5 000 A电流互感器现场校验一次回路无功补偿研究

程联岗

(山西互感器电测设备有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

JJG313—2010《测量用电流互感器检定规程》规定[1]：电流互感器周期检定时必须检定1%、5%、20%、100%和120%额定电流下额定负荷和下限负荷下误差；JJG1021—2007《电力互感器检定规程》规定[2]：大电流互感器(额定一次电流3 kA以上)在后续检定和使用中检验时，允许把100%和120%额定电流检定点合并为实际运行最大一次电流点。上述两规程规定：电流互感器现场校验时必须进行全量程误差检定。电流互感器现场校验时，被试电流互感器与标准测试设备距离较远，校验线路一次大电流连接导线长度长，所需电源调节器和升流装置容量大，即使加大二者容量，也易经常发生升流困难、无法完成100%和120%额定电流点误差检定的情况。如何在较小能耗下使试验电流达到额定电流，实现电流互感器全量程检定是电流互感器现场误差试验迫切需要解决的问题。

1 电流互感器校验一次回路阻抗和功率消耗

电流互感器校验一次回路原理图如图1所示。图1中，TY为电源调节器，SL为升流装置，CT0为标准电流互感器，CTx为被试电流互感器，Z0为标准电流互感器二次负荷，Zx为被试电流互感器二次负荷，I1为一次电流。电流互感器现场校验时试验线路为：电源调节器TY提供连续的电压输出给升流装置SL，升流装置的大电流输出端通过一次大电流导线连接标准电流互感器CT0和被试电流互感器CTx的一次侧，形成一次回路闭环。

电流互感器校验时，电源调节器和升流装置为一次回路提供大电流，一次回路消耗的功率包括三部分[3]： ①标准电流互感器一、二次功率消耗；② 被试电流互感器一、二次功率消耗；③大电流导线电阻和感抗功率消耗。

图1 电流互感器校验一次回路原理图

根据戴维南原理，电流互感器校验一次回路等效电路如图2所示。

图2 电流互感器校验一次回路等效电路

图2中，i1为电源调节器和升流装置等效电源，R为一次回路等效电阻，X为一次回路等效感抗。

5 000 A电流互感器现场校验时，升流装置输出端采用一匝穿心输出大电流，一次回路等效为长a=3.5 m、宽b=0.5 m的单匝矩形线圈。一次回路等效电阻由下式计算：

(1)

其中：l为连接导线的长度；I1n为额定一次电流值,I1n=5 000 A；J为连接导线的电流密度，J=5 A/mm2。

一次导体周长l=8 m，通过6 000 A(120%额定电流)电流时算得一次回路等效电阻R=0.13 mΩ。

单匝矩形线圈的自感按下列公式计算[4]：

(2)

将a=3.5 m,b=0.5 m,r0=0.019 5 m代入式(2)得：L=0.005 3 mH。

一次回路等效感抗由下式计算

X=ωL.

(3)

其中：ω为角频率，ω=2πf,f=50 Hz。将相关参数代入式(3)可得一次回路等效感抗为：X=1.66 mΩ。

有功功率计算公式为：

(4)

无功功率计算公式为：

(5)

视在功率计算公式为：

S=P+jQ.

(6)

将式(1)、式(3)中的R、X值代入式(4)～式(6)，额定电流为5 000 A时得：P=3.25 kW，Q=41.60 kVar，S=3.25+j41.60 (kVA)。

由式(4)～式(6)计算公式可以看出：当一次电流I1在相应检定点不变时，一次回路消耗的有功功率和无功功率与一次回路阻抗R、X成正比，R和X越小，功率消耗越小。由计算结果可以看出：一次回路无功消耗远大于有功消耗，是有功功率的12.8倍。减小一次回路消耗的功率不仅要减小有功消耗，主要是减小回路的无功损耗。

2 电流互感器校验一次回路无功补偿方案的提出

根据以上理论分析得到结论：一次回路无功消耗远大于有功消耗是由于一次回路感抗远远大于回路电阻。通过并联或者串联可调电容的方法来补偿一次回路感抗，利用电容器的容抗来降低回路感抗，能够减小回路无功消耗，从而能够大大降低对电源调节器以及升流装置的容量要求。

2.1 三种电容无功补偿方法

由相关文献可知，利用电容对电流互感器校验一次回路进行无功补偿有以下三种方式[5]：①升流装置输入端并联补偿电容；②升流装置输出端并联补偿电容；③升流装置输出端串联补偿电容。补偿原理分别如图3～图5所示。其中C为补偿电容。

图3 升流装置输入端并联电容器补偿原理

图4 升流装置输出端并联电容补偿原理

图5 升流装置输出端串联电容器补偿原理

2.2 无功补偿方案选择

上述三种无功补偿方法都能使补偿电容有效平衡回路感抗，从而有效降低回路无功消耗[6]。以下结合现场校验时的实际情况对三种方案进行具体分析：

(1) 在升流装置输出端并联补偿电容时，升流装置输出电压通常只有1 V～2 V，而电容器的额定电压相对较高，如果要在回路两端产生较高电压，需要多台升流装置串并联，反而加大了升流装置的容量，可见在升流装置输出端并联电容是不可行的。

(2) 在升流装置输出端串联补偿电容，能使串联电容器消耗的容性无功直接与回路中的感性无功相抵消，升流装置与电源调压器只需要提供回路所需的有功功率。由此可见，在升流装置输出端串联补偿电容进行无功补偿是最理想的，但是单台电容器通过5 000 A电流是不可行的，只能采用多台电容器并联方式，这在现场测试中是不可取的。

(3) 采用升流装置输入端并联电容器的方式，由于补偿电容器是并联在升流装置输入端，无功补偿需通过升流装置进行功率变换，对于一次回路无功补偿不彻底，但升流装置输入端电压高，可满足补偿电容的电压要求，只需适当加大升流装置的容量即可，故这种方法在现场试验是最经济可行的。

3 电流互感器校验一次回路无功补偿试验

5 000 A电流互感器现场校验时，采用升流装置输入端并联电容器的方式对互感器一次回路进行无功补偿，试验方法如下：按照电流互感器比较法误差试验线路安装测试设备，连接试验线路，按图3连接补偿电容器，测试补偿前、后电源调节器输出电压、输出电流，计算回路输出功率，并对补偿前、后电源调节器输出进行比较，结果如表1所示。

表1 无功补偿前、后功率消耗比较

由表1可以看出：无功补偿前后，当一次电流确定时，输出电压基本不变，输出电流降幅明显，如一次电流5 000 A时，电流减小一半，相应输出功率也减小一半，补偿效果明显。

4 结束语

在升流装置原边并联电容器可有效降低现场试验对电源调节器以及升流装置的容量要求，提高了回路的功率因数和升流能力，无功补偿措施经济、实用、高效。减小回路的功率消耗还可采取以下措施[7-8]：①增大大电流导线截面积、减小长度，增大连接点接触面积，从而减小回路电阻R；② 尽量缩小回路包围面积，采用多匝穿心，减小回路感抗X。