電流互感器知識簡(jiǎn)介
   為了保證電力系統安全經(jīng)濟運行,必須對電力設備的運行情況進(jìn)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?jì)x表和保護裝置使用.執行這些變換任務(wù)的設備,常見(jiàn)的就是我們通常所說(shuō)的互感器.大電流試驗裝置應用于發(fā)電廠(chǎng)、變配電站、電器制造廠(chǎng)及科研院所等部門(mén)，屬于短時(shí)或斷續工作制，具有體積小、重量輕、使用維修方便等特點(diǎn)。進(jìn)行電壓轉換的是電壓互感器(voltagetransformer),而進(jìn)行電流轉換的互感器為電流互感器(currenttransformer),簡(jiǎn)稱(chēng)為CT.本文將討論電流互感器的相關(guān)基本知識.
   1.電流互感器的簡(jiǎn)單分類(lèi)
   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(fā)生系統故障時(shí)大的短路電流造成計量表計的損壞。
   根據對暫態(tài)飽和問(wèn)題的不同處理方法，保護用電流互感器又可分為P類(lèi)和TP類(lèi)。P（protection，保護）類(lèi)電流互感器不特殊考慮暫態(tài)飽和問(wèn)題，僅按通過(guò)互感器的大穩態(tài)短路電流選用互感器，可以允許出現一定的穩態(tài)飽和，而對暫態(tài)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(dòng)作行為（誤動(dòng)或拒動(dòng)）。TP（transientprotection，暫態(tài)保護）類(lèi)電流互感器要求在嚴重的暫態(tài)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(dòng)作。
   對于其它類(lèi)型的互感器，比如光互感器，電子式電流互感器等實(shí)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(shí)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(shí)，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(dòng)作。嚴重時(shí)會(huì )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(guò)大或電流中含有大量的非周期分量，這兩種情況都是發(fā)生在事故情況下的，這時(shí)本來(lái)要求保護正確動(dòng)作快速切除故障，但如果互感器飽和就很容易造成誤差過(guò)大引起保護的不正確動(dòng)作，進(jìn)一步影響系統安全。因此對于電流互感器飽和的問(wèn)題我們必須認真對待。
   互感器的飽和問(wèn)題如果進(jìn)行詳細分析是非常復雜的，因此這里僅進(jìn)行定性分析。
所謂互感器的飽和，實(shí)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(chǎn)生了磁通，進(jìn)而在纏繞在同一鐵芯中上的二次繞組中產(chǎn)生電動(dòng)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(shí)二次回路為通路，則將產(chǎn)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(diǎn)后，B隨勵磁電流或是磁場(chǎng)強度的變化趨于不明顯。也就是說(shuō)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(shí)質(zhì)是鐵芯中的磁通密度B過(guò)大，超過(guò)了飽和點(diǎn)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(guò)大引起磁通密度過(guò)大，將使鐵芯趨于飽和。而此時(shí)互感器的勵磁阻抗會(huì )顯著(zhù)下降，從而造成勵磁電流的再增大，于是又進(jìn)一步加劇了磁通的增加和鐵芯的飽和，這其實(shí)是一個(gè)惡性循環(huán)的過(guò)程。
   暫態(tài)飽和，是指發(fā)生在故障暫態(tài)過(guò)程中，由暫態(tài)分量引起的互感器飽和。我們知道，任何故障發(fā)生時(shí)，電氣量都不是突變的。故障量的出現必然會(huì )伴隨著(zhù)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(fā)生時(shí)伴有較大的暫態(tài)分量時(shí)，也會(huì )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(shí)際運行情況來(lái)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(zhuān)業(yè)而言，角度誤差的測量過(guò)于繁復且實(shí)際情況下誤差也極少出現超標的情況，我們更關(guān)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大短路電流時(shí)，幅值誤差小于等于10％，這也就說(shuō)我們平時(shí)所說(shuō)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(mǎn)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(jìn)行10％誤差分析，我們必須知道保護安裝處的大短路電流、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(jìn)行討論。3.1.勵磁阻抗的測量
   4.互感器實(shí)際二次負擔的測量
   互感器的實(shí)際二次負擔就是每只互感器實(shí)際承載的交流阻抗。可用下式表示：
   電流互感器實(shí)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(guò)的電流
測試應該在電流互感器輸出端測量（實(shí)際工作中多在端子箱出進(jìn)行，這樣會(huì )產(chǎn)生誤差，沒(méi)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(dòng)保護回路阻抗測試時(shí)應將差動(dòng)線(xiàn)圈短接。這是因為，我們上面說(shuō)過(guò)差動(dòng)保護的整定一般均以躲過(guò)外部故障產(chǎn)生的不平衡電流，而此時(shí)理論上是不產(chǎn)生差動(dòng)電流的，也就是說(shuō)差動(dòng)回路中不流過(guò)差動(dòng)電流，因此差動(dòng)回路的阻抗也可以忽略。
   5.分析結論
   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(mǎn)足誤差要求的大的二次允許負載。在3.4中我們又測得了互感器的二次實(shí)際負載。如果實(shí)測負載大于允許大的二次負載，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(diǎn)必須明確，上面進(jìn)行的所有計算均為穩態(tài)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(tài)量很大時(shí)，仍然會(huì )產(chǎn)生很大的誤差。也就是說(shuō)對于暫態(tài)飽和和暫態(tài)誤差，上面的計算是無(wú)意義的。因為對于暫態(tài)分量的形式和大小我們無(wú)法把握和預知。對于由于暫態(tài)分量造成的誤差，一般要采用暫態(tài)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(dòng)作行為的影響。
   后還有一點(diǎn)需要說(shuō)明，現在我們經(jīng)常會(huì )遇到伏安特性很高的互感器。我們在進(jìn)行伏安特性試驗時(shí)，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(shí)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(jīng)超過(guò)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(gè)足夠的值顯然是不可能的。這里不可能有兩個(gè)，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(guò)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(shí)際運行情況。對于這種情況，我們其實(shí)并不需要知道某個(gè)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(xiàn)中，即使互感器已經(jīng)飽和，隨著(zhù)勵磁電流的增加，勵磁電壓也是在增加的（只不過(guò)趨于平緩而已），至少是不會(huì )下降的。因此，以上表為例，我們大可以通過(guò)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(jìn)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(huì )造成錯誤的計算。而計算結果中，我們會(huì )發(fā)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(shí)際二次負載往往仍遠遠小于實(shí)際負載。
   6.其它相關(guān)知識
   6.1.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(shí)出現錄波失真。條件不允許時(shí)可和保護共用一個(gè)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(shí)互感器容易飽和以保護表計不損壞。
   6.2.電流互感器的布置要把握兩個(gè)原則，一是要防止出現保護死區，二是要躲過(guò)互感器易發(fā)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(shí)要求電流互感器的一次測極性端必須安裝咱母線(xiàn)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(wèn)題，仍然會(huì )出現保護范圍的死區。另外，由于互感器底部易發(fā)生故障，而母線(xiàn)保護動(dòng)作停電范圍太大，因此一般要注意母線(xiàn)保護要盡量躲開(kāi)互感器底部。
   6.3.電流互感器的選擇一般有如下原則需要遵循:
   應滿(mǎn)足一次回路的額定電壓、大負荷電流及短路時(shí)的動(dòng)、熱穩定電流的要求；
   應滿(mǎn)足二次回路測量、自動(dòng)裝置的準確度要求和保護裝置10％誤差的要求；
   應滿(mǎn)足保護裝置對暫態(tài)特性要求（如500KV保護）；
   用于變壓器差動(dòng)時(shí)，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(shí)，各互感器特性不一致產(chǎn)生差流，造成誤動(dòng)。
   7.電流互感器類(lèi)型選擇
   為保證保護裝置的正確動(dòng)作，所選擇的互感器至少要保證在穩態(tài)對稱(chēng)短路電流的下的誤差不超過(guò)規定值。至于故障電流中的非周期分量和互感器剩磁等問(wèn)題帶來(lái)的暫態(tài)影響，則只能根據互感器所在系統暫態(tài)問(wèn)題的嚴重程度、保護裝置的特性、暫態(tài)飽和可能引起的后果和運行情況進(jìn)行綜合考慮定性分析，至于精確的暫態(tài)特性計算由于過(guò)于復雜且現場(chǎng)工作情況很難進(jìn)行，因此不進(jìn)行討論。
   7.1.330－500KV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(shí)間常熟較大，互感器暫態(tài)飽和較嚴重，由此可能導致保護錯誤動(dòng)作的后果。因此互感器應保證實(shí)際短路工作循環(huán)中不致暫態(tài)飽和，即暫態(tài)誤差不超過(guò)規定值。一般選用TP類(lèi)互感器，尤其是線(xiàn)路保護考慮到重合閘的問(wèn)題，要考慮雙工作循環(huán)的問(wèn)題，因此推薦使用TPY型。
   7.2.220KV系統保護、高壓側為220KV的變壓器保護互感器其暫態(tài)飽和問(wèn)題及其影響較輕，可按穩態(tài)短路條件計算互感器穩態(tài)特性，進(jìn)而選擇互感器。當然，為減輕可能發(fā)生的暫態(tài)飽和影響，我們有必要留有適當的裕度。220KV系統保護的暫態(tài)系數一般不小于2。
   7.3.110KV系統保護用互感器一般按穩態(tài)條件考慮，采用P類(lèi)互感器。
   7.4.高壓母線(xiàn)差動(dòng)保護用電流互感器，由于母線(xiàn)故障時(shí)故障電流很大，而且外部故障時(shí)流過(guò)互感器的電流差別也很大。即使各互感器特性一致，其暫態(tài)飽和的情況也可能差別很大。因此母線(xiàn)差動(dòng)保護用的電流互感器好要具有抗暫態(tài)飽和的能力。實(shí)際工程應用中，一般按穩態(tài)條件選擇互感器，而抗飽和的問(wèn)題更多的由保護裝置進(jìn)行處理。