保護(hù)用電流互感器在低壓配電系統(tǒng)中的選型方案

何艷¹白怡明¹ 楊廣亮²       

1中煤工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院, 沈陽(yáng) 110000

  2楊廣亮 江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405；

摘 要：分析電流互感器的原理，介紹了保護(hù)用電流互感器的種類，分析其特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例分析，談?wù)剬?duì)保護(hù)用電流互感器的選用。

關(guān)鍵詞 低壓配電系統(tǒng) 保護(hù)用電流互感器  工作原理  種類  特性 特性曲線 選型

1.引言

    隨著我國(guó)電力系統(tǒng)不斷完善和發(fā)展，低壓配電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不斷提高，測(cè)量、計(jì)量用均形成自動(dòng)化，而用戶對(duì)自身用電設(shè)備的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)保護(hù)意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，為此保護(hù)用電流互感器已被廣泛地應(yīng)用于電力保護(hù)裝置之中。

2.電流互感器工作原理

    保護(hù)用電流互感器的工作原理與測(cè)量用電流互感器的工作原理較為類似，工作原理如圖1所示，電流互感器的一次繞組串聯(lián)在被測(cè)線路中，I1為線路電流即電流互感器的一次電流，N1為電流互感器的一次匝數(shù)，I2電流互感器二次電流（通常為、1A），N2為電流互感器的二次匝數(shù)，Z2e為二次回路設(shè)備及連接導(dǎo)線阻抗。當(dāng)一次電流從電流互感器P1端流進(jìn)，P2端出，在二次Z2e接通的情況下，由電磁感應(yīng)原理，電流互感器二次繞組有電流I2從S1流過，經(jīng)Z2e至S2，形成閉合回路。由此可得電流在理想狀態(tài)下I1×N1=I2×N2，所以有I1/I2=N1/N2=K，K為電流互感器的變比。

圖1

3.保護(hù)用電流互感器的分類

    保護(hù)用電流互感器分暫態(tài)（TP類）和穩(wěn)態(tài)（P類）條件保護(hù)，TP類電流互感器是考慮暫態(tài)條件的保護(hù)用電流互感器。一般P類保護(hù)用電流互感器僅考慮在穩(wěn)態(tài)短路電流情況下保證具有規(guī)定的準(zhǔn)確性，在具有非周期分量的暫態(tài)條件下則可能飽和而使誤差遠(yuǎn)超過允許值。TP類保護(hù)用電流互感器則要求在規(guī)定工作循環(huán)的暫態(tài)條件下保證規(guī)定的準(zhǔn)確性。

3.1 TP類電流互感器分以下級(jí)別并定義如下：

    TPS級(jí)（鐵心閉合）：低漏磁電流互感器，其性能由二次勵(lì)磁特性和匝數(shù)比誤差限值規(guī)定，對(duì)剩磁無(wú)規(guī)定。

    TPX級(jí)（鐵心閉合）：準(zhǔn)確限值規(guī)定為在的暫態(tài)工作循環(huán)中的峰值瞬時(shí)誤差（ε），對(duì)剩磁無(wú)規(guī)定。其二次時(shí)間常數(shù)在數(shù)秒以上。

    TPY級(jí)（小氣隙鐵心）：準(zhǔn)確限值規(guī)定為在的暫態(tài)工作循環(huán)中的峰值瞬時(shí)誤差（ε），剩磁不超過飽和磁通的10%。其二次時(shí)間常數(shù)在數(shù)百毫秒至1秒左右。

    TPZ級(jí)（大氣隙鐵心）：準(zhǔn)確限值規(guī)定為在的二次時(shí)間常數(shù)下，具有zui大直流偏移的單次通電時(shí)的峰值瞬時(shí)交流分量誤差（ε_ac）。無(wú)直流分量誤差限值要求。剩磁通實(shí)際上可以忽略，其二次時(shí)間常數(shù)在60～100毫秒左右。

    TPS級(jí)電流互感器的誤差限值見表1，TPS級(jí)電流互感器的性能與P類互感器中的PX級(jí)電流互感器相當(dāng)，誤差限值條件由匝數(shù)比和勵(lì)磁特性確定，匝數(shù)比K_n誤差應(yīng)不超過±0.25%。

    勵(lì)磁特性的二次限電動(dòng)勢(shì)E_al不低于規(guī)定值，此電動(dòng)勢(shì)幅值增大10%時(shí)致使相應(yīng)勵(lì)磁電流增大不超過。當(dāng)客戶有規(guī)定時(shí)，在勵(lì)磁限二次電動(dòng)勢(shì)下測(cè)得的勵(lì)磁電流峰值應(yīng)不超過規(guī)定值，如果未限值，則勵(lì)磁電流應(yīng)不超過折算到二次側(cè)I_th的10%。對(duì)于TPS,由用戶規(guī)定額定等效二次限電動(dòng)勢(shì)，通常表示如下：E_al≥K_sK_ssc（R_ct+R_b）I_sn其中K_s為客戶給定的暫態(tài)系數(shù)，R_ct由制造廠的設(shè)計(jì)確定，但在有些使用條件下，為了與其他設(shè)備相配合，可由客戶提出其限值。

    TPX級(jí)、TPY級(jí)、TPZ級(jí)電流互感器的誤差限值表1。P類電流互感器的誤差限值條件由復(fù)合誤差規(guī)定。TP類電流互感器在暫態(tài)情況下的誤差限值條件則由瞬時(shí)誤差規(guī)定。這是由于引起互感器誤差的勵(lì)磁電流在暫態(tài)情況下一般不是周期分量，只能用瞬時(shí)電流描述。主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表1  TP類電流互感器誤差限值

表2 TP類電流互感器規(guī)范內(nèi)容

    注1：當(dāng)客戶希望獲得新設(shè)備與現(xiàn)有設(shè)備兼容時(shí)，在相配合的技術(shù)規(guī)范中可規(guī)定某些參數(shù)的限值，例如T_s或R_ct。但承認(rèn)不同設(shè)計(jì)之間可能有些差別。

    注2：技術(shù)規(guī)范包括補(bǔ)充規(guī)范，應(yīng)在產(chǎn)品銘牌上標(biāo)明，以便用戶進(jìn)行性能校驗(yàn)。

3.2TP類電流互感器的應(yīng)用特點(diǎn)

    （1）TPS級(jí)和TPX級(jí)電流互感器。TPS級(jí)電流互感器除了是低漏磁型外，還要求嚴(yán)格控制匝數(shù)比。適用于根據(jù)簡(jiǎn)單環(huán)流原理和采用高阻抗繼電器的差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。由于對(duì)剩磁不限制，保護(hù)繼電器的勵(lì)磁使用限，通常由試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式確定。若在電流互感器已嚴(yán)重飽和時(shí)切斷一次電流，將使得二次回路中的電流隨同磁通由飽和狀態(tài)快速降低到剩磁水平，保護(hù)繼電器的復(fù)歸時(shí)間，通常不明顯受TPS電流互感器衰減特性的影響。適用于對(duì)復(fù)歸時(shí)間要求嚴(yán)格的斷路器失靈保護(hù)電流檢測(cè)元件。

    TPX級(jí)電流互感器的基本特性一般與TPS級(jí)相似，只是對(duì)誤差限值的規(guī)定不同。對(duì)于TPS和TPX級(jí)電流互感器，在t＜t_max和T_p＜＜T_s情況下的C-t-O工作循環(huán)中，暫態(tài)面積系數(shù)計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

    K_td≈2πfT_p（1-錯(cuò)誤！未找到引用源。）+1

    C-t′-O-t_fr-C-t″-O工作循環(huán)的暫態(tài)面積系數(shù)公式可簡(jiǎn)化為：

    K_td=【ωT_p（1-錯(cuò)誤！未找到引用源。）-sinωt′】錯(cuò)誤！未找到引用源。+ωT_p（1-錯(cuò)誤！未找到引用源。）+1

    由于這類電流互感器二次時(shí)間常數(shù)T_s較大，在重合閘斷電時(shí)間t_fr鐵心磁通衰減很有限，兩次通電循環(huán)的K_td值很大，故TPS和TPX互感器不適用于線路重合閘情況。

    2）TPY級(jí)電流互感器。TPY級(jí)電流互感器控制剩磁不大于飽和磁通的10%。有利于C-O-C-O工作循環(huán)的準(zhǔn)確限值，適用于采用重合閘的線路保護(hù)。在從飽和到剩磁狀態(tài)的轉(zhuǎn)換期間，與相同尺寸和相同二次外接負(fù)荷的TPS級(jí)或TPX級(jí)電流互感器相比，由于磁阻、儲(chǔ)能、以及磁通變化量的不同，因而二次回路的電流值較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。不宜用斷路器失靈保護(hù)。

    對(duì)于TPY級(jí)電流互感器，額定暫態(tài)面積系數(shù)K_td可按公式進(jìn)行計(jì)算，工作循環(huán)有關(guān)參數(shù)可根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際情況確定。但二次回路時(shí)間常數(shù)T_s變化范圍較大，通常是由制造設(shè)計(jì)優(yōu)化確定的。制造廠應(yīng)提供額定二次負(fù)荷下的T_s值。應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際二次負(fù)荷進(jìn)行修正。

   （3）TPZ級(jí)電流互感器。對(duì)于TPZ級(jí)電流互感器，剩磁可忽略不計(jì)。嚴(yán)重飽和后衰減的二次電流在zui初階段（繼電器返回時(shí)）比相應(yīng)的TPY級(jí)保持更高數(shù)值。這類互感器適用于僅反應(yīng)交流分量的保護(hù)。許多繼電器將被測(cè)量經(jīng)過輸入電流/電壓傳感器轉(zhuǎn)換后處理，因此，僅二次電流的交流分量有意義。由于不保證低頻分量誤差及勵(lì)磁阻抗低，此類互感器一般不推薦用于主設(shè)備保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)。

3.3 P和PR類電流互感器的準(zhǔn)確特性

    P類電流互感器是IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1208-2006規(guī)定的保護(hù)用電流互感器，現(xiàn)已在我國(guó)廣泛應(yīng)用。由于P類互感器的鐵心是閉合的，在嚴(yán)重短路后可能殘留有剩磁，將嚴(yán)重影響互感器的性能。故IEC關(guān)于電流互感器標(biāo)準(zhǔn)的修改單規(guī)定了PR類電流互感器，規(guī)定該類電流互感器的剩磁系數(shù)小于10%。

    P類及PR類電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)在額定準(zhǔn)確限值一次電流下的zui大允許復(fù)合誤差的百分值標(biāo)稱，標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確級(jí)為：5P、10P、5PR、10PR。電流互感器在額定頻率及額定負(fù)荷下，電流誤差、相位誤差和復(fù)合誤差不超過下表3所列限值。

表3 P類及PR類電流互感器誤差限值

    對(duì)于PR電流互感器，有些情況下應(yīng)規(guī)定二次時(shí)間常數(shù)T_s值以限制復(fù)合誤差。

    發(fā)電機(jī)和變壓器主回路、220kV及以上電壓線路宜采用復(fù)合誤差較小（波形畸變較小）的5P或5PR級(jí)電流互感器。其他回路可采用10P或10PR級(jí)電流互感器。

3.4 PX類電流互感器的準(zhǔn)確特性

    PX類電流互感器是IEC標(biāo)準(zhǔn)新定義的一種電流互感器，其性能與英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的X類互感器相當(dāng)。PX類電流互感器用于5P和10P的準(zhǔn)確限值不適應(yīng)的特殊場(chǎng)合。例如對(duì)互感器變比和勵(lì)磁特性有嚴(yán)格要求的高阻抗母線保護(hù)。勵(lì)磁特性是電流互感器二次端子上正弦波電動(dòng)勢(shì)方均根值與所加勵(lì)磁電流的方均根值的相互關(guān)系，此時(shí)互感器的一次繞組和其他繞組均開路。如下圖2：

圖2

   PX級(jí)互感器是低漏磁型，其性能可由以下規(guī)范確定：

  ·額定一次電流；（I_pn）

  ·額定二次電流；（I_sn）

  ·額定匝數(shù)比，匝數(shù)比誤差不應(yīng)超過±0.25%；

  ·額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)；（E_k）

  ·額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)的zui大勵(lì)磁電流；（I_e）

  ·在溫度為75℃時(shí)二次繞組zui大電阻（R_ct）

  ·額定負(fù)荷電阻；（R_bn）

  ·計(jì)算（尺寸）系數(shù)（K_x）。

    額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)定義為電流互感器所有其他端子均開路時(shí)，施加于二次端子上的額定頻率正弦波電動(dòng)勢(shì)zui小方均根值。當(dāng)此值增加10%時(shí)，其勵(lì)磁電流方均根值增加至但不大于50%。額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)可用以下公式表示：

    E_k=K_x×（R_ct+R_bn）×I_sn

3.5常見保護(hù)用電流互感器的型號(hào)規(guī)格

    保護(hù)用電流互感器就是為保護(hù)用繼電器提供電流的電流互感器器，與電流繼電器等類似電器配套使用，主要用于低壓配電系統(tǒng)電流過載保護(hù)和短路保護(hù)。主要準(zhǔn)確級(jí)有：5P、10P，5、10表示復(fù)合誤差5%、10%，準(zhǔn)確限值系數(shù)又叫限值系數(shù)，它是額定準(zhǔn)確限值一次電流（此時(shí)符合誤差不超過5%、10%）與額定一次電流的比值，準(zhǔn)確限值系數(shù)有，5、10、15、20，以江蘇安科瑞AKH-0.66 P系列保護(hù)型電流互感器為例，具體型號(hào)與規(guī)格見表4.

表4 保護(hù)用電流互感器的型號(hào)規(guī)格

圖3   AKH-0.66  P系列保護(hù)型電流互感器外形圖

3.6保護(hù)用電流互感器在低壓配電系統(tǒng)中的問題及應(yīng)用實(shí)例

    保護(hù)電流互感器在低壓配電系統(tǒng)中，準(zhǔn)確級(jí)以及準(zhǔn)確限值系數(shù)的選擇是用戶經(jīng)常碰到的問題。

    2003年河北某工廠，由于新廠房擴(kuò)建，在新廠房1500米附近安裝了一臺(tái)250KVA（10/0.4kV）配變，與主變距離2500米，因負(fù)荷較小（額定電流80A），當(dāng)時(shí)為了考慮計(jì)量準(zhǔn)確，使互感器額定一次電流與zui大負(fù)荷電流相接近，將電流互感器比選擇100/，同時(shí)保護(hù)用電流互感器選擇100/，10P10。在施工下水道時(shí)，將電纜挖斷，造成工廠附近大面積停電。

    經(jīng)電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算得：主變短路電抗為X1 = 0.07Ω，配變短路電抗為X2 = 0.5Ω，短路點(diǎn)前短路電抗為X3= 0.4Ω， 計(jì)算電抗X*∑= X1 + X2 + X3 = 0.97。 相短路時(shí)TA流經(jīng)次暫態(tài)短路電流周期分量值為：I" = 1 / X*∑×5.5 = 5.67（kA），此時(shí)短路電流是額定電流的56.7倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于準(zhǔn)確限值系數(shù)10，同時(shí)復(fù)合誤差超過10%時(shí)，影響繼電器動(dòng)作，應(yīng)該選擇500/ 10P15。

3.7電流互感器使用過程中的注意事項(xiàng)

   ●電流互感器在接線時(shí)，同名端要保持一致，即P1、S1；P2、S2。

   ●電流互感器在正常運(yùn)行時(shí)，二次不得開路，防止二次開路產(chǎn)生高電壓，影響人身和設(shè)備安全。

4.結(jié)束語(yǔ)

    本文對(duì)低壓配電系統(tǒng)中的不同類型電流互感器進(jìn)行了簡(jiǎn)單概述，推薦給電力系統(tǒng)各位專家和電氣工程師們參考，有利于不同類型低壓電流互感器在低壓智能配電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]江蘇安科瑞電器制造有限公司.電量傳感器選型手冊(cè),201407版.

[2]任致遠(yuǎn)，周中.電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南,中國(guó)電力出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：徐霜，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)殡娏總鞲衅髟O(shè)計(jì)