电流互感器电气性能的现场自动测试与分析

2009-01-22 09:36:10  作者：程晓东 黄晓明

详细介绍与分析了电流互感器不同准确级的主要电气性能和参数，并对相关参数结合实际应用情况进行了分析和总结。通过引进CTAnalyzer分析仪，对现场电流互感器的稳态性能和暂态性能进行全面自动测试与分析。结合测试应用实例，分析了测试仪的测试模型和测试原理认为基本能达到目前现场电流互感器电气性能测试的需求和精度。

1 前言

　　电流互感器是电力系统中将一次大电流变换为用于保护、测量、控制等二次电流的电磁性设备，其变比误差、角度误差、铁芯饱和特性等性能的好坏将直接影响继电保护装置动作特性和测量系统的测量精度等二次设备的性能。电流互感器主要包括一次导体（一次绕组）、二次绕组和铁芯、绝缘支撑体、绝缘材料（油或六氟化硫）、二次接线盒和接线端子及相关附件等构成，其电气性能主要由二次绕组和铁芯性能决定，同时它在一次导体上的安装结构和安装精度也将会影响电流互感器误差等使用性能。

　　在电流互感器新安装投产前可能有诸多因素导致其电气性能下降，甚至不能满足要求，如运输或安装过程中造成二次绕组和铁芯损伤或松动、GIS系统中现场的不正确安装[10]等。同时，电流互感器投入运行后，也存在许多因素可能导致其电气性能不满足要求，如二次绕组绝缘损伤、铁芯过热损伤、大电流冲击后结构变形等。因此，在电气装置安装工程中应按照GB50150-2006标准严格执行对电流互感器进行电气设备交接试验，在电气设备预防性试验中按照DL/T596-1996对其进行试验。某些设备因长期运行或经常遭受系统故障电流冲击等原因会导致其性能参数超标，严重时可能导致继电保护装置的不正确动作，电力系统故障扩大。但是，目前电气设备预防性试验中对电流互感器的误差特性、励磁特性等参数测试并未严格要求，且测试技术和测试水平还有较大困难。所以，探索运用新技术加强开展电流互感器电气性能的现场完整测试与分析将非常必要。

　　2 电气性能参数指标

　　目前，一组电流互感器中通常包括有若干个二次绕组和铁芯，因铁芯材料的不同、铁芯截面大小的不同以及铁芯非磁性间隙大小的不同等因素使得同一电流互感器内不同二次绕组和铁芯具有不同的稳态特性和暂态特性。国际电工委员会和中华人民共和国国家标准委员会都有相应的标准，如IEC60044-1、IEC60044-6、GB1208-1997、GB16847-1997，分别对电流互感器稳态特性和暂态特性进行描述说明和分析，并且还定义了相应的电气性能参数指标定量描述其稳态性能和暂态性能。

　　按二次绕组和铁芯的不同电气性能和不同应用可以将电流互感器内的若干个二次绕组和铁芯分为测量和保护两大类，测量、监控回路应选用测量类二次绕组，保护回路应选用保护类二次绕组，现场应严格执行测量和保护分别配置使用原则。测量用的二次绕组和铁芯按其准确度要求不同又可以分为0.1、0.2、0.5、1.0、0.2S、0.5S等准确度级。保护用的二次绕组和铁芯按其性能要求不同可以分为P级、TPS级、TPX级、TPY级、TPZ级等，其中P级按准确度要求不同通常可分为5P级和10P级，TPS级、TPX级、TPY级、TPZ级又称为具有暂态特性的电流互感器。根据目前电力系统内10kV~500kV各电压等级的实际应用情况，测量回路和保护回路中常见的主要有0.2级、0.5级、0.2S级、5P级、10P级、TPY级等几种。

　　2.1 额定一次电流

　　它是电流互感器性能的基准一次电流，同一组电流互感器为了适应不同实际应用工况设计时具备两组一次绕组或二次绕组具有中间抽头，使现场应用可以通过采用不同的一次接线方式或二次接线方式实现调整额定一次电流的功能。一般并联两组一次绕组可以获得2倍额定一次电流，二次回路接二次绕组中间抽头可以获得1/2倍的额定一次电流。

　　2.2 额定二次电流

　　它是电流互感器性能的基准二次电流，标准额定二次电流为1A或5A。二次绕组在相同的输出容量下，采用额定二次电流为1A时具有更大的带载能力，允许电流互感器设备与测量、保护等二次设备的距离更远，但其制造成本更高。对于同一组电流互感器内的不同二次绕组，可以选择不同的二次额定电流，工程应用中主要视实际情况、经济和技术比较而确定。

　　2.3 额定输出

　　在额定二次电流、额定负荷、规定功率因数下输出给二次回路的视在功率，一般以伏安（VA）表示。它可以代表二次绕组的输出能力，通常也可以称为额定输出容量，其标准值常见有10、15、30、50、100等。但在实际应用中有时也用额定负荷或额定电阻性负荷来表示二次绕组所接负荷的能力。一般来说二次负荷的实际功率因素都较大，甚至接近于1（除特殊说明），因此，额定输出、额定负荷、额定电阻性负荷的数值可能完全相等。

　　2.4 二次绕组电阻

　　它指绕组温度校正到75ºC时二次绕组直流电阻。根据参数典型设计，额定二次电流为1A时，一般其值大于1Ω；额定二次电流为5A时，一般其值小于1Ω。

　　2.5 额定短时热电流

　　在二次绕组短路（零负荷）情况下，电流互感器在1秒钟内能承受且无损伤的最大一次电流方均根值（有效值），其标准值有（kA）：6.3、8、10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100等。但实际应用中有时也以3秒钟内数值来表示。它可以表示电流互感器的短时热稳定能力，与其相应的还有连续热稳定能力，称为额定连续热稳定电流，无特殊说明其值为额定一次电流。与其相关的还有额定动稳定电流，用一次最大峰值电流来表示，一般其值为额定短时热电流的2.5倍。

　　2.6 额定仪表限值一次电流和仪表保安系数

　　额定仪表限值一次电流是保证测量类电流互感器对其供电的仪器仪表安全的一次电流，它是指在额定二次负荷下电流互感器复合误差大于或等于10％时的最小一次电流，其值与额定一次电流的比值称为仪表保安系数，其标准值为5、10，一般与准确度一起表示，如0.2SFS10。对于仪器仪表来说，电流互感器的仪表保安系数越小则系统故障时短路电流对其的损坏可能性越小，就越安全。

2.7 额定准确限值一次电流和准确限值电流倍数

　　额定准确限值一次电流是保护类电流互感器确定准确度性能的依据，它是指在额定二次负荷下保证电流互感器满足规定要求的最大一次电流方均根值（有效值），其值与额定一次电流的比值称为准确限值电流倍数。对于P级电流互感器，准确限值电流倍数用ALF表示，其标准值为5、10、15、20、30，一般与准确度一起表示，如5P20等；对于暂态特性互感器，额定准确限值一次电流称为额定一次短路电流，准确限值电流倍数称为额定对称短路电流倍数，并用Kssc表示。

　　2.8 准确级

　　准确级定义了在规定使用条件下误差在规定限度内，测量类主要依据额定电流条件下最大允许电流比值误差来标称，P级主要依据额定准确限值一次电流条件下最大允许复合误差来标称，其他保护类主要依据其不同称。不同准确级规定了不同的使用条件、以及对电流比值误差和相位差具有不同的限定，对保护类电流互感器还对综合误差、瞬时峰值总误差、瞬时峰值交流分量总误差提出了要求和限定，如下表一～表四。因二次绕组所接负荷的大小和功率因素对其误差有较大影响，故在限定条件中对其所接负荷有较详细的规定。表一要求在25％～100％负荷条件下都能满足，表二要求在50%～100%负荷条件下都能满足，表三要求在额定负荷且功率因素为0.8的负荷条件下满足，表四要求在额定电阻性负荷条件下满足，除上述条件外还有其他更详细的规定说明，详见相关标准中的具体规定。 

　　表一 0.1～1级、0.2S级、0.5S级互感器误差限值

　　表二 3级、5级互感器误差限值

　　表三 P级互感器误差限值

　　表四 暂态特性互感器误差限值

　　2.9 暂态特性参数

　　暂态特性参数主要包括规定一次时间常数（Tp）、额定二次回路时间常数（Ts）、保持准确限值时间（tal）、达到最大磁通时间（tmax）、无电流时间或自动重合闸时间（tfr）、规定工作循环（C-O和C-O-C-O）、剩磁系数（Kr）等，它们都在IEC60044-6或GB16847-1997中有较严格的定义。同时，还有饱和电压（或拐点电压）等在IEC60044-1和IEC60044-6中都有定义，虽然表示相同的物理意义，但它们确定方法有细微差别，因此，根据不同标准其值有较大差别。暂态特性参数并不完全针对暂态特性电流互感器，包括测量级、P级电流互感器也可以具有相应的暂态特性参数，但标准中对测量级、P级电流互感器的暂态特性参数未严格限定，而对暂态特性电流互感器却有严格限定，如标准中规定TPY级电流互感器剩磁系数应小于10％，而其他准确级的电流互感器并无此限定。

　　3  电气性能参数试验与测试

　　电流互感器的试验主要有型式试验和例行试验。型式试验一般在试验室环境或室外标准试验环境下进行，且在电气设备产品的研究开发阶段和出厂试验阶段。例行试验主要有电气设备安装交接试验[7]和电气设备预防性试验[8]，其一般在电气设备安装使用的现场环境下进行试验。对于电流互感器电气性能参数的试验与测试来说，型式试验和例行试验都包括匝数比误差、稳态比值误差和相位差、二次绕组电阻、二次励磁特性、剩磁系数、二次回路时间常数等性能和参数的试验与测试。上述的试验与测试可以有许多不同的方法，但主要可以概括为直接法和间接法两类，直接法主要采用工频的大电流、大电压发生器直接产生较大的测试信号进行测试；间接法主要依据较合理的物理仿真模型，通过直流或低频信号发生器产生测试信号进行测试，然后根据仿真模型将测试结果换算至工频条件下的试验数据。对于电流互感器的现场测试，间接法比直接法更方便、更实用、更高效，同时也可以避免现场试验时产生大电流、大电压信号的制约及对其他电气设备的影响。

为了适应电流互感器的现场测试需求，奥地利OMICRON电子仪器公司开发了一套全自动电流互感器分析仪（CTAnalyzer），它可以用于现场各种符合IEC60044-1、IEC600044-6标准的测量级、P级、TPY级等电流互感器的电气性能的全自动分析，还可以适用于分析符合ANSI30、ANSI45标准的电流互感器。该分析仪主要基于电流互感器的等效仿真模型（如图一）采用间接法对电流互感器的相关电气性能参数进行全面自动的测试与分析。 

　　图一 电流互感器等效仿真模型

　　其测试原理主要根据对图一电流互感器等效仿真模型各参数的辨识，然后将其励磁电压、励磁电流等试验结果等效地换算到额定频率条件下的测试结果。通过测试，该分析仪可以快速地计算得到电流互感器的励磁曲线、变比、极性、二次绕组电阻、负载阻抗、CT铁芯剩磁系数、FS/ALF/Kssc系数、变比差和相位差、Ls和Lu（饱和电感和不饱和电感）、二次时间常数等稳态电气性能和暂态电气性能参数。它还可以辨识电流互感器的额定一次电流和额定二次电流，且不受电流互感器二次端子间绝缘耐压（峰值电压大于4kV）、电流互感器变比等进行现场CT的测试和校核。

　　4 现场测试实例分析

　　以某电厂500kV电压等级升压站GIS系统内安装的一组电流互感器为例进行现场测试与分析。该组电流互感器供配置了6组二次绕组和铁芯，现将其中3组的测试数据、测试结果，与铭牌参数和出厂数据进行比较分析。主要铭牌参数见表五，现场测试数据与出厂数据比较见表六。

　　表五 现场电流互感器铭牌参数

　　表六 测试结果和出厂数据对比情况

　　结合表六对CTAnalyzer现场实际应用和测试情况分析，并与表一～表四标准误差要求相比较，其测试精度和测试项目都能满足电流互感器的现场测试要求。从厂家测试报告看，CTAnalyzer还具备比厂家出厂试验更全面的测试功能，如可以现场分析CT的仪表保安系数或准确限值系数、剩磁系数等。

　　5 结论

　　为了加强电气设备的精细化管理、深入和全面地掌握现场电气设备的性能及运行状况，开展电流互感器电气性能的全面测试与分析具有非常重要的意义。第一，可以及时发现电流互感器二次绕组和铁芯的缺陷情况，对可能发生的事故采取预防措施；第二，可以快捷方便地现场分析电流互感器是否满足测量、保护的要求，如分析判断差动保护各侧电流互感器的特性是否一致等实际应用问题；第三，对于因电流互感器饱和等引起的系统事故可以提供更有效的测试分析手段，提供更精确的分析数据和分析依据。

　　通过CTAnalyzer的间接法测试分析与应用，该测试方法和测试原理完全可以满足现场对电流互感器较全面的电气性能自动测试与分析，对于加强电流互感器的现场试验、提高测试水平以及提高测试效率具有非常重要指导价值。