保護用電流互感器在低壓配電系統中的選型方案

何艷¹白怡明¹ 楊廣亮²       

1中煤工程集團沈陽設計研究院, 沈陽 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，介紹了保護用電流互感器的種類，分析其特點，結合工程實例分析，談談對保護用電流互感器的選用。

關鍵詞 低壓配電系統 保護用電流互感器  工作原理  種類  特性 特性曲線 選型

1.引言

    隨著我國電力系統不斷完善和發展，低壓配電系統的自動化程度不斷提高，測量、計量用均形成自動化，而用戶對自身用電設備的暫態和穩態保護意識越來越強，為此保護用電流互感器已被廣泛地應用于電力保護裝置之中。

2.電流互感器工作原理

    保護用電流互感器的工作原理與測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在被測線路中，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，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，Z2e為二次回路設備及連接導線阻抗。當一次電流從電流互感器P1端流進，P2端出，在二次Z2e接通的情況下，由電磁感應原理，電流互感器二次繞組有電流I2從S1流過，經Z2e至S2，形成閉合回路。由此可得電流在理想狀態下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.保護用電流互感器的分類

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

3.1 TP類電流互感器分以下級別并定義如下：

    TPS級（鐵心閉合）：低漏磁電流互感器，其性能由二次勵磁特性和匝數比誤差限值規定，對剩磁無規定。

    TPX級（鐵心閉合）：準確限值規定為在的暫態工作循環中的峰值瞬時誤差（ε），對剩磁無規定。其二次時間常數在數秒以上。

    TPY級（小氣隙鐵心）：準確限值規定為在的暫態工作循環中的峰值瞬時誤差（ε），剩磁不超過飽和磁通的10%。其二次時間常數在數百毫秒至1秒左右。

    TPZ級（大氣隙鐵心）：準確限值規定為在的二次時間常數下，具有zui大直流偏移的單次通電時的峰值瞬時交流分量誤差（ε_ac）。無直流分量誤差限值要求。剩磁通實際上可以忽略，其二次時間常數在60～100毫秒左右。

    TPS級電流互感器的誤差限值見表1，TPS級電流互感器的性能與P類互感器中的PX級電流互感器相當，誤差限值條件由匝數比和勵磁特性確定，匝數比K_n誤差應不超過±0.25%。

    勵磁特性的二次限電動勢E_al不低于規定值，此電動勢幅值增大10%時致使相應勵磁電流增大不超過。當客戶有規定時，在勵磁限二次電動勢下測得的勵磁電流峰值應不超過規定值，如果未限值，則勵磁電流應不超過折算到二次側I_th的10%。對于TPS,由用戶規定額定等效二次限電動勢，通常表示如下：E_al≥K_sK_ssc（R_ct+R_b）I_sn其中K_s為客戶給定的暫態系數，R_ct由制造廠的設計確定，但在有些使用條件下，為了與其他設備相配合，可由客戶提出其限值。

    TPX級、TPY級、TPZ級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合誤差規定。TP類電流互感器在暫態情況下的誤差限值條件則由瞬時誤差規定。這是由于引起互感器誤差的勵磁電流在暫態情況下一般不是周期分量，只能用瞬時電流描述。主要技術參數見表2。

表1  TP類電流互感器誤差限值

表2 TP類電流互感器規范內容

    注1：當客戶希望獲得新設備與現有設備兼容時，在相配合的技術規范中可規定某些參數的限值，例如T_s或R_ct。但承認不同設計之間可能有些差別。

    注2：技術規范包括補充規范，應在產品銘牌上標明，以便用戶進行性能校驗。

3.2TP類電流互感器的應用特點

    （1）TPS級和TPX級電流互感器。TPS級電流互感器除了是低漏磁型外，還要求嚴格控制匝數比。適用于根據簡單環流原理和采用高阻抗繼電器的差動保護系統。由于對剩磁不限制，保護繼電器的勵磁使用限，通常由試驗和現場經驗得出的經驗公式確定。若在電流互感器已嚴重飽和時切斷一次電流，將使得二次回路中的電流隨同磁通由飽和狀態快速降低到剩磁水平，保護繼電器的復歸時間，通常不明顯受TPS電流互感器衰減特性的影響。適用于對復歸時間要求嚴格的斷路器失靈保護電流檢測元件。

    TPX級電流互感器的基本特性一般與TPS級相似，只是對誤差限值的規定不同。對于TPS和TPX級電流互感器，在t＜t_max和T_p＜＜T_s情況下的C-t-O工作循環中，暫態面積系數計算公式可簡化為：

    K_td≈2πfT_p（1-錯誤！未找到引用源。）+1

    C-t′-O-t_fr-C-t″-O工作循環的暫態面積系數公式可簡化為：

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

    由于這類電流互感器二次時間常數T_s較大，在重合閘斷電時間t_fr鐵心磁通衰減很有限，兩次通電循環的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級電流互感器。TPY級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工作循環的準確限值，適用于采用重合閘的線路保護。在從飽和到剩磁狀態的轉換期間，與相同尺寸和相同二次外接負荷的TPS級或TPX級電流互感器相比，由于磁阻、儲能、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時間較長。不宜用斷路器失靈保護。

    對于TPY級電流互感器，額定暫態面積系數K_td可按公式進行計算，工作循環有關參數可根據電力系統實際情況確定。但二次回路時間常數T_s變化范圍較大，通常是由制造設計優化確定的。制造廠應提供額定二次負荷下的T_s值。應用時可根據實際二次負荷進行修正。

   （3）TPZ級電流互感器。對于TPZ級電流互感器，剩磁可忽略不計。嚴重飽和后衰減的二次電流在zui初階段（繼電器返回時）比相應的TPY級保持更高數值。這類互感器適用于僅反應交流分量的保護。許多繼電器將被測量經過輸入電流/電壓傳感器轉換后處理，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磁阻抗低，此類互感器一般不推薦用于主設備保護和斷路器失靈保護。

3.3 P和PR類電流互感器的準確特性

    P類電流互感器是IEC標準和我國國家標準GB1208-2006規定的保護用電流互感器，現已在我國廣泛應用。由于P類互感器的鐵心是閉合的，在嚴重短路后可能殘留有剩磁，將嚴重影響互感器的性能。故IEC關于電流互感器標準的修改單規定了PR類電流互感器，規定該類電流互感器的剩磁系數小于10%。

    P類及PR類電流互感器的準確級在額定準確限值一次電流下的zui大允許復合誤差的百分值標稱，標準準確級為：5P、10P、5PR、10PR。電流互感器在額定頻率及額定負荷下，電流誤差、相位誤差和復合誤差不超過下表3所列限值。

表3 P類及PR類電流互感器誤差限值

    對于PR電流互感器，有些情況下應規定二次時間常數T_s值以限制復合誤差。

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

3.4 PX類電流互感器的準確特性

    PX類電流互感器是IEC標準新定義的一種電流互感器，其性能與英國標準規定的X類互感器相當。PX類電流互感器用于5P和10P的準確限值不適應的特殊場合。例如對互感器變比和勵磁特性有嚴格要求的高阻抗母線保護。勵磁特性是電流互感器二次端子上正弦波電動勢方均根值與所加勵磁電流的方均根值的相互關系，此時互感器的一次繞組和其他繞組均開路。如下圖2：

圖2

   PX級互感器是低漏磁型，其性能可由以下規范確定：

  ·額定一次電流；（I_pn）

  ·額定二次電流；（I_sn）

  ·額定匝數比，匝數比誤差不應超過±0.25%；

  ·額定拐點電動勢；（E_k）

  ·額定拐點電動勢的zui大勵磁電流；（I_e）

  ·在溫度為75℃時二次繞組zui大電阻（R_ct）

  ·額定負荷電阻；（R_bn）

  ·計算（尺寸）系數（K_x）。

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

    E_k=K_x×（R_ct+R_bn）×I_sn

3.5常見保護用電流互感器的型號規格

    保護用電流互感器就是為保護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電流過載保護和短路保護。主要準確級有：5P、10P，5、10表示復合誤差5%、10%，準確限值系數又叫限值系數，它是額定準確限值一次電流（此時符合誤差不超過5%、10%）與額定一次電流的比值，準確限值系數有，5、10、15、20，以江蘇安科瑞AKH-0.66 P系列保護型電流互感器為例，具體型號與規格見表4.

表4 保護用電流互感器的型號規格

圖3   AKH-0.66  P系列保護型電流互感器外形圖

3.6保護用電流互感器在低壓配電系統中的問題及應用實例

    保護電流互感器在低壓配電系統中，準確級以及準確限值系數的選擇是用戶經常碰到的問題。

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

    經電網參數計算得：主變短路電抗為X1 = 0.07Ω，配變短路電抗為X2 = 0.5Ω，短路點前短路電抗為X3= 0.4Ω， 計算電抗X*∑= X1 + X2 + X3 = 0.97。 相短路時TA流經次暫態短路電流周期分量值為：I" = 1 / X*∑×5.5 = 5.67（kA），此時短路電流是額定電流的56.7倍，遠遠大于準確限值系數10，同時復合誤差超過10%時，影響繼電器動作，應該選擇500/ 10P15。

3.7電流互感器使用過程中的注意事項

   ●電流互感器在接線時，同名端要保持一致，即P1、S1；P2、S2。

   ●電流互感器在正常運行時，二次不得開路，防止二次開路產生高電壓，影響人身和設備安全。

4.結束語

    本文對低壓配電系統中的不同類型電流互感器進行了簡單概述，推薦給電力系統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的廣泛應用。

參考文獻

[1]江蘇安科瑞電器制造有限公司.電量傳感器選型手冊,201407版.

[2]任致遠，周中.電力電測數字儀表原理與應用指南,中國電力出版社，2007.

作者簡介：徐霜，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電量傳感器設計