障下的剩磁产生。

剩磁产生的原理可通过图2说明，图中H为磁场强度，B为磁感应强度，Oa为磁化曲线，Br为剩余磁感应强度。当铁磁材料从未磁化状态（B=0、H=0）开始磁化时，低漏磁铁芯可以看作H=NIm，N为匝数。在励磁电流Im作用下，H增加，B随着H的增加而非线性增加。当H增加到Hs后，B增加缓慢，趋于稳定到Bs，这时磁化到达饱和状态，称为磁饱和；当H从Hs开始减小时，B随着减小，但不沿原曲线减小；当H减小到0时，B减小到Br，此时无磁场强度，但是铁磁材料中仍保留一定的磁性Br，这种现象就是磁滞效应，其中Br为剩余磁感应强度，简称剩磁。从变化曲线可以看出，若想消除剩磁，需要反向增加磁场强度H到Hc，Hc称为矫顽力。

图2 剩磁产生的曲线

由图2可得出：

（1）B的变化始终落后于H的变化，这种现象称为磁滞现场；

（2）图中的bc曲线段称为退磁曲线；

（3）H上升到某一值和下降到同一数值时，铁磁材料内的B值不相同，即磁化过程和铁磁材料过去的磁化经历有关。

暂态剩磁产生的原因主要有以下几方面：（1）运行过程中对断路器进线跳闸、合闸操作；（2）电力系统发生短路；（3）电流互感器经历过开路运行；（4）对互感器进行试验时也可能产生剩磁[1]。

3 剩磁造成互感器误差偏大的原因

从磁化分析可得到，电流互感器的基本误差ε等于励磁磁势F0和工作磁势F1之比，即：

从电路方面可得，基本误差ε等于励磁电流I0与工作电流I1之比，即：

根据安培环路定理和法拉第电磁感应定律，可得：

根据磁化曲线B（H、ψ），可以计算出电流互感器基本误差：

其中，f和δ分别为电流互感器的比值差和相位差，ψ为电流互感器的铁芯损耗角，α为二次回路功率因数角。当铁芯存在剩磁时，不管剩磁的方向，其励磁磁势F0将相应增大，使误差增大并向负向偏移[2]，造成电能计量偏小。

4 减小剩磁影响的措施

4.1 消除剩磁对测量用电流互感器影响的措施

（1）采用叠片式铁芯可以大大降低剩磁的影响。由于叠片式铁芯连接处有较大的磁阻，使得铁芯原有的矫顽力降低，铁芯的单位磁化能量降低，即剩磁减小。缺点是在相同条件（铁芯截面积、二次负荷等）下必须增加互感器的匝数，这对绝缘和材料成本都有影响。

（2）非晶材料和坡莫合金材料矫顽力很小，用这两种材料制成的电流互感器的残留剩磁对0.2级准确度几乎没有影响。与硅钢片相比，这两种材料的磁导率高4倍以上，缺点是价格偏高[3]。

（3）设计制造时适当加大铁芯截面积，减小铁芯磁通密度，使电流互感器工作的磁通密度远离贴心的饱和磁密点，可以使磁路畅通，不会使一次绕组产生的磁场选择其他路径而产生漏磁场，从而减少剩磁对互感器准确度等级的影响。

（4）在试验环节控制。修改现行检定规程的有关条款要求，测量用电流互感器应该在退磁和充磁两种状态下都能满足准确等级的要求，而不是只对退磁试验后的准确度等级做出要求。

（5）采用电子式互感器。电子式互感器无电磁感应，具有暂态特性好，无剩磁、无饱和、绝缘结构简单、无需油和气作为绝缘介质等优点。

4.2 电流互感器的退磁方法

根据互感器铁芯的磁化过程和退磁原理，平时主要采用以下两种方法退磁。

4.2.1 开路法

选择一、二次绕组中匝数较少的绕组（一般为一次），通过10%～15%的额定电流，其他绕组均开路，将电流平稳、缓慢的降至0。匝数最多的绕组接监视电压表，当电压表读数达到2.6 kV时退磁。

4.2.2 闭路法

二次绕组接上额定负荷10～20倍的电阻（若有两个或两个以上二次绕组，其余绕组开路），一次绕组通上额定的1.2倍电流，然后缓慢降至0。

5 结 论

正常运行中的电流互感器，在操作和故障中都可能产生铁芯剩磁，这是普遍存在的情况。正常工况下，铁芯运行在小磁滞回线状态，剩磁不会自动消失。长期使用过程中，剩磁对测量保护和电流互感器的性能都会产生影响，使得电流互感器的误差往负方向偏移，造成电能计量损失。测量用电流互感器可以采用磁导率高、剩磁系数小的优质铁芯材料，以保证剩磁的影响量不会偏大，如叠片式铁芯、非晶和坡莫合金材料等。在试验过程中进行控制，确保互感器在退磁和充磁两种状态下都能满足准确等级的要求。另外，条件允许的情况下，在每次大扰动后进行退磁，以保证互感器的准确度等级满足要求。