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電流互感器知識簡介
電流互感器知識簡介
為了保證電力系統安全經濟運行,必須對電力設備的運行情況進行監視和測量.但一般的測量和保護裝置不能直接接入一次高壓設備,而需要將一次系統的高電壓和大電流按比例變換成低電壓和小電流,供給測量儀表和保護裝置使用.執行這些變換任務的設備,常見的就是我們通常所說的互感器.大電流試驗裝置應用于發電廠、變配電站、電器制造廠及科研院所等部門，屬于短時或斷續工作制，具有體積小、重量輕、使用維修方便等特點。進行電壓轉換的是電壓互感器(voltagetransformer),而進行電流轉換的互感器為電流互感器(currenttransformer),簡稱為CT.本文將討論電流互感器的相關基本知識.
1.電流互感器的簡單分類
根據用途電流互感器一般可分為保護用和計量用兩種。兩者的區別在于計量用互感器的精度要相對較高，另外計量用互感器也更容易飽和，以防止發生系統故障時大的短路電流造成計量表計的損壞。
根據對暫態飽和問題的不同處理方法，保護用電流互感器又可分為P類和TP類。P（protection，保護）類電流互感器不特殊考慮暫態飽和問題，僅按通過互感器的大穩態短路電流選用互感器，可以允許出現一定的穩態飽和，而對暫態飽和引起的誤差主要由保護裝置本身采取措施防止可能出現的錯誤動作行為（誤動或拒動）。TP（transientprotection，暫態保護）類電流互感器要求在嚴重的暫態條件下不飽和，互感器誤差在規定范圍內，以保證保護裝置的正確動作。
對于其它類型的互感器，比如光互感器，電子式電流互感器等實際應用還很少，因此這里不作介紹。
2.電流互感器的飽和
前面我們講到電流互感器的誤差主要是由勵磁電流Ie引起的。正常運行時由于勵磁阻抗較大，因此Ie很小，以至于這種誤差是可以忽略的。但當CT飽和時，飽和程度越嚴重，勵磁阻抗越小，勵磁電流極大的增大，使互感器的誤差成倍的增大，影響保護的正確動作。嚴重時會使一次電流全部變成勵磁電流，造成二次電流為零的情況。引起互感器飽和的原因一般為電流過大或電流中含有大量的非周期分量，這兩種情況都是發生在事故情況下的，這時本來要求保護正確動作快速切除故障，但如果互感器飽和就很容易造成誤差過大引起保護的不正確動作，進一步影響系統安全。因此對于電流互感器飽和的問題我們必須認真對待。
互感器的飽和問題如果進行詳細分析是非常復雜的，因此這里僅進行定性分析。
所謂互感器的飽和，實際上講的是互感器鐵心的飽和。我們知道互感器之所以能傳變電流，就是因為一次電流在鐵芯中產生了磁通，進而在纏繞在同一鐵芯中上的二次繞組中產生電動勢U＝4.44f*N*B*S×10-8。式中f為系統頻率，HZ；N為二次繞組匝數；S為鐵芯截面積，m2；B為鐵芯中的磁通密度。如果此時二次回路為通路，則將產生二次電流，完成電流在一二次繞組中的傳變。而當鐵芯中的磁通密度達到飽和點后，B隨勵磁電流或是磁場強度的變化趨于不明顯。也就是說在N,S,f確定的情況下，二次感應電勢將基本維持不變，因此二次電流也將基本不變，一二次電流按比例傳變的特性改變了。我們知道互感器的飽和的實質是鐵芯中的磁通密度B過大，超過了飽和點造成的。而鐵芯中磁通的多少決定于建立該磁通的電流的大小，也就是勵磁電流Ie的大小。當Ie過大引起磁通密度過大，將使鐵芯趨于飽和。而此時互感器的勵磁阻抗會顯著下降，從而造成勵磁電流的再增大，于是又進一步加劇了磁通的增加和鐵芯的飽和，這其實是一個惡性循環的過程。
暫態飽和，是指發生在故障暫態過程中，由暫態分量引起的互感器飽和。我們知道，任何故障發生時，電氣量都不是突變的。故障量的出現必然會伴隨著或多或少的非周期分量。而非周期分量，特別是故障電流中的直流分量是不能在互感器一二次間傳變的。這些電流量將全部作為勵磁電流出現。因此當事故發生時伴有較大的暫態分量時，也會造成勵磁電流的增大，從而造成互感器飽和。
3.電流互感器的誤差分析和計算
當我們知道電流互感器的誤差主要是由于勵磁電流Ie引起的之后，就有必要根據實際運行情況來檢驗所使用的電流互感器的誤差是否符合要求。互感器的誤差包括角度誤差和幅值誤差。就繼電保護專業而言，角度誤差的測量過于繁復且實際情況下誤差也極少出現超標的情況，我們更關注的是幅值的誤差。我們一般要求一次電流Ip等于保護安裝處可能的大短路電流時，幅值誤差小于等于10％，這也就說我們平時所說的10％誤差分析中的要求。
根據一般的電路原理我們可知，在圖一中，為滿足10％誤差的要求（Ie小于等于10％的Ip/Kn），則必須保證勵磁阻抗Ze大于等于9倍的二次回路總負載阻抗（Xct＋Rct＋Zb）。因此為了進行10％誤差分析，我們必須知道保護安裝處的大短路電流、對應于該電流的互感器勵磁阻抗值和電流互感器的二次回路總負載阻抗。下面我們分別進行討論。3.1.勵磁阻抗的測量
4.互感器實際二次負擔的測量
互感器的實際二次負擔就是每只互感器實際承載的交流阻抗。可用下式表示：
電流互感器實際負擔＝單相互感器繞組兩端電壓/測試電流互感器繞組內流過的電流
測試應該在電流互感器輸出端測量（實際工作中多在端子箱出進行，這樣會產生誤差，沒有計及端子箱到互感器輸出端子出電纜）。應當注意，當作差動保護回路阻抗測試時應將差動線圈短接。這是因為，我們上面說過差動保護的整定一般均以躲過外部故障產生的不平衡電流，而此時理論上是不產生差動電流的，也就是說差動回路中不流過差動電流，因此差動回路的阻抗也可以忽略。
5.分析結論
我們計算出了勵磁阻抗，那么更加10％誤差的要求，就可以求出滿足誤差要求的大的二次允許負載。在3.4中我們又測得了互感器的二次實際負載。如果實測負載大于允許大的二次負載，則互感器誤差不符合要求。反之則符合誤差要求。
如果10％誤差不符合要求一般的做法有：
增大二次電纜界面積（減少二次阻抗）
串接同型同變比電流互感器（減少互感器勵磁電流）
改用伏安特性較高的繞組（勵磁阻抗增大）
提高電流互感器變比（增大勵磁阻抗）
在這里有一點必須明確，上面進行的所有計算均為穩態量的計算。即使計算結果*符合誤差要求，當故障量中暫態量很大時，仍然會產生很大的誤差。也就是說對于暫態飽和和暫態誤差，上面的計算是無意義的。因為對于暫態分量的形式和大小我們無法把握和預知。對于由于暫態分量造成的誤差，一般要采用暫態特性的互感器以及在保護中采取相應的措施以避免對保護動作行為的影響。
后還有一點需要說明，現在我們經常會遇到伏安特性很高的互感器。我們在進行伏安特性試驗時，現有的儀器根本不能將勵磁電流升到足夠高的水平。下面是一組實際測得的某互感器的伏安特性數據：
I(A)0.0150.020.0250.040.08
U(V)7007808209701230
從上表中我們可以看到，勵磁電流還不到0.1A，電壓就已經超過1000V。即使互感器二次額定電流為1A，那么我們考慮到短路電流倍數，將勵磁電流升到一個足夠的值顯然是不可能的。這里不可能有兩個，一是現有的常用試驗儀器的容量不夠；二是考慮到二次回路的耐壓水平也就是2000KV而已，真的通過其它方式將電壓升高，不僅可能造成二次設備的損壞，而且也并不符合實際運行情況。對于這種情況，我們其實并不需要知道某個我們應該計算的勵磁電流對應的電壓。這是因為在勵磁特性曲線中，即使互感器已經飽和，隨著勵磁電流的增加，勵磁電壓也是在增加的（只不過趨于平緩而已），至少是不會下降的。因此，以上表為例，我們大可以通過短路電流倍數的計算確定勵磁電流值，然后用1230V，甚至是700V作為電壓值進行計算。這顯然是比常規的算法對互感器的要求更加苛刻了，因此不會造成錯誤的計算。而計算結果中，我們會發現，即使是采用這種更加苛刻的算法，這種高伏安特性的互感器允許的實際二次負載往往仍遠遠小于實際負載。
6.其它相關知識
6.1.繼電保護應采用保護級繞組。故障錄波一般應單獨采用保護級繞組以防止故障電流大時出現錄波失真。條件不允許時可和保護共用一個繞組，但要布置在保護裝置后面。表計應采用測量計繞組，一是保證精度，而是在故障時互感器容易飽和以保護表計不損壞。
6.2.電流互感器的布置要把握兩個原則，一是要防止出現保護死區，二是要躲過互感器易發生故障的部分。為防止死區，一般要求各種保護的保護范圍之間要有交叉，同時要求電流互感器的一次測極性端必須安裝咱母線側。這是因為互感器二次繞組的排列是以互感器一次極性端為參考的，如果一次極性端放置錯誤，那么盡管在二次繞組的分配上考慮到了交叉問題，仍然會出現保護范圍的死區。另外，由于互感器底部易發生故障，而母線保護動作停電范圍太大，因此一般要注意母線保護要盡量躲開互感器底部。
6.3.電流互感器的選擇一般有如下原則需要遵循:
應滿足一次回路的額定電壓、大負荷電流及短路時的動、熱穩定電流的要求；
應滿足二次回路測量、自動裝置的準確度要求和保護裝置10％誤差的要求；
應滿足保護裝置對暫態特性要求（如500KV保護）；
用于變壓器差動時，各側電流互感器的鐵芯宜采用相同的鐵芯型式。各互感器的特性宜相同。以防止區外故障時，各互感器特性不一致產生差流，造成誤動。
7.電流互感器類型選擇
為保證保護裝置的正確動作，所選擇的互感器至少要保證在穩態對稱短路電流的下的誤差不超過規定值。至于故障電流中的非周期分量和互感器剩磁等問題帶來的暫態影響，則只能根據互感器所在系統暫態問題的嚴重程度、保護裝置的特性、暫態飽和可能引起的后果和運行情況進行綜合考慮定性分析，至于的暫態特性計算由于過于復雜且現場工作情況很難進行，因此不進行討論。
7.1.330－500KV系統保護、高壓側為330－500KV的變壓器保護用的電流互感器，由于系統一次時間常熟較大，互感器暫態飽和較嚴重，由此可能導致保護錯誤動作的后果。因此互感器應保證實際短路工作循環中不致暫態飽和，即暫態誤差不超過規定值。一般選用TP類互感器，尤其是線路保護考慮到重合閘的問題，要考慮雙工作循環的問題，因此推薦使用TPY型。
7.2.220KV系統保護、高壓側為220KV的變壓器保護互感器其暫態飽和問題及其影響較輕，可按穩態短路條件計算互感器穩態特性，進而選擇互感器。當然，為減輕可能發生的暫態飽和影響，我們有必要留有適當的裕度。220KV系統保護的暫態系數一般不小于2。
7.3.110KV系統保護用互感器一般按穩態條件考慮，采用P類互感器。
7.4.高壓母線差動保護用電流互感器，由于母線故障時故障電流很大，而且外部故障時流過互感器的電流差別也很大。即使各互感器特性一致，其暫態飽和的情況也可能差別很大。因此母線差動保護用的電流互感器好要具有抗暫態飽和的能力。實際工程應用中，一般按穩態條件選擇互感器，而抗飽和的問題更多的由保護裝置進行處理。