電流互感器運行特性分析

電流互感器二次開路的特性分析以及解決方法，電流互感器運行的特定條件。

關(guān)鍵字：電流互感器　運行特性

在電工手冊及各類教材中，對電流互感器二次開路運行的結(jié)論是：“電流互感器二次開路產(chǎn)生幾百伏、lkV～10kV的危及人身安全的高壓；鐵芯嚴重發(fā)熱，燒壞電流互感器。”這也是電力界公認的法規(guī)。

我們科技服務(wù)小組在檢修學(xué)校配電盤的一只無示數(shù)電流表時發(fā)現(xiàn)，與其相串聯(lián)電流互感器二次開路運行，實測電壓為2．6V，恢復(fù)其原閉路接法，同時在主回路串入型號、變化相同的電流互感器，二次開路長期運行，并不發(fā)熱。這說明：目前實際應(yīng)用的電流互感器運行特性與一百多年來傳統(tǒng)的結(jié)論相比，有著不容忽視的重大差別。

為了分析電流互感器運行參數(shù)，在電業(yè)公司和校黨總支部大力支持下，我們將收集到的0．5kV和10kV兩個耐壓等級，變電站用的LQJ，LFC，LFCD，母線穿心式lMK，LMKl，LMZ，LMZ1，LMZJ1和在平度已被淘汰的LQG等9個系列，北京、天津、上誨、沈陽、合肥等20個廠家生產(chǎn)的變化30／5～2000／5的56種電流互感器及其350個變種，在變流實驗臺上經(jīng)過長達兩年半的實驗，記錄了十幾萬個運行數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)出了如下結(jié)論。

一、電流互感器二次開路電壓特性

對每一種電流互感器，二次開路電壓隨著一次電流的變化，都有嚴格的對應(yīng)關(guān)系，僅以一次額定電流時的二次開路電壓值說明。對母線穿心式150／5的電流互感器，當(dāng)穿心電流為額定值時，不同品種的電流互感器二次開路電壓為2．6～2；4V。80條二次開路電壓特性曲線的規(guī)律是：一次穿心電流從0A增至150A時，二次開路電壓開始上升幅度很大，30A以后增加甚小(即使從150A增至800A，二次開路電壓平均只上升0．2V)。

母線穿心式200／5的電流互感器，二次開路電壓是3．9～6．5V；母線穿心式 300／5—2000／5的電流互感器，二次開路電壓為6．5～37．2V。

LQG系列從30／5—600／5的電流互感器，二次開路電壓是12．8～21．4V。

變電站用的LQJ，LFC，LFCD系列50／5～300／5的電流互感器，二次開路電壓是18～121．3V。

　　在第二次伏安特實驗臺上，利用調(diào)壓器、電流表、導(dǎo)線將所有的電流互感器二次線圈分別接人調(diào)壓器的輸出端，當(dāng)二次輸入5A電流時，測得二次電壓和一次加額定電流時測得的二次開路電壓都有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。若用公式計算，二次開路電壓等于二次閉路轉(zhuǎn)為開路一次電壓的增量乘以變化。從正反兩方面實驗和法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)結(jié)論證明了二次開路電壓測試值的真實性。

綜上所述，100多年來的傳統(tǒng)結(jié)論與科技進步、材料更新、結(jié)構(gòu)變化、工藝革新的現(xiàn)代新型電流互感器的實際二次開路電壓相比存在著巨大差別，所以傳統(tǒng)結(jié)論應(yīng)當(dāng)修正。

二、電流互盛器二次開路時發(fā)熱情況分析

　　對母線穿心式電流互感器，根據(jù)焦耳—楞次定律Q=I2Rt，二次開路時由 I2=0，Q2=0，所以二次線圈不會發(fā)熱。但是，當(dāng)二次線圈由閉路轉(zhuǎn)為開路時，母線上功耗增大。對母線穿心式150／5的電流互感器一次電流為額定值時，經(jīng)過計算其功耗增量最小為9W，最大為17W。由于母線粗長，散熱忍受力好，不會發(fā)熱。

所有母線穿心式電流互感器在變流實驗臺上斷續(xù)運行長達2年半之久，從未發(fā)現(xiàn)燒壞一例，充分體現(xiàn)了目前實用新型電流互感器發(fā)熱特性與傳統(tǒng)結(jié)論截然不同。

已被平度淘汰的LQG系列電流互感器在交流實驗臺上進行證明，當(dāng)一次線圈電流為額定值時，二次線圈開路，保持一次電流仍為額定電流，雖然二次線圈不會發(fā)熱，但一次線圈功耗量增大。例如44號30／5的電流互感器，其一次壓降增量為2．5V，功耗增大75W，一次線圈略微發(fā)熱。對該系列電流互感器的大量實際觀察情況表明，如果過流，一次線圈功耗更大，確實發(fā)熱，當(dāng)電流超過額定值50％后，一次線圈燙手，由于熱傳遞，鐵芯和二次線圈也相繼發(fā)熱，長時間運行，聞到有焦糊味。若絕緣燒焦，就會產(chǎn)生一次電壓加入二次線圈的惡性結(jié)果，體現(xiàn)了此系列互感器的發(fā)熱情況仍符合100多年前的傳統(tǒng)結(jié)論，但此電壓系供電電壓，根本不是感應(yīng)的二次開路電壓。

三、電流互感器二次開路電壓波形分析

當(dāng)一次電流為0A時，二次輸出電壓波形為一條水平線。隨著一次電流的增大，56種電流互感器波形變化十分復(fù)雜，又各具有其自身特色。如6號互感器，一次電流為3A，二次電壓波形為正弦波，一次電流從4A增至150A波形畸變，隨著一次電流增大，波形畸變加劇，其變化特別是有效寬度變窄，峰—峰值上升，占空因數(shù)下降，但每半周包圍的面積增加甚微。

每半周包圍面積增加很小說明鐵芯已趨于磁飽和，反映了二次開路電壓隨著一次電流增大，只能微弱上升，而峰—峰值增大反映了整流濾波電壓有較大的上升幅度，為自動化控制提供了較寬的控制區(qū)間。

四、比差特性分析

目前，我國計量電流時，要求用1．5mm2的銅線將電流互感器二次線圈和電度表電流線圈短接，這是降低精度產(chǎn)生正比差的應(yīng)用方法。以母線穿心式150／5的電流互感器為例，我們分別以1．5mm2長4m的銅線，將其二次線圈分別與150／5A的電流表和電度表的電流線圈串聯(lián)時，當(dāng)一次穿心電流為150A時，所有電流互感器都能使電流表碰針，若一次電流降至135A，電流表示數(shù)為140～150A。

在變流實驗臺上測得8000個數(shù)據(jù)表明，當(dāng)一次電流超過額定值10％，隨著一次電流增大，正比差越來越明顯，而一次電流為15A以下時，電流互感器二次測中的電流表示數(shù)有負比差。

按照國家標(biāo)準規(guī)定，總負荷電流應(yīng)該等于電流互感器額定電流的75％～ 100％，電流互感器精度為1～3級時，二次回路所取負載應(yīng)為其銘牌負荷值的 50％～100％，對精度為0．1—1級的電流互感器，應(yīng)取銘牌負荷的25％一100％，對當(dāng)?shù)赜昧空冀^對優(yōu)勢的負荷為0．2fl的電流互感器，當(dāng)一次電流達到額定值時，依據(jù)規(guī)定二次閉路電壓必定為1V、0．5V和0．25V。我國國家標(biāo)準還規(guī)定：若低于上述限量的下限值，測量精度降低，造成正誤差。但是我們測量過許多用戶的配電盤，當(dāng)用于電流表示數(shù)的電流互感器，使電流表顯示接近額定值時，而計費用的電流互感器，二次測用規(guī)定導(dǎo)線直接接人三相電度表的電流線圈，以指針式萬用表交流電壓10V檔測二次閉路電壓為0V。運行數(shù)據(jù)表明，實例都違背了國家規(guī)定的二次負載標(biāo)準，這是變配電中普遍存在的一個技術(shù)問題。

五、消除誤差的方法

兩年內(nèi)我們探索了導(dǎo)線、分數(shù)匝、電容、電感、電阻絲等對正比差補償方法。

1995年底，我們終于找到了可使電流互感器正、負比差都明顯減小的技術(shù)方案。例如23號200／5的電流互感器，當(dāng)母線穿心一匝，一次電流為180A時，二次顯示194A，正比差為14A，一次電流為5A，二次示數(shù)為0A，負比差為5A。利用這種技術(shù)方案，可以使該電流互感器一次電流從0A到額定電流的整個區(qū)間，正比差為0A，負比差最大值為lA，從而發(fā)現(xiàn)了降低電流互感器比差的技術(shù)方案。

六、電流互感器的負載特性

當(dāng)二次測所接負載阻抗遠大于銘牌上標(biāo)定的阻抗時，電流互感器是一恒壓源。例如9號150／5互感器，銘牌上標(biāo)定的阻抗為0．2Ω。當(dāng)一次電流為150A，二次開路時，用MFl73型萬用表交流10V檔，精度為9kΩ／V，相當(dāng)于在二次回路上串聯(lián) 90kΩ的電阻，測得其電壓為2．6V；當(dāng)二次測并接15Ω300磁場變阻器，分別取阻值15Ω、7．5Ω、3．75Ω時，二次電壓仍為2．6V；當(dāng)取1．875Ω時二次電壓才降為 2．55V，有力地證明了上述結(jié)論。

當(dāng)外阻遠小于標(biāo)定阻抗時，電流互感器接近一恒流源。例如9號150／5互感器，將一次電流調(diào)至135A，分別和1．5mm／X 30cm的鋁線、1．5mm2X4m的銅線串接150／5A電流表，利用1．5mm2X 30cm的鋁線、1．5mm2X 4m的銅線串接 150／5A電流表和5A電度表電流線圈，電流表示數(shù)都是150A。上述實驗表明，外阻遠小于標(biāo)定阻抗時，電流互感器是一恒流源，并且都有相同的正比差。

七、典型母線穿心式電流互感器二次開路的具體應(yīng)用

由于母線穿心式400／5以下各種電流互感器二次開路電壓很低，內(nèi)阻抗小，過度時又不發(fā)熱，具有恒壓源和恒流源特性，可以穩(wěn)定、可靠地用作自動控制功率型信號源。利用二次開路電壓值對高輸入阻抗的復(fù)合管、單晶管、VMOS功率場效應(yīng)管、單向晶闡管、運算放大器、比較放大器、時基電路、靈敏繼電器等直接實施控制，以突破傳統(tǒng)結(jié)論的禁區(qū)二次開路運用方式，形成機電一體化和繼電保護的產(chǎn)品。此法被人們確認后，形成機電一體化和繼電保護的產(chǎn)品。此法被人們確認后，必然廣泛應(yīng)用于自動化控制設(shè)計，將產(chǎn)生不可估量的、走出傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤區(qū)的社會效益。

八、電流互感器運行的特定條件和內(nèi)阻抗分析

實際應(yīng)用的電流互感器的一次最大電流等于滿負荷電流，同時受到電力變壓器允許的最大電流、保險絲熔斷電流、閘刀跳閘電流、自動空氣開關(guān)限制的電流、過流保護器設(shè)定的保護電流和導(dǎo)線允許的安全電流的嚴格控制。眾所周知，電流互感器二次電流額定值為5A，如果脫離上述條件，試圖以二次感應(yīng)電壓公式E=L× di／dt設(shè)想無窮大電流結(jié)合變化關(guān)系或以設(shè)想二次無窮大電流來求二次開路電壓，以維護傳統(tǒng)的二次開路電壓結(jié)論是不現(xiàn)實的。

在變流實驗臺上對每種電流互感器，一次測注入額定電流的0．1，0．2，…，1倍的電流。二次以開路和閉路兩種方式運行，測得一次電壓和一次電流，可以求出一次測在二次開、閉路情況下的阻抗，其數(shù)值很小。例如一次阻抗最大的44號 3015LQG系列電流互感器，當(dāng)一次測加30A電流，二次開路，一次電壓為3V，則一次阻抗為0．1Ω。在二次閉路條件下，一次電壓為0．5V，一次阻抗為O．017Ω,。其余電流互感器隨變化的增大。一次阻抗變得很小，其中以母線穿心式的電流互感器最小。同理利用二次伏安特性，可以直接求出除母線穿心式電流互感器以外的其他各類電流互感器在一次開路或閉路情況下的二次阻抗。

對母線穿心式電流互感器一次開路情況下，二次阻抗可以直接利用二次伏安法求出。一次閉路情況下的二次阻抗必須加穿心短路環(huán)，所用短路環(huán)是多股細銅線組成的150mm2以上的單匝或多匝短路環(huán)，在滿足二次輸入安匝近似等于—•次安匝情況下，可求出母線穿心式電流互感器一次閉路情況下的二次阻抗。例如5號電流互感器，二次注入1～5A電流，一次加150mm2短路環(huán)后，其二次阻抗都是0．19Ω，近似等于銘牌標(biāo)定的負荷0．2Ω或5VA。

點評

在對電流互感器進行檢修時發(fā)現(xiàn)，即使互感器的二次線圈開路運行，也不會造成設(shè)備損害。這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)的電工手冊及各類教材所提出的電流互感器二次開路產(chǎn)生幾百伏以上、危及人身安全的高壓，鐵芯嚴重發(fā)熱，燒壞電流互感器并不一致。為了解決這一問題，弄清電流互感器的運行參數(shù)，作者進行了一系列的實驗，在進行了大量調(diào)查實驗基礎(chǔ)上，得出了令人信服的結(jié)論。

作者發(fā)現(xiàn)，目前生產(chǎn)和應(yīng)用的電流互感器的發(fā)熱特性與傳統(tǒng)結(jié)論截然不同：其二次開路狀態(tài)工作時，一般不會過熱；只有極少數(shù)型號功耗增大，發(fā)熱嚴重，但在正常工作電流下，也不會燒壞設(shè)備。至于二次開路電壓，則始終在低壓范圍內(nèi)波動。作者在對數(shù)十種型號的電流互感器進行實驗測定的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論，二次開路時具有恒壓源和恒流源兩種電路的特性，可以穩(wěn)定、可靠地用作自動控制功率型信號源。這種突破傳統(tǒng)的電路運用方式，可廣泛應(yīng)用于自動化控制設(shè)計，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

從實際出發(fā)，不迷信傳統(tǒng)觀念，利用科學(xué)手段突破舊有框框，大膽創(chuàng)新，才能在科技事業(yè)中取得成績。