剩磁對(duì)電流互感器誤差的影響

周 遷

（云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

電力系統(tǒng)用電流互感器是將電力系統(tǒng)中一次側(cè)大電流通過(guò)電磁感應(yīng)原理轉(zhuǎn)換到二次側(cè)小電流（1 A/5 A），供計(jì)量?jī)x表、測(cè)量?jī)x表及保護(hù)裝置使用的一種特殊變壓器，是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)元件。目前，我國(guó)計(jì)量規(guī)程規(guī)定計(jì)量繞組的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)。

長(zhǎng)期運(yùn)行的電流互感器在檢定時(shí)往往發(fā)現(xiàn)誤差超差，不能滿足計(jì)量準(zhǔn)確度等級(jí)要求。究其原因，影響因素是多種多樣的，但是剩磁對(duì)互感器誤差超差準(zhǔn)確度等級(jí)下降的影響尤其明顯。

1 電流互感器誤差產(chǎn)生的原因

根據(jù)基本電磁感應(yīng)關(guān)系，得出互感器的等效電路圖（圖1）。將二次側(cè)的電流和阻抗折算到一次側(cè)，二次繞組阻抗為與，一次側(cè)繞組很小，可以忽略；一次電流用表示，勵(lì)磁支路的勵(lì)磁電流為，阻抗用電阻為，電抗為X0，二次側(cè)所帶負(fù)荷用和表示。當(dāng)一次繞組中流過(guò)電流時(shí)，由于電磁感應(yīng)在二次繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2，在二次繞組帶有負(fù)荷的情況下，二次繞組中會(huì)產(chǎn)生電流在勵(lì)磁回路中會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁電流以產(chǎn)生磁通。

根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL），所有進(jìn)入某節(jié)點(diǎn)的電流的總和等于所有離開(kāi)該節(jié)點(diǎn)的電流的總和，故一次電流為：

電流互感器的誤差（比值差）f的計(jì)算公式為：

圖1 互感器的等效電路

其中，K為電流互感器的額定電流比。

由式（1）和式（2），可得：

根據(jù)式（3）可得出，勵(lì)磁電流I0的存在是導(dǎo)致互感器存在誤差的原因。

2 剩磁產(chǎn)生的原因

電流互感器產(chǎn)生的剩磁分為穩(wěn)態(tài)剩磁和暫態(tài)剩磁。穩(wěn)態(tài)剩磁主要是由于互感器自身鐵磁材料固有的磁滯特性產(chǎn)生，暫態(tài)剩磁主要是由短路故障下的剩磁產(chǎn)生。

剩磁產(chǎn)生的原理可通過(guò)圖2說(shuō)明，圖中H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，Oa為磁化曲線，Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)鐵磁材料從未磁化狀態(tài)（B=0、H=0）開(kāi)始磁化時(shí)，低漏磁鐵芯可以看作H=NIm，N為匝數(shù)。在勵(lì)磁電流Im作用下，H增加，B隨著H的增加而非線性增加。當(dāng)H增加到Hs后，B增加緩慢，趨于穩(wěn)定到Bs，這時(shí)磁化到達(dá)飽和狀態(tài)，稱為磁飽和；當(dāng)H從Hs開(kāi)始減小時(shí)，B隨著減小，但不沿原曲線減小；當(dāng)H減小到0時(shí)，B減小到Br，此時(shí)無(wú)磁場(chǎng)強(qiáng)度，但是鐵磁材料中仍保留一定的磁性Br，這種現(xiàn)象就是磁滯效應(yīng)，其中Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱剩磁。從變化曲線可以看出，若想消除剩磁，需要反向增加磁場(chǎng)強(qiáng)度H到Hc，Hc稱為矯頑力。

圖2 剩磁產(chǎn)生的曲線

由圖2可得出：

（1）B的變化始終落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)場(chǎng)；

（2）圖中的bc曲線段稱為退磁曲線；

（3）H上升到某一值和下降到同一數(shù)值時(shí)，鐵磁材料內(nèi)的B值不相同，即磁化過(guò)程和鐵磁材料過(guò)去的磁化經(jīng)歷有關(guān)。

暫態(tài)剩磁產(chǎn)生的原因主要有以下幾方面：（1）運(yùn)行過(guò)程中對(duì)斷路器進(jìn)線跳閘、合閘操作；（2）電力系統(tǒng)發(fā)生短路；（3）電流互感器經(jīng)歷過(guò)開(kāi)路運(yùn)行；（4）對(duì)互感器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)也可能產(chǎn)生剩磁[1]。

3 剩磁造成互感器誤差偏大的原因

從磁化分析可得到，電流互感器的基本誤差ε等于勵(lì)磁磁勢(shì)F0和工作磁勢(shì)F1之比，即：

從電路方面可得，基本誤差ε等于勵(lì)磁電流I0與工作電流I1之比，即：

根據(jù)安培環(huán)路定理和法拉第電磁感應(yīng)定律，可得：

根據(jù)磁化曲線B（H、ψ），可以計(jì)算出電流互感器基本誤差：

其中，f和δ分別為電流互感器的比值差和相位差，ψ為電流互感器的鐵芯損耗角，α為二次回路功率因數(shù)角。當(dāng)鐵芯存在剩磁時(shí)，不管剩磁的方向，其勵(lì)磁磁勢(shì)F0將相應(yīng)增大，使誤差增大并向負(fù)向偏移[2]，造成電能計(jì)量偏小。

4 減小剩磁影響的措施

4.1 消除剩磁對(duì)測(cè)量用電流互感器影響的措施

（1）采用疊片式鐵芯可以大大降低剩磁的影響。由于疊片式鐵芯連接處有較大的磁阻，使得鐵芯原有的矯頑力降低，鐵芯的單位磁化能量降低，即剩磁減小。缺點(diǎn)是在相同條件（鐵芯截面積、二次負(fù)荷等）下必須增加互感器的匝數(shù)，這對(duì)絕緣和材料成本都有影響。

（2）非晶材料和坡莫合金材料矯頑力很小，用這兩種材料制成的電流互感器的殘留剩磁對(duì)0.2級(jí)準(zhǔn)確度幾乎沒(méi)有影響。與硅鋼片相比，這兩種材料的磁導(dǎo)率高4倍以上，缺點(diǎn)是價(jià)格偏高[3]。

（3）設(shè)計(jì)制造時(shí)適當(dāng)加大鐵芯截面積，減小鐵芯磁通密度，使電流互感器工作的磁通密度遠(yuǎn)離貼心的飽和磁密點(diǎn)，可以使磁路暢通，不會(huì)使一次繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)選擇其他路徑而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，從而減少剩磁對(duì)互感器準(zhǔn)確度等級(jí)的影響。

（4）在試驗(yàn)環(huán)節(jié)控制。修改現(xiàn)行檢定規(guī)程的有關(guān)條款要求，測(cè)量用電流互感器應(yīng)該在退磁和充磁兩種狀態(tài)下都能滿足準(zhǔn)確等級(jí)的要求，而不是只對(duì)退磁試驗(yàn)后的準(zhǔn)確度等級(jí)做出要求。

（5）采用電子式互感器。電子式互感器無(wú)電磁感應(yīng)，具有暫態(tài)特性好，無(wú)剩磁、無(wú)飽和、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需油和氣作為絕緣介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 電流互感器的退磁方法

根據(jù)互感器鐵芯的磁化過(guò)程和退磁原理，平時(shí)主要采用以下兩種方法退磁。

4.2.1 開(kāi)路法

選擇一、二次繞組中匝數(shù)較少的繞組（一般為一次），通過(guò)10%～15%的額定電流，其他繞組均開(kāi)路，將電流平穩(wěn)、緩慢的降至0。匝數(shù)最多的繞組接監(jiān)視電壓表，當(dāng)電壓表讀數(shù)達(dá)到2.6 kV時(shí)退磁。

4.2.2 閉路法

二次繞組接上額定負(fù)荷10～20倍的電阻（若有兩個(gè)或兩個(gè)以上二次繞組，其余繞組開(kāi)路），一次繞組通上額定的1.2倍電流，然后緩慢降至0。

5 結(jié) 論

正常運(yùn)行中的電流互感器，在操作和故障中都可能產(chǎn)生鐵芯剩磁，這是普遍存在的情況。正常工況下，鐵芯運(yùn)行在小磁滯回線狀態(tài)，剩磁不會(huì)自動(dòng)消失。長(zhǎng)期使用過(guò)程中，剩磁對(duì)測(cè)量保護(hù)和電流互感器的性能都會(huì)產(chǎn)生影響，使得電流互感器的誤差往負(fù)方向偏移，造成電能計(jì)量損失。測(cè)量用電流互感器可以采用磁導(dǎo)率高、剩磁系數(shù)小的優(yōu)質(zhì)鐵芯材料，以保證剩磁的影響量不會(huì)偏大，如疊片式鐵芯、非晶和坡莫合金材料等。在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行控制，確保互感器在退磁和充磁兩種狀態(tài)下都能滿足準(zhǔn)確等級(jí)的要求。另外，條件允許的情況下，在每次大擾動(dòng)后進(jìn)行退磁，以保證互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)滿足要求。