電流互感器伏安特性試驗分析與應用

耿恒業，張 晶，劉承志

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

1 概 述

電流互感器（Current Transformer，CT）類似一臺一次線圈匝數少和二次線圈匝數多的變壓器。由于其二次側串聯的是阻抗很小的電流表或者其他儀器儀表的電流線圈，因此運行中的電流互感器又類似于一臺工作在短路狀態的變壓器。它是按照一、二次電流與一、二次線圈匝數成反比的規律來檢測一次電流，不但大大簡化了儀表和繼電器的結構，有利于儀表和繼電器產品的標準化，而且能使工作人員遠離高壓部分，免受高壓威脅。

CT的伏安特性，是指在CT一次側開路的情況下，CT二次側所施加的電壓與二次側所通過的勵磁電流的關系曲線，也被稱為鐵芯的磁化曲線。伏安特性試驗的主要目的有以下兩方面，一方面是檢驗新投用CT的鐵芯質量，檢查新測出的伏安特性曲線是否與出廠前的伏安特性曲線一致，確保新投用CT的鐵芯無損傷，也可留下其原始試驗數據以供后期比對。另一方面是判斷CT的二次繞組是否存在匝間短路等缺陷，長期運行的CT因配合發電機組或配電設備大修或定期維護而停運檢修時，通過鑒別伏安特性曲線拐點電壓是否有顯著下降來判斷長期運行后CT的二次繞組是否存在匝間短路等缺陷，確保發電機組或配電設備的安全可靠運行[1]。

2 試驗原理

電流互感器工作時的等效電路圖如圖1所示。

圖1 CT工作時等效電路圖

圖中，為CT換算到二次側的一次電流；為CT換算到二次側的一次繞組漏抗；Ie為勵磁電流；Ze為勵磁阻抗；E2為勵磁電勢；I2為二次繞組電流；Z2為二次繞組漏抗；ZL為CT二次繞組負載阻抗。各參數間存在以下關系：

CT正常工作時，鐵芯的磁通密度很低，勵磁電流很小，由式（1）可知，二次側電流隨一次側電流的增加而線性增加。當電力線路發生短路等故障時，線路電流即CT一次側電流急劇增大，鐵芯的磁通密度大大增加，此時因鐵芯飽和導致大量電流損耗于鐵芯發熱上，勵磁電流因鐵芯飽和而發生畸變并急劇增大。此外，CT二次側電流因為急劇增大勵磁電流的存在也發生畸變和失真，從而導致CT從一次側到二次側的電流傳變出現很大的誤差[2]。

由于CT運行時產生相同的勵磁電勢所要求的勵磁電流與在CT二次側直接施加勵磁電流的情況基本一致，因此可以通過CT的伏安特性試驗來檢驗CT的性能和質量。CT伏安特性試驗時的等效電路圖如圖2所示。

圖2 CT伏安特性試驗等效電路圖

圖中，Ie為勵磁電流；Ze為勵磁阻抗；E2為勵磁電勢；I2為二次繞組電流；Z2為二次繞組漏抗；U2為二次繞組電勢。由于伏安特性試驗時，CT一次繞組開路，因此有以下關系：

由上述分析可知，在CT二次繞組施加電壓的初始階段，CT伏安特性曲線表現為線性，當二次繞組施加的電壓增加到一定值后，勵磁電流Ie急劇增加。當施加于CT二次繞組的額定頻率的電壓增加10%時，若CT勵磁電流增加50%，則伏安特性曲線上的此點為拐點，拐點對應的二次繞組所施加的電壓即為拐點電壓。典型CT的伏安特性曲線如圖3所示。

圖3 典型CT的伏安特性曲線

3 試驗方法

安裝前或定期維護保養時，電流互感器伏安特性校驗的常用試驗方法一般有以下兩種。

3.1 傳統設備測試法

利用調壓器、升壓變壓器、電壓表以及電流表等傳統設備測試CT的伏安特性，其接線方法如圖4所示。使用該方法進行CT伏安特性試驗時，當CT二次繞組的電流達到二次額定電流所需施加的電壓時很可能會超出調試器的輸出上限，此時就需要使用一臺升壓變壓器來升壓，且該升壓變壓器高壓側的最大輸出電流及試驗所用電流表的最大量程均必須大于CT二次繞組的額定電流。此外，試驗所用電壓表的最大量程一般應不小于1 000 V，或可以直接使用量程足夠的萬用表來測量CT二次繞組的電壓，此時無需連接圖示的電壓表[3]。

圖4 傳統設備測試CT伏安特性的接線圖

3.2 伏安特性測試儀測試法

利用CT伏安特性測試儀來測試CT的伏安特性，此時的接線方法如圖5所示。圖中交流電壓/電流輸出端子用于給所測試CT的二次繞組施加測試電壓及勵磁電流，電壓測量端子用于實時測量給所測試CT二次繞組施加的測試電壓。

目前，CT伏安特性測試儀作為新興的智能化測試設備，一般均具備電壓和電流數字顯示功能，且可直接打印出所測試CT的伏安特性曲線，并顯示拐點所對應的電壓值和電流值，便于試驗人員將之與CT出廠時或者近期的伏安特性曲線測試結果做比較與分析，以研判CT的設備狀況。

圖5 利用CT伏安特性測試儀測試CT伏安特性的接線圖

4 試驗注意事項

為保障伏安特性試驗過程中人員和設備的安全，同時確保試驗數據的正確性和可靠性，應在伏安特性試驗過程中遵循以下注意事項。首先，試驗前應拆除CT二次繞組的引出線和接地線，嚴防接地，確保試驗CT可靠獨立于綜保裝置、電流表以及多功能表等所有應用設備，防止試驗時損壞應用設備。其次，試驗時給試驗CT的二次側施加的電壓和電流均不得超過CT生產廠家技術文件規定的限值，嚴防損毀所測試的CT。CT一次側應可靠開路，參考CT二次側的額定電流選取若干個電流點，逐點讀取和記錄各電流點對應的電壓值和電流值。每個電流點在CT二次側施加電壓前必須均從零開始升壓升流，且調壓器不能來回調節，以減輕磁滯影響，確保試驗數據的準確性。此外，當電壓略微增加而勵磁電流增加很多時，說明CT鐵芯已接近飽和，則該點已接近拐點，升壓必須極其緩慢，防止損壞CT。最后，試驗后根據測得的數據所繪出的伏安特性曲線或者打印出的伏安特性曲線與CT出廠試驗時或者上幾個周期的試驗結果做比對，拐點電壓應無明顯降低，否則CT鐵芯可能損壞或者CT二次繞組可能存在匝間短路現象，此時應做進一步檢查或者直接更換CT。對于同一組電流互感器，如U、V以及W三相同一組CT相對應的二次繞組的伏安特性曲線應基本一致，同時應及時恢復CT二次繞組引線和接地線的連接，并做好各類技術和組織的安全措施[4]。

5 結 論

電流互感器在電力系統的測量、計量以及保護方面有著極其重大的作用，其鐵芯及繞組是否正常對于電力系統的平穩運行有著關鍵影響。因此，利用伏安特性試驗對CT質量和運行狀況進行檢查和校驗有著重大的現實意義，便于及時發現CT鐵芯損壞和繞組匝間短路等設備隱患，為電力線路繼電保護裝置的可靠正確動作、避免電力系統供電故障、縮小故障范圍以及維持電力系統穩定可靠運行提供了技術保障。此外，CT伏安特性試驗需要依托前人的經驗基礎，結合各自項目實際，不斷地學習總結，以便更好地為電力系統的安全高效運行保駕護航。