電流互感器知識

為了保證電力系統安全經濟運行,必須對電力設備的運行情況進行監視和測量.但一般的測量和保護裝置不能直接接入一次高壓設備,而需要將一次系統的高電壓和大電流按比例變換成低電壓和小電流,供給測量儀表和保護裝置使用.執行這些變換任務的設備,最常見的就是我們通常所說的互感器.進行電壓轉換的是電壓互感器(voltagetransformer),而進行電流轉換的互感器為電流互感器(currenttransformer),簡稱為CT.本文將討論電流互感器的相關基本知識.

1.電流互感器的基本原理
1.1電流互感器的基本等值電路如圖1所示.

圖1電流互感器基本等值電路
圖中,Es—二次感應電勢,Us—二次負荷電壓,Ip—一次電流,Ip/Kn—二次全電流,Is—二次電流,
Ie—勵磁電流,N1—一次繞組匝數,N2—二次繞組匝數,Kn—匝數比,Kn=N2/N1,Xct—二次繞組電抗(低漏磁互感器可忽略),Rct—二次繞組電阻,Zb—二次負荷阻抗(包括二次設備及連接導線),Ze—勵磁阻抗.
電流互感器的一次繞組和二次繞組繞在同一個磁路閉合的鐵心上.如果一次繞組中有電流流過,將在二次繞組中感應出相應的電動勢.在二次繞組為通路時,則在二次繞組中產生電流.此電流在鐵心中產生的磁通趨于抵消一次繞組中電流產生的磁通.在理想條件下,電流互感器兩側的勵磁安匝相等,二次電流與一次電流之比等于一次繞組與二次繞組匝數比。
即：IpN1=IsN2
Is＝Ip×N1/N2=Ip/Kn
1.2.電流互感器極性標注
電流互感器采用減極性標注的方法，即同時從一二次繞組的同極性段通入相同方向的電流時，它們在鐵芯中產生的磁通方向相同。當從一次繞組的極性端通入電流時，二次繞組中感應出的電流從極性端流出，以極性端為參考，一二次電流方向相反，因此稱為減極性標準。
由于電流方向相反，且鐵心中合成磁通為零。因此得下式：
N1Ip-N2Is=0(本來勵磁安匝的和為零，但考慮到兩個電流的流動方向相對于極性端不同，因此兩者為減的關系)。
推出：Is=N1/N2*Ip
可見，一二次電流的方向是一致的，是同相位的，因此我們可以用二次電流來表示一次電流（考慮變比折算）。這正是減極性標注的優點。
1.3.電流互感器的誤差
在理想條件下，電流互感器二次電流Is＝Ip/Kn，不存在誤差。但實際上不論在幅值上（考慮變比折算）和角度上，一二次電流都存在差異。這一點我們可以在圖1中看到。實際流入互感器二次負載的電流Is＝Ip/Kn－Ie，其中Ie為勵磁電流，即建立磁場所需的工作電流。這樣在電流幅值上就出現了誤差。正常運行時勵磁阻抗很大，勵磁電流很小，因此誤差不是很大經常可以被忽略。但在互感器飽和時，勵磁阻抗會變小，勵磁電流增大，使誤差變大。考慮到勵磁阻抗一般被作為電抗性質處理，而二次負載一般為阻抗性質，因此在二次感應電勢Es的作用下，Is和Ie不同相位，因此造成了一次電流Ip＝Is＋Ie與二次電流Is存在角度誤差δ，且角誤差與二次負載性質有關。圖2表示了二次負載為純阻性的情況。
。
圖中，二次感應電勢Es領先鐵芯中磁通Фm90度。可以近似認為勵磁電流Ie與Фm同相。Es加在Xct、Rct、Zb上產生二次電流Is。Is與Ie合成Ip。可見，圖中Is與Ip不同相位，兩者夾角即為角度誤差。
對互感器誤差的要求一般為，幅值誤差小于10％，角度誤差小于7度。
1.4.電流互感器的簡單分類
根據用途電流互感器一般可分為保護用和計量用兩種。兩者的區別在于計量用互感器的精度要相對較高，另外計量用互感器也更容易飽和，以防止發生系統故障時大的短路電流造成計量表計的損壞。
根據對暫態飽和問題的不同處理方法，保護用電流互感器又可分為P類和TP類。P（protection，保護）類電流互感器不特殊考慮暫態飽和問題，僅按通過互感器的最大穩態短路電流選用互感器，可以允許出現一定的穩態飽和，而對暫態飽和引起的誤差主要由保護裝置本身采取措施防止可能出現的錯誤動作行為（誤動或拒動）。TP（transientprotection，暫態保護）類電流互感器要求在最嚴重的暫態條件下不飽和，互感器誤差在規定范圍內，以保證保護裝置的正確動作。
對于其它類型的互感器，比如光互感器，電子式電流互感器等實際應用還很少，因此這里不作介紹。
2.電流互感器的飽和
前面我們講到電流互感器的誤差主要是由勵磁電流Ie引起的。正常運行時由于勵磁阻抗較大，因此Ie很小，以至于這種誤差是可以忽略的。但當CT飽和時，飽和程度越嚴重，勵磁阻抗越小，勵磁電流極大的增大，使互感器的誤差成倍的增大，影響保護的正確動作。最嚴重時會使一次電流全部變成勵磁電流，造成二次電流為零的情況。引起互感器飽和的原因一般為電流過大或電流中含有大量的非周期分量，這兩種情況都是發生在事故情況下的，這時本來要求保護正確動作快速切除故障，但如果互感器飽和就很容易造成誤差過大引起保護的不正確動作，進一步影響系統安全。因此對于電流互感器飽和的問題我們必須認真對待。
互感器的飽和問題如果進行詳細分析是非常復雜的，因此這里僅進行定性分析。
所謂互感器的飽和，實際上講的是互感器鐵心的飽和。我們知道互感器之所以能傳變電流，就是因為一次電流在鐵芯中產生了磁通，進而在纏繞在同一鐵芯中上的二次繞組中產生電動勢U＝4.44f*N*B*S×10-8。式中f為系統頻率，HZ；N為二次繞組匝數；S為鐵芯截面積，m2；B為鐵芯中的磁通密度。如果此時二次回路為通路，則將產生二次電流，完成電流在一二次繞組中的傳變。而當鐵芯中的磁通密度達到飽和點后，B隨勵磁電流或是磁場強度的變化趨于不明顯。也就是說在N,S,f確定的情況下，二次感應電勢將基本維持不變，因此二次電流也將基本不變，一二次電流按比例傳變的特性改變了。我們知道互感器的飽和的實質是鐵芯中的磁通密度B過大，超過了飽和點造成的。而鐵芯中磁通的多少決定于建立該磁通的電流的大小，也就是勵磁電流Ie的大小。當Ie過大引起磁通密度過大，將使鐵芯趨于飽和。而此時互感器的勵磁阻抗會顯著下降，從而造成勵磁電流的再增大，于是又進一步加劇了磁通的增加和鐵芯的飽和，這其實是一個惡性循環的過程。從圖1中我們可以看到，Xe的減小和Ie的增加，將表現為互感器誤差的增大，以至于影響正常的工作。
鐵芯的飽和我們可以一般可以分成兩種情況來了解。其一是穩態飽和，其二為暫態飽和。
對于穩態飽和，我們可以借助圖一進行分析。在圖中我們可以知道，Ie和二次電流Is是按比例分流的關系。我們假設勵磁阻抗Ze不變。當一次電流由于發生事故等原因增大時，Ie也必然會按比例增大，于是鐵芯磁通增加。如果一次電流過大，也會引起Ie的過大，從而又會走入上面我們所說的那種循環里去，進而造成互感器飽和。
暫態飽和，是指發生在故障暫態過程中，由暫態分量引起的互感器飽和。我們知道，任何故障發生時，電氣量都不是突變的。故障量的出現必然會伴隨著或多或少的非周期分量。而非周期分量，特別是故障電流中的直流分量是不能在互感器一二次間傳變的。這些電流量將全部作為勵磁電流出現。因此當事故發生時伴有較大的暫態分量時，也會造成勵磁電流的增大，從而造成互感器飽和。
3.電流互感器的誤差分析和計算
當我們知道電流互感器的誤差主要是由于勵磁電流Ie引起的之后，就有必要根據實際運行情況來檢驗所使用的電流互感器的誤差是否符合要求。互感器的誤差包括角度誤差和幅值誤差。就繼電保護專業而言，角度誤差的測量過于繁復且實際情況下誤差也極少出現超標的情況，我們更關注的是幅值的誤差。我們一般要求一次電流Ip等于保護安裝處可能的最大短路電流時，幅值誤差小于等于10％，這也就說我們平時所說的10％誤差分析中的要求。
根據一般的電路原理我們可知，在圖一中，為滿足10％誤差的要求（Ie小于等于10％的Ip/Kn），則必須保證勵磁阻抗Ze大于等于9倍的二次回路總負載阻抗（Xct＋Rct＋Zb）。因此為了進行10％誤差分析，我們必須知道保護安裝處的最大短路電流、對應于該電流的互感器勵磁阻抗值和電流互感器的二次回路總負載阻抗。下面我們分別進行討論。3.1.勵磁阻抗的測量
勵磁阻抗的測量試驗就是我們平時所說的伏安特性試驗，試驗一般以圖二所示的互感器簡化示意圖為基礎。我們自互感器二次測施加電壓U，測得勵磁電流Ie（因為此時互感器一次側開路，因此電流只能流過勵磁阻抗Ze，所以此電流一定是勵磁電流。另外，還需注意此項試驗一般應在一次開路的情況下進行，以防止一次回路分流，產生誤差）。改變外加電壓U,會得到不同的Ie。多組U和Ie的組合，就構成了我們的伏安特性試驗數據。將這些數據所對應的點在U－Ie坐標系中繪出并連成曲線，就是互感器的伏安特性曲線。該曲線上任一點的切線，就近似是該點的數據所對應的勵磁阻抗。
圖二電流互感器伏安特性示意圖
圖三電流互感器伏安特性曲線
圖三是比較典型的伏安特性曲線。由圖中可見，勵磁阻抗并不是一個恒定的值，而是隨著Ie的變化不斷變化的。曲線在初始階段基本為一條直線，勵磁阻抗的值基本保持不變，這對應著互感器的線性工作區。而當超過飽和點O點后，曲線急劇趨于水平，U很小的變化都會帶來Ie極大的增加。說明此時勵磁阻抗的值突然變得很小，這對應于互感器的飽和工作區。
這種U－Ie曲線，我們說只能近似表示勵磁阻抗的特性。因為從圖一中可以看到，真正加在勵磁阻抗Ze上的電壓并不是U，而是E。用U來計算勵磁阻抗實際上是將二次繞組電阻Rct和二次繞組電抗Xct包含在內了。實際工作中，我們一般用二次繞組電阻來近似代替整個二次繞組阻抗Zct（底漏磁互感器，Xct可忽略）。
繼電保護技術問答提供數據如下：對于110KV以上電壓等級的互感器一般取Zct＝R，35KV貫串式或常用饋電線互感器取Zct＝3R，R為互感器二次繞組直流電阻值。
這樣以來我們就可以得出勵磁電壓E＝U－Ie×Zct
從而的求得勵磁阻抗Ze=E/Ie
然而，通過這種計算我們僅僅是將上面的伏安特性試驗數據變成了一組勵磁阻抗的數值。為了確定在最大短路電流情況下互感器是否滿足10誤差要求，還必須確認哪一個勵磁阻抗的數值是在最大短路電流情況下的勵磁阻抗。因此在進行下一步計算前，必須確定最大短路電流，從而確定伏安特性數據中用那一組數據來計算勵磁阻抗。
3.2.電流倍數m的確定
電流倍數m的確定，根據不同的保護類型有不同的計算方法。下面分別進行一些說明。
3.2.1縱差保護
m＝Krel*Ikmax/I1n
式中Ikmax――最大穿越故障短路電流。縱差保護的整定一般是對過區外故障時的最大不平衡電流的。因此，這里取最大穿越故障電流以考量這是互感器的誤差是否滿足要求。
Krel――考慮非周期分量影響后的可靠系數。采用速飽和變流器的，因為對非周期分量有一定的抑止作用，因此取值較小一般為1.3。不帶速飽和變流器的，取較大值，一般為2。
I1n――電流互感器的一次額定電流值
3.2.2距離保護
m＝Krel*Ik/I1n
式中Ik――保護范圍一段末端故障時，流過本保護的最大短路電流。這是因為，距離保護一段式躲過末端故障進行整定的，同時，由于各段保護中第一短末端的故障電流一般為最大，因此要用末端最大短路電流來考核互感器誤差。
Krel――可靠系數。保護動作時間小于0.5秒時，考慮到暫態分量可能尚未衰減完畢，因此取較大值1.5；保護動作時間大于0.5秒時，考慮到暫態分量一般均已衰減完畢，其影響已很小，因此取較小值1.3。
3.2.3母差保護
m＝Krel*Ikmax/I1n
式中Ikmax――最大穿越故障短路電流。由于母線差動一般也是按躲過區外故障時的最大不平衡電流來整定，因此這里同樣用最大穿越故障電流來考核互感器誤差。
Krel――可靠系數取1.3。
3.2.4限時速斷保護
m＝Krel*Iop/I2n*Kcon
式中Iop――繼電器動作電流。因為速斷保護反應的是故障電流超過動作電流的情況。因此只需用動作電流加可靠系數來考量即可。至于超過故障電流后互感器器產生的誤差，一般并不影響速斷保護的動作行為。
Krel――可靠系數取1.1
I2n――電流互感器二次額定電流
Kcon――電流互感器接線系數。因為要反映的是互感器本身的實際感受，因此要考慮接線系數的影響，所以這里除以接線系數。
3.3.伏安特性數據的選取
我們知道通過伏安特性試驗得到的數據為多個數據組，我們應該選擇那組電流電壓數據進行計算勵磁阻抗呢？我們一般借助下面的等式：
m＝I1/I1n＝10Ie/I2n
I1――為3.2中我們計算m值時所用的電流值
10Ie――對應于I1的二次電流，考慮到10％誤差的極限要求，所以用10Ie表示。
由于I1n、I1和I2n均已知，通過上式我們就可以在知道對應的保護型式時，計算勵磁阻抗所用的勵磁電流。
這樣我們就可以選取一組伏安特性數據（U－Ie）利用3.1的公式計算出相應的勵磁阻抗了。
當然，如果計算出的Ie值在試驗數據中沒有，則還要采用插值法近似求得。
3.4.互感器實際二次負擔的測量
互感器的實際二次負擔就是每只互感器實際承載的交流阻抗。可用下式表示：
電流互感器實際負擔＝單相互感器繞組兩端電壓/測試電流互感器繞組內流過的電流
測試應該在電流互感器輸出端測量（實際工作中多在端子箱出進行，這樣會產生誤差，沒有計及端子箱到互感器輸出端子出電纜）。應當注意，當作差動保護回路阻抗測試時應將差動線圈短接。這是因為，我們上面說過差動保護的整定一般均以躲過外部故障產生的不平衡電流，而此時理論上是不產生差動電流的，也就是說差動回路中不流過差動電流，因此差動回路的阻抗也可以忽略。
互感器二次負擔測試的示意圖如圖四所示：

圖四互感器二次負擔示意圖
試驗時我們向二次回路分別通入相間電流，測量電壓。從而計算出相間阻抗ZAB、ZBC、ZCA。從A相通入單相電流測量電壓，得出ZAO。于是我們就可以計算出各相及零相二次負擔為：
ZA=ZAB ZAC-ZBC/2
ZB=ZAB ZBC-ZCA/2
ZC=ZBC ZCA-ZAB/2
ZO=ZAO-ZA
二次負擔的大小還與故障類型和互感器接線形式有關，因此進行二次負擔測量時好要考慮固定接線方式的情況下哪種故障類型時二次負擔最大。當然，計算m值時所用的故障電流也要采用同樣的故障類型。兩者要綜合考慮，總的目的是使互感器工作條件最惡劣。
3.5.分析結論
在3.3中我們計算出了勵磁阻抗，那么更加10％誤差的要求，就可以求出滿足誤差要求的最大的二次允許負載。在3.4中我們又測得了互感器的二次實際負載。如果實測負載大于允許最大的二次負載，則互感器誤差不符合要求。反之則符合誤差要求。
如果10％誤差不符合要求一般的做法有：
增大二次電纜界面積（減少二次阻抗）
串接同型同變比電流互感器（減少互感器勵磁電流）
改用伏安特性較高的繞組（勵磁阻抗增大）
提高電流互感器變比（增大勵磁阻抗）
在這里有一點必須明確，上面進行的所有計算均為穩態量的計算。即使計算結果完全符合誤差要求，當故障量中暫態量很大時，仍然會產生很大的誤差。也就是說對于暫態飽和和暫態誤差，上面的計算是無意義的。因為對于暫態分量的形式和大小我們無法把握和預知。對于由于暫態分量造成的誤差，一般要采用暫態特性的互感器以及在保護中采取相應的措施以避免對保護動作行為的影響。
最后還有一點需要說明，現在我們經常會遇到伏安特性很高的互感器。我們在進行伏安特性試驗時，現有的儀器根本不能將勵磁電流升到足夠高的水平。下面是一組實際測得的某互感器的伏安特性數據：
I(A)0.0150.020.0250.040.08
U(V)7007808209701230
從上表中我們可以看到，勵磁電流還不到0.1A，電壓就已經超過1000V。即使互感器二次額定電流為1A，那么我們考慮到短路電流倍數，將勵磁電流升到一個足夠的值顯然是不可能的。這里不可能有兩個，一是現有的常用試驗儀器的容量不夠；二是考慮到二次回路的耐壓水平也就是2000KV而已，真的通過其它方式將電壓升高，不僅可能造成二次設備的損壞，而且也并不符合實際運行情況。對于這種情況，我們其實并不需要知道某個我們應該計算的勵磁電流對應的電壓。這是因為在勵磁特性曲線中，即使互感器已經飽和，隨著勵磁電流的增加，勵磁電壓也是在增加的（只不過趨于平緩而已），至少是不會下降的。因此，以上表為例，我們大可以通過短路電流倍數的計算確定勵磁電流值，然后用1230V，甚至是700V作為電壓值進行計算。這顯然是比常規的算法對互感器的要求更加苛刻了，因此不會造成錯誤的計算。而計算結果中，我們會發現，即使是采用這種更加苛刻的算法，這種高伏安特性的互感器允許的實際二次負載往往仍遠遠小于實際負載。另外我們可以換一個角度來看這個問題，其實勵磁電壓高，實際上就是說明互感器的勵磁阻抗值很大（看一下圖二電流互感器伏安特性示意圖），那么當然其允許的二次負載也必然很大。
4.其它相關知識
4.1.繼電保護應采用保護級繞組。故障錄波一般應單獨采用保護級繞組以防止故障電流大時出現錄波失真。條件不允許時可和保護共用一個繞組，但要布置在保護裝置后面。表計應采用測量計繞組，一是保證精度，而是在故障時互感器容易飽和以保護表計不損壞。
4.2.電流互感器的布置要把握兩個原則，一是要防止出現保護死區，二是要躲過互感器易發生故障的部分。為防止死區，一般要求各種保護的保護范圍之間要有交叉，同時要求電流互感器的一次測極性端必須安裝咱母線側。這是因為互感器二次繞組的排列是以互感器一次極性端為參考的，如果一次極性端放置錯誤，那么盡管在二次繞組的分配上考慮到了交叉問題，仍然會出現保護范圍的死區。另外，由于互感器底部最易發生故障，而母線保護動作停電范圍太大，因此一般要注意母線保護要盡量躲開互感器底部。
我們可以通過兩個例子進行說明。圖五中表示的為線路保護的兩個互感器布置方案。方案一中發生K1故障時，線路保護不能動作，但母線保護能快速切除故障，缺點是停電范圍過大。方案二中，如果K2點發生故障，線路保護能快速動作跳開斷路器，但不能消除故障。需要啟動失靈保護來切除故障，而失靈保護帶有延時且停電范圍同樣過大。因此互感器配置宜選擇方案一。

圖五互感器繞組布置實例1
圖六中為考慮互感器內部故障保護避免死區的情況。圖中所示互感器為U型互感器，其彎曲部分容易與油箱發生短路故障。線路保護與母線保護的四種配置方案如圖所示。在K點發生故障時：方案一線路保護切除故障，具有選擇性影響范圍小；方案二，母線保護切除故障停電范圍大；方案三線路保護和母線保護均動作切除故障，但母線保護動作擴大了停電范圍；方案四，兩套保護均不動作，存在保護范圍的死區。因此，應該采用方案一。
圖六考慮到互感器內部故障時的配置實例
4.3.輔助中間變流器一般要采用降流變流器，因為有利于減小二次負擔。
4.4.失靈保護一般不用TP,而用P級互感器。因為失靈保護要求電流判別元件動作返回均要快速。而TP級互感器盡管暫態特性好但電流返回較慢，容易給失靈保護帶來影響。
4.5.互感器的伏安特性試驗除了檢驗互感器的勵磁特性，為10％誤差分析提供數據之外。還有一項重要的作用，就是檢查互感器二次繞組有無匝間短路的情況。因為如果互感器二次繞組發生匝間短路特別是短路匝數較少時，利用測量直阻的方法是無法檢查出來的。目前唯一可以使用的方法就是測量互感器伏安特性，然后和出廠報告以及同類互感器進行比較。測量伏安特性時必須注意加油要平穩，最忌諱有往復擺動現象。因為這時候互感器的剩磁會對試驗數據產生很大的影響。如果發生了擺動，應將電壓平穩降至零然后再重新加壓開始試驗。
4.6.我們以5P20，30VA說明常見的對互感器的標識方法，其中5為準確級（誤差極限為5％），P為互感器形式（保護級），20為準確限值系數（20倍的額定電流），30VA表示額定二次負荷（容量）。簡單的說就是互感器額定二次負荷為30VA,額定電流下允許二次負載Zb＝Sb/I2n2。二次額定電流為5A時，Sb＝25Zb；二次額定電流為1A時，Sb＝Zb。5P20表示，在20倍的額定電流下互感器誤差不超過5％。
4.7.互感器二次額定電流有1A、5A兩種。根據4.6的分析我們可以定性的分析得知相同條件下二次額定電流為1A的互感器允許的二次負載比5A的互感器大。因此對于新建設備有條件時宜選用二次額定電流為1A的互感器。盡量避免一個變電站內同一電壓等級的設備出現不同的二次額定電流，以免引起公共保護（比如母線差動保護）整定的困難。
4.8.電流互感器的選擇一般有如下原則需要遵循:
應滿足一次回路的額定電壓、最大負荷電流及短路時的動、熱穩定電流的要求；
應滿足二次回路測量、自動裝置的準確度要求和保護裝置10％誤差的要求；
應滿足保護裝置對暫態特性要求（如500KV保護）；
用于變壓器差動時，各側電流互感器的鐵芯宜采用相同的鐵芯型式。各互感器的特性宜相同。以防止區外故障時，各互感器特性不一致產生差流，造成誤動。
5.電流互感器類型選擇
為保證保護裝置的正確動作，所選擇的互感器至少要保證在穩態對稱短路電流的下的誤差不超過規定值。至于故障電流中的非周期分量和互感器剩磁等問題帶來的暫態影響，則只能根據互感器所在系統暫態問題的嚴重程度、保護裝置的特性、暫態飽和可能引起的后果和運行情況進行綜合考慮定性分析，至于精確的暫態特性計算由于過于復雜且現場工作情況很難進行，因此不進行討論。
5.1.330－500KV系統保護、高壓側為330－500KV的變壓器保護用的電流互感器，由于系統一次時間常熟較大，互感器暫態飽和較嚴重，由此可能導致保護錯誤動作的后果。因此互感器應保證實際短路工作循環中不致暫態飽和，即暫態誤差不超過規定值。一般選用TP類互感器，尤其是線路保護考慮到重合閘的問題，要考慮雙工作循環的問題，因此推薦使用TPY型。
5.2.220KV系統保護、高壓側為220KV的變壓器保護互感器其暫態飽和問題及其影響較輕，可按穩態短路條件計算互感器穩態特性，進而選擇互感器。當然，為減輕可能發生的暫態飽和影響，我們有必要留有適當的裕度。220KV系統保護的暫態系數一般不小于2。
5.3.110KV系統保護用互感器一般按穩態條件考慮，采用P類互感器。
5.4.高壓母線差動保護用電流互感器，由于母線故障時故障電流很大，而且外部故障時流過互感器的電流差別也很大。即使各互感器特性一致，其暫態飽和的情況也可能差別很大。因此母線差動保護用的電流互感器最好要具有抗暫態飽和的能力。實際工程應用中，一般按穩態條件選擇互感器，而抗飽和的問題更多的由保護裝置進行處理。