一種便攜式電流互感器二次回路檢測裝置

賈子然

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引 言

電力系統一次設備的電流較大、電壓較高，直接測量電流非常危險。為了便于測量、保護和控制，需要將一次電流轉換為統一的二次電流。電流互感器（CT）起到了電流變換和電氣隔離作用，是電力系統內最重要的一次設備之一。電流互感器是一種特殊的變壓器，能將較大的一次電流變換為較小的二次電流，一次繞組串聯在一次導體中，匝數較小，二次繞組連接二次負載，匝數較大。這種結構要求其二次回路嚴禁開路，否則產生的高壓將嚴重威脅設備和人身安全。電流互感器二次開路還會導致保護控制裝置無法確切的感知一次電流，造成保護拒動、誤動等事故，威脅電網穩定。

鑒于電流互感器及其二次回路的重要性，電力系統對新投運電流互感器有著非常細致的檢驗流程，如伏安特性試驗、極性試驗、絕緣及一點接地試驗以及一次升流試驗等。然而對于部分停電時間較短的工作，需要變動電流互感器二次回路的情況，往往不具備條件完整的進行新檢試驗項目，因此產生了電流互感器二次回路二次開路的風險。本文對電流互感器的二次特性進行了分析，并提出了一種檢測裝置設計思路，實現對電流互感器二次開路故障的快速檢測。

1 電流互感器二次回路特性分析

電流互感器依據電磁感應原理，一次匝數很小，流過恒定的一次電流；二次匝數較多，工作在近似短路狀態，二次電流：

由于一次繞組的I1N1和二次繞組的I2N2在鐵芯中感生的磁鏈相互抵消，鐵芯工作在非飽和狀態，電流互感器保持著理想變壓器的線性轉變特性。如果其二次側開路，一次繞組的I1N1維持不變，二次側I2N2=0，一次側的磁鏈完全加在鐵芯中，在一次電流較大的情況下，鐵芯完全飽和，飽和磁鏈在電流互感器二次側感應出很高的二次電壓，其理論有效值[1]：

其中，K為鐵芯特性系數，Ac為磁路有效截面積、Lc為磁路平均長度，I1為一次電流有效值，N1、N2為一次側、二次側的匝數。

可見電流互感器二次側開路電壓與鐵芯飽和極限、二次繞組匝數、一次電流大小正相關，實際運行中，有些電流互感器二次繞組的開路電壓會達到上萬伏。

鐵芯飽和情況下，一個周期內其磁滯回曲線包圍了更大的面積，如圖1所示。磁滯回線所包圍的面積正比于在一次循環磁化中的能量損耗，包括磁滯損耗和渦流損耗。因此，飽和的鐵芯會嚴重發熱，易造成電流互感器損壞。

圖1 磁滯回曲線

2 各類繞組的伏安特性試驗

電流互感器的伏安特性試驗是指在電流互感器一次側開路的情況下，電流互感器二次側勵磁電流與電流互感器二次側所加電壓的關系曲線，實際上就是鐵芯的磁化曲線，該曲線在初始階段表現為線性，在鐵芯接近飽和狀態時，隨著電壓升高，電流急劇增大，伏安特表現為非線性[2]。

電力系統對電流互感器二次繞組準確級一般有抗飽和和高精度兩個不同方面的要求。對于保護裝置等需要在故障電流下要求保證精度范圍的選用抗飽和能力強的P級甚至TPY級繞組，對于測量、計量等只要求正常負荷電流下高精度的裝置，一般采用0.5、0.2、0.2 s等準確級的繞組。

圖2是幾種類型的電流互感器二次繞組伏安特性示意圖。在線性區，準確級為0.2 s的繞組曲線更貼近U軸，即勵磁電流更小，傳變特性更接近式1，精度更高。隨著電壓增大，0.2 s很快達到飽和拐點，失去線性特性，而5P40繞組在電壓1.1kV左右達到飽和拐點，說明其在40In下帶5 A電流系統5 Ω的二次負載（一般二次負載遠小于5 Ω）依然可達到線性轉變，而為抗飽和特性專門設計的TPY的飽和拐點電壓高達11kV。

圖2 不同類型二次繞組的伏安特性

伏安特性試驗的主要目的是檢驗電流互感器的二次帶負荷能力和二次繞繞組是否有匝間短路情況，拐點電壓一般在線性區的末端。然而由于伏安特性曲線實際上就是鐵芯的磁化曲線，可反映鐵芯的抗飽和能力[3]，伏安特性曲線的電壓上線也可一定程度反映電流互感器二次開路的電壓。伏安特性試驗的線性區內，測量阻抗相當于鐵芯的勵磁阻抗，是一個很大的值，利用電流互感器二次繞組勵磁阻抗很大的特性，可實現在不斷開二次繞組側的情況下測量二次負載側的回路完好性。

3 檢查電流互感器二次開路的現有方式及其缺陷

在保護設備停電定檢時，為防止電流互感器繞組側分流影響精度，一般會斷開電流互感器二次連片，將電流加入保護裝置側。一般恢復連片后不具備通過一次升流試驗檢驗二次回路完好的條件。現有的做法是在最靠近電流互感器繞組的端子排（一般是開關端子箱或匯控箱）用萬用表測量電流互感器二次回路電阻，實際測量阻值是二次回路負載與電流互感器繞組電阻的并聯。這種測量方式有兩個問題：第一，如果二次負載側有串聯較大電感無法發現；第二，針對一些變較小的二次繞組（尤其是5 A電流系統），由于二次匝數較小，繞組截面積較大，其繞組側電阻可能很小，即使在二次負載側開路的情況下也會測得較小的電阻，失去發現二次開路情況的機會。如果在開關端子箱打開連片測量，本身又變動了電流回路，易造成新的隱患。

在技改項目大規模變動過電流互感器二次回路后，往往也不具備一次升流試驗條件，一般采用繼保試驗儀對變動后的電流互感器二次回路進行二次升流試驗，結合交流壓差測量，檢查回路完好性。繼保試驗儀本身是較大型的裝置，不便于攜帶，而且必須外接試驗電源才能使用，可操作性不強。

4 CT開路測試儀的設計思路

為避免電流互感器二次回路繞組側電阻過小干擾對二次負載側的檢驗效果，保證檢驗效果與正常運行時的電流情況類似，采用一種工頻阻抗測試裝置，測量接線如圖3所示，測量位置在最接近電流互感器二次繞組的位置（開關端子箱或電流互感器二次接線盒），測量作業不需對電流互感器二次回路作任何變動。

圖3 測試回路電路

其中，Rc、Xc為電流互感器繞組側的電阻、電抗，Rl、Xl為電流回路二次負載側包括導線及裝置的電阻、電抗。實測阻抗為兩側工頻阻抗的并聯：

對于各種類型的電流互感器二次繞組與各種二次負載，有Xc＞＞Rc,在二次次負載未開路的情況下有Xc＞＞R1，Xc＞＞X1，此時式（3）化為：

而當負載側開路時，有Xc＜＜R1，Xc＜＜X1，式（3）化為：

5 對測試儀器的技術要求

在所有變動過電流互感器二次回路的工作后應對二次回路進行測試檢查，地點一般位于高壓場地，要求測試設備必須具備足夠的便攜性，采用電池作為工作電源。

測試儀器工作時相當于在二次負載上加入了一個電流，因此一般不直接用于測量未停用保護設備的二次繞組。為防止操作人員對繞組判斷錯誤導致將測試電流加入運行設備造成保護誤動，要求測試儀器的測量電流必須小于最小保護啟動電流值，二次測試最大電流應小于80 mA。測量阻抗在不同頻率下有所不同，為保證測試結果最接近運行實際，要求測量阻抗必須基于工頻50 Hz[4]。

6 結 論

電力系統保護與控制非常依賴對電流的采集測量，而電流互感器是其中最重要的設備之一，根據以往的運行經驗，電流互感器開路造成的保護拒動、設備損壞事故頻頻發生，是作業的高風險點。外觀檢查、萬用表測量等現有技術手段不能實現對電流互感器二次回路完好性快速準確的檢驗，使用繼保儀進行二次通流也不具備很強的可操作性。

通過對電流互感器結構和工作原理的分析研究后，利用其特殊的特殊性、二次繞組回路的高抗特性、伏安特性的線性進行初始設計。提出了一種便攜式電流互感器二次回路檢測裝置的設計思路及測量方法，以實現在相關工作后快速準確地判斷電流互感器二次回路的完好性，避免電流互感器開路事故的發生。