保護用電流互感器在低壓配電系統中的選型方案

摘要

    分析電流互感器的原理，介紹了保護用電流互感器的種類(lèi)，分析其特點(diǎn)，結合工程實(shí)例分析，談?wù)剬ΡＷo用電流互感器的選用。

1.引言

    隨著(zhù)我國電力系統不斷完善和發(fā)展，低壓配電系統的自動(dòng)化程度不斷提高，測量、計量用均形成自動(dòng)化，而用戶(hù)對自身用電設備的暫態(tài)和穩態(tài)保護意識越來(lái)越強，為此保護用電流互感器已被廣泛地應用于電力保護裝置之中。

2.電流互感器工作原理

    保護用電流互感器的工作原理與測量用電流互感器的工作原理較為類(lèi)似，工作原理如圖1所示，電流互感器的一次繞組串聯(lián)在被測線(xiàn)路中，I1為線(xiàn)路電流即電流互感器的一次電流，N1為電流互感器的一次匝數，I2電流互感器二次電流（通常為、1A），N2為電流互感器的二次匝數，2e為二次回路設備及連接導線(xiàn)阻抗。當一次電流從電流互感器P1端流進(jìn)，P2端出，在二次2e接通的情況下，由電磁感應原理，電流互感器二次繞組有電流I2從S1流過(guò)，經(jīng)2e至S2，形成閉合回路。由此可得電流在理想狀態(tài)下I1×N1=I2×N2，所以有I1/I2=N1/N2=K，K為電流互感器的變比。

圖1

3.保護用電流互感器的分類(lèi)

    保護用電流互感器分暫態(tài)（TP類(lèi)）和穩態(tài)（P類(lèi)）條件保護，TP類(lèi)電流互感器是考慮暫態(tài)條件的保護用電流互感器。一般P類(lèi)保護用電流互感器僅考慮在穩態(tài)短路電流情況下保證具有規定的準確性，在具有非周期分量的暫態(tài)條件下則可能飽和而使誤差遠超過(guò)允許值。TP類(lèi)保護用電流互感器則要求在規定工作循環(huán)的暫態(tài)條件下保證規定的準確性。

3.1 TP類(lèi)電流互感器分以下級別并定義如下：

    TPS級（鐵心閉合）：低漏磁電流互感器，其性能由二次勵磁特性和匝數比誤差限值規定，對剩磁無(wú)規定。

    TPX級（鐵心閉合）：準確限值規定為在的暫態(tài)工作循環(huán)中的峰值瞬時(shí)誤差（ε），對剩磁無(wú)規定。其二次時(shí)間常數在數秒以上。

    TPY級（小氣隙鐵心）：準確限值規定為在的暫態(tài)工作循環(huán)中的峰值瞬時(shí)誤差（ε），剩磁不超過(guò)飽和磁通的10%。其二次時(shí)間常數在數百毫秒至1秒左右。

    TP級（大氣隙鐵心）：準確限值規定為在的二次時(shí)間常數下，具有大直流偏移的單次通電時(shí)的峰值瞬時(shí)交流分量誤差（ε_ac）。無(wú)直流分量誤差限值要求。剩磁通實(shí)際上可以忽略，其二次時(shí)間常數在60～100毫秒左右。

    TPS級電流互感器的誤差限值見(jiàn)表1，TPS級電流互感器的性能與P類(lèi)互感器中的PX級電流互感器相當，誤差限值條件由匝數比和勵磁特性確定，匝數比K_n誤差應不超過(guò)±0.25%。

    勵磁特性的二次極限電動(dòng)勢E_al不低于規定值，此電動(dòng)勢幅值增大10%時(shí)致使相應勵磁電流增大不超過(guò)*。當客戶(hù)有規定時(shí)，在勵磁極限二次電動(dòng)勢下測得的勵磁電流峰值應不超過(guò)規定值，如果未限值，則勵磁電流應不超過(guò)折算到二次側I_th的10%。對于TPS,由用戶(hù)規定額定等效二次極限電動(dòng)勢，通常表示如下：E_al≥K_sK_ssc（R_ct+R_b）I_sn其中K_s為客戶(hù)給定的暫態(tài)系數，R_ct由制造廠(chǎng)的設計確定，但在有些使用條件下，為了與其他設備相配合，可由客戶(hù)提出其限值。

    TPX級、TPY級、TP級電流互感器的誤差限值表1。P類(lèi)電流互感器的誤差限值條件由復合誤差規定。TP類(lèi)電流互感器在暫態(tài)情況下的誤差限值條件則由瞬時(shí)誤差規定。這是由于引起互感器誤差的勵磁電流在暫態(tài)情況下一般不是周期分量，只能用瞬時(shí)電流描述。主要技術(shù)參數見(jiàn)表2。

表1  TP類(lèi)電流互感器誤差限值

表2 TP類(lèi)電流互感器規范內容

    注2：技術(shù)規范包括補充規范，應在產(chǎn)品銘牌上標明，以便用戶(hù)進(jìn)行性能校驗。    注1：當客戶(hù)希望獲得新設備與現有設備兼容時(shí)，在相配合的技術(shù)規范中可規定某些參數的限值，例如T_s或R_ct。但承認不同設計之間可能有些差別。

3.2TP類(lèi)電流互感器的應用特點(diǎn)

    （1）TPS級和TPX級電流互感器。TPS級電流互感器除了是低漏磁型外，還要求嚴格控制匝數比。適用于根據簡(jiǎn)單環(huán)流原理和采用高阻抗繼電器的差動(dòng)保護系統。由于對剩磁不限制，保護繼電器的勵磁使用極限，通常由試驗和現場(chǎng)經(jīng)驗得出的經(jīng)驗公式確定。若在電流互感器已嚴重飽和時(shí)切斷一次電流，將使得二次回路中的電流隨同磁通由飽和狀態(tài)快速降低到剩磁水平，保護繼電器的復歸時(shí)間，通常不明顯受TPS電流互感器衰減特性的影響。適用于對復歸時(shí)間要求嚴格的斷路器失靈保護電流檢測元件。

    TPX級電流互感器的基本特性一般與TPS級相似，只是對誤差限值的規定不同。對于TPS和TPX級電流互感器，在t＜t_max和T_p＜＜T_s情況下的C-t-O工作循環(huán)中，暫態(tài)面積系數計算公式可簡(jiǎn)化為：

    K_td≈2πfT_p（1-錯誤！未找到引用源。）+1

    C-t′-O-t_fr-C-t″-O工作循環(huán)的暫態(tài)面積系數公式可簡(jiǎn)化為：

    K_td=【ωT_p（1-錯誤！未找到引用源。）-sinωt′】錯誤！未找到引用源。+ωT_p（1-錯誤！未找到引用源。）+1

    由于這類(lèi)電流互感器二次時(shí)間常數T_s較大，在重合閘斷電時(shí)間t_fr鐵心磁通衰減很有限，兩次通電循環(huán)的K_td值很大，故TPS和TPX互感器不適用于線(xiàn)路重合閘情況。

    2）TPY級電流互感器。TPY級電流互感器控制剩磁不大于飽和磁通的10%。有利于C-O-C-O工作循環(huán)的準確限值，適用于采用重合閘的線(xiàn)路保護。在從飽和到剩磁狀態(tài)的轉換期間，與相同尺寸和相同二次外接負荷的TPS級或TPX級電流互感器相比，由于磁阻、儲能、以及磁通變化量的不同，因而二次回路的電流值較高且持續時(shí)間較長(cháng)。不宜用斷路器失靈保護。

    對于TPY級電流互感器，額定暫態(tài)面積系數K_td可按公式進(jìn)行計算，工作循環(huán)有關(guān)參數可根據電力系統實(shí)際情況確定。但二次回路時(shí)間常數T_s變化范圍較大，通常是由制造設計優(yōu)化確定的。制造廠(chǎng)應提供額定二次負荷下的T_s值。應用時(shí)可根據實(shí)際二次負荷進(jìn)行修正。

   （3）TP級電流互感器。對于TP級電流互感器，剩磁可忽略不計。嚴重飽和后衰減的二次電流在初階段（繼電器返回時(shí)）比相應的TPY級保持更高數值。這類(lèi)互感器適用于僅反應交流分量的保護。許多繼電器將被測量經(jīng)過(guò)輸入電流/電壓傳感器轉換后處理，因此，僅二次電流的交流分量有意義。由于不保證低頻分量誤差及勵磁阻抗低，此類(lèi)互感器一般不推薦用于主設備保護和斷路器失靈保護。

3.3 P和PR類(lèi)電流互感器的準確特性

    P類(lèi)電流互感器是IEC標準和我國國家標準GB1208-2006規定的保護用電流互感器，現已在我國廣泛應用。由于P類(lèi)互感器的鐵心是閉合的，在嚴重短路后可能殘留有剩磁，將嚴重影響互感器的性能。故IEC關(guān)于電流互感器標準的修改單規定了PR類(lèi)電流互感器，規定該類(lèi)電流互感器的剩磁系數小于10%。

    P類(lèi)及PR類(lèi)電流互感器的準確級在額定準確限值一次電流下的大允許復合誤差的百分值標稱(chēng)，標準準確級為：5P、10P、5PR、10PR。電流互感器在額定頻率及額定負荷下，電流誤差、相位誤差和復合誤差不超過(guò)下表3所列限值。

表3 P類(lèi)及PR類(lèi)電流互感器誤差限值

    發(fā)電機和變壓器主回路、220kV及以上電壓線(xiàn)路宜采用復合誤差較?。úㄐ位冚^?。┑?P或5PR級電流互感器。其他回路可采用10P或10PR級電流互感器。    對于PR電流互感器，有些情況下應規定二次時(shí)間常數T_s值以限制復合誤差。

3.4 PX類(lèi)電流互感器的準確特性

    PX類(lèi)電流互感器是IEC標準新定義的一種電流互感器，其性能與英國標準規定的X類(lèi)互感器相當。PX類(lèi)電流互感器用于5P和10P的準確限值不適應的特殊場(chǎng)合。例如對互感器變比和勵磁特性有嚴格要求的高阻抗母線(xiàn)保護。勵磁特性是電流互感器二次端子上正弦波電動(dòng)勢方均根值與所加勵磁電流的方均根值的相互關(guān)系，此時(shí)互感器的一次繞組和其他繞組均開(kāi)路。如下圖2：

圖2

   PX級互感器是低漏磁型，其性能可由以下規范確定：

  ·額定一次電流；（I_pn）

  ·額定二次電流；（I_sn）

  ·額定匝數比，匝數比誤差不應超過(guò)±0.25%；

  ·額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢；（E_k）

  ·額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢的大勵磁電流；（I_e）

  ·在溫度為75℃時(shí)二次繞組大電阻（R_ct）

  ·額定負荷電阻；（R_bn）

  ·計算（尺寸）系數（K_x）。

    額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢定義為電流互感器所有其他端子均開(kāi)路時(shí)，施加于二次端子上的額定頻率正弦波電動(dòng)勢小方均根值。當此值增加10%時(shí)，其勵磁電流方均根值增加至但不大于50%。額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢可用以下公式表示：

    E_k=K_x×（R_ct+R_bn）×I_sn

3.5常見(jiàn)保護用電流互感器的型號規格

    保護用電流互感器就是為保護用繼電器提供電流的電流互感器器，與電流繼電器等類(lèi)似電器配套使用，主要用于低壓配電系統電流過(guò)載保護和短路保護。主要準確級有：5P、10P，5、10表示復合誤差5%、10%，準確限值系數又叫限值系數，它是額定準確限值一次電流（此時(shí)符合誤差不超過(guò)5%、10%）與額定一次電流的比值，準確限值系數有，5、10、15、20，以江蘇安科瑞AKH-0.66 P系列保護型電流互感器為例，具體型號與規格見(jiàn)表4.

表4 保護用電流互感器的型號規格

圖3   AKH-0.66  P系列保護型電流互感器外形圖

3.6保護用電流互感器在低壓配電系統中的問(wèn)題及應用實(shí)例

    保護電流互感器在低壓配電系統中，準確級以及準確限值系數的選擇是用戶(hù)經(jīng)常碰到的問(wèn)題。

    2003年河北某工廠(chǎng)，由于新廠(chǎng)房擴建，在新廠(chǎng)房1500米附近安裝了一臺250KVA（10/0.4kV）配變，與主變距離2500米，因負荷較?。~定電流80A），當時(shí)為了考慮計量準確，使互感器額定一次電流與大負荷電流相接近，將電流互感器比選擇100/，同時(shí)保護用電流互感器選擇100/，10P10。在施工下水道時(shí)，將電纜挖斷，造成工廠(chǎng)附近大面積停電。

    經(jīng)電網(wǎng)參數計算得：主變短路電抗為X1 = 0.07Ω，配變短路電抗為X2 = 0.5Ω，短路點(diǎn)前短路電抗為X3= 0.4Ω， 計算電抗X*∑= X1 + X2 + X3 = 0.97。 相短路時(shí)TA流經(jīng)次暫態(tài)短路電流周期分量值為：I" = 1 / X*∑×5.5 = 5.67（kA），此時(shí)短路電流是額定電流的56.7倍，遠遠大于準確限值系數10，同時(shí)復合誤差超過(guò)10%時(shí)，影響繼電器動(dòng)作，應該選擇500/ 10P15。

3.7電流互感器使用過(guò)程中的注意事項

   ●電流互感器在接線(xiàn)時(shí)，同名端要保持一致，即P1、S1；P2、S2。

   ●電流互感器在正常運行時(shí)，二次不得開(kāi)路，防止二次開(kāi)路產(chǎn)生高電壓，影響人身和設備安全。

4.結束語(yǔ)

    本文對低壓配電系統中的不同類(lèi)型電流互感器進(jìn)行了簡(jiǎn)單概述，推薦給電力系統各位專(zhuān)家和電氣工程師們參考，有利于不同類(lèi)型低壓電流互感器在低壓智能配電系統的廣泛應用。

參考文獻

[1]江蘇安科瑞電器制造有限公司.電量傳感器選型手冊,201407版.

[2]任致遠，周中.電力電測數字儀表原理與應用指南,中國電力出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：周菁，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向為電量傳感器設計。