电流互感器二次回路电流信号自动化校验技术

胡建宇

（赤峰市产品质量检验检测中心，赤峰 024005）

要确保电力系统的安全和稳定，就必须要清楚地了解电网中各种实时运行参数[1]，以便在系统出现故障时，保护设备在第一时间迅速做出响应，这就要求变流器能够准确地把一次大电流变换成二次小电流[2]。对于新建的电厂、变电站，在有条件的情况下，变压器的二级电流应选择1 A。如果在变电站扩建工程中，原变压器为5 A 时，那么二级电流也应选择5 A，以保证全变电站二次电流的一致性。电流互感器主要用于继电器，其具有良好的抗饱和性能[3]，当线路出现短路、过载等故障时，可将系统的工作状况反馈给继电器，从而作出正确的判断，从而保障电力系统的安全[4]。

文献[5]提出了一种基于自动检定装置的校验方法，采用传输标准和验证准则，在各实验室进行量值的传输，从基础误差、重复性、一致性、误检率、错误率5 个维度进行量值追溯，并由休哈特控制图实时反馈检测误差，完成对自动检验系统的量值追溯和在线监测。文献[6]从电压互感器结构出发，对其测量电流凹陷的误差进行分析，建立模拟模型，对暂降初相角度、剩余电压、电流互感器参数、负载对电流凹陷持续时间、凹陷幅度、相位跳跃等特征量的影响和敏感性分析，最后，针对由于电流凹陷的不确定性，采用虚拟阻抗补偿技术对电流互感器电压流陷完成信号校验。

但上述文献没有考虑到磁滞回线引发的能量损耗问题，校正后结果容易导致二次绕组死区。因此，本文所提电流互感器二次回路电流信号自动化校验技术，不仅分析了电流互感器二次回路特征，还计算了磁滞损失和涡流损失，得出互感器的相位差会导致二次回路电流信号出现异常，通过校验电流互感器二次回路电流负荷，计算电缆最大容许长度，确保设备正常运行。

1 电流互感器二次回路电流特征分析

电流互感器根据电磁感应原理[7]，一次绕极小，一次电流不变；二次匝数大，工作在接近短路的情况下，二次回路电流表达式为

式中：N1和N2为一次、二次侧匝数。由于一次线圈I1N1与二次线圈I2N2在铁心内感应出的磁链互相抵消[8]，使得线圈处于非饱和状态，从而导致电流互感器具有理想变压器的线性转换特性。若二次侧断开，一次侧的I1N1保持不变，二次侧I2N2=0，一次侧的磁链全加在铁芯上，一次大电流使铁芯完全饱和，而二次磁链在二次侧上形成一个很高的二次电压，其有效数值表达式为

式中：K 为铁心特征系数[9]；AC为磁路的有效截面；LC为平均长度；I1为一次有效电流。电流互感器二次侧开路电压与变压器二次绕组匝数、一次电流的大小成正比关系。

当磁心处于饱和状态时，磁滞回线会环绕较大的区域，如图1 所示。磁滞回线所围绕的区域与一次周期磁化时的能量损失成比例，其中包含了磁滞损失和涡流损失。这样，饱和铁心就会产生较大的热量[10]，容易导致电流互感器的失效。

图1 磁滞回曲线Fig.1 Hysteresis loop curve

2 电流互感器二次回路电流信号异常原因分析

电流互感器在工作时，饱和铁心会产生较大的热量，导致二次回路电流信号出现各种异常。电流互感器模数转换及数据处理带来的延迟[11]，使得相位差指数不能满足要求，因此计算新的相位误差，用于后续校正。

极坐标的相位差φ＝φs-φp，如图2（a）所示，其中φp为一次电流相量Ip的相位位移，φs为二次电流相量Is的相位偏移，Kr为变率。当Is在Ip之前，那么φ＞0。相位误差φe=φ-（φ0r+φtdr），如图2（b）所示，φ0r为额定的相位偏差补偿，φtdr=-2π ftdr为由额定时延tdr造成的相位偏移，f 为频率。无积分环空心线圈型[12]互感器的φ0r=90°，而其他电流互感器的φ0r＝0°，则表示所有其他的相位偏离都要计入tdr。电流信号输出的Is通常会延迟为Ip，也就是φ＜0，如图2（c）所示，因为修正后的tdr工作和φ 呈相反位置[13]，所以φe＜φ。图2（d）中实际测量的相量参照图，通过将基准系统的相量添加到图2（c）中得到。分析电流信号异常情况，首先采用取样技术将基准系统数字化，然后将其与测量互感器的输出进行对比。很明显，基准系统的相位差φr包括由部件[14]造成的相位偏移φer以及在取样处理中延迟tdrr。实际运行得到相位差为测量互感器与基准系统输出相之间的角差，也就是在图2（d）中，最底端两个相位之间的角为φm。

图2 电流互感器信号异常图Fig.2 Current transformer signal abnormality diagram

由于基准体系的tdrr和φer更精确，所以可以对整体的测试体系进行修正。将φ0r略去，将其设置为0°，φr=φer-2π ftdrr，则测量互感器的相位误差表达式为

3 电流互感器二次回路电流信号自动化校验技术

3.1 单相互感器单电流表

通过单相互感器二次回路电流负荷的实际值计算过程为

一个等级为0.5 的电流互感器，其额定为S2=10 VA。

二次额定电流I2n=5 A，S2=10 VA=52×Z2≅25R2，二级额定电流I2n=1 A，S2=10 VA=12×Z2≅R2。

当负荷电流达到0.5 级时，电流互感器二次回路的总电阻R2≤0.4 Ω，5 A 电流互感器在二次端；R2≤10 Ω，1 A 电流互感器在二次端。

由于轴的功率通常比电机的额定功率小，所以实际的二次负载都要比额定的电流小。举例：一台55 kW 的电动机In=102.5 A，选择LMZJ1-0.5，150/5（1）A 的电流互感器，输出功率为42 kW，自动校验电缆的长度为230 m，实际负荷电流为78.5 A。

也就是自动校验二次回路电流负荷是：I2sj＝2.62 A，5 A 电流互感器在二次侧；I2sj＝0.523 A，1 A 电流互感器在二次侧。

当负荷电流达到0.5 级时，电流互感器二次回路的总电阻值为R2≤1.46 Ω，5 A 电流互感器在二次侧；R2≤36.5 Ω，1 A 电流互感器在二次侧。

按照式（4）来计算自动校验电流互感器二次回路的总电阻：

式中：Kj×1为连接互感器导线的接线因数，Kj×1＝2；Rdx为接线的电阻，Rdx＝ρL/S；铜导线ρ=0.0184 Ω·mm2/m[15]；Kj×2为测量仪器的导线因数，Kj×2=1；Zcj为测量仪器的内部电阻，Zcj=1 VA，但实际电流负荷为0.5 VA；因此，Zcj≅Rcj=1 VA/52=0.04 Ω，或者为Zcj≅Rcj=1 VA/12=1.0 Ω；Rjc为互感器线接触电阻，其中Rjc＝0.05 Ω。

因此，整个二次侧阻抗为Z2＝2 ρL/S+0.09 Ω或者Z2＝2ρL/S+1.05 Ω。

将L=230 m，S=1.5（2.5）mm2，ρ=0.0184 Ω·mm2/m代入二次侧阻抗中能够得到：

5 A 电流互感器，1.5 mm2电缆：Z2＝2 ρL/S+0.09 Ω＝5.73 Ω＞1.46 Ω，未达到标准。

1 A 电流互感器，1.5 mm2电缆：Z2＝2 ρL/S+0.09 Ω＝6.69 Ω＜36.5 Ω，达到标准。

按照式（5），计算出自动校验控制缆线的最大容许长度：

式中：S2为电流互感器二次额定负荷；Scj为测量仪器负荷；S 为连接线截面；I2n为电流互感器二次额定电压，1 A 或5 A；I1n为电流互感器一次额定电流；I1为一次电流互感器的实际操作电流；Kj×1为接线的接线因数，Kj×1＝2；Kj×2为测量仪器的导线因数，Kj×2＝1；在二次额定电流为1 A、二次负荷为10 VA 时，所述自动校验控制电缆的横截面为1.5 mm2，则符合0.05级的电缆最大容许长度为

在二次额定电流为5 A、二次负荷为10 VA 时，所述控制电缆的横截面为1.5 mm2，所述0.5 级的电缆最大容许长度为

3.2 互感器两相电流表

电流互感器二次回路电流负荷的实际值表达式为

如果L=230 m，S=1.5 mm2，Z2=6.67 Ω＜36.5 Ω，则符合规定。

自动校验控制电缆的最大容许长度可由式（5）来计算，但导线的连接因数是不同的。

综上所述，将电流互感器二次回路电流信号自动校验完成，防止设备受到电流冲击，保证电力运行稳定。

4 自动化校验实验

为了验证所提技术的有效性，利用某电网500 kV综合潮流控制器项目，完成性能测试。如图3 所示为电流互感器实验现场情况。

图3 电流互感器实验现场图Fig.3 Field diagram of current transformer experiment

极线及阀出口变压器的额定电流为1000 A，输出电压为2000 A。一阶跃信号是由瞬态阶跃供电完成的，为此采集直流暂态信号，并检测电流变压器的接收信号，对数据处理。在检验电流互感器的末端模块中，后备芯线将控制室内集成单元的输出直接导入原位测试现场，从而解决标准侧和校验互感器二次输出同时读出的难题。

极线侧和阀出口侧电流互感器的输出信号是IEC60044 版本的FT3，而定制FT3 是50 kHz。瞬态阶跃源最大输出电压为300 A，采用瞬态阶跃源，将100 A 和300 A 的阶跃信号分别应用于2 个互感器，并对基准电源和校验互感器的上升时间、最大过冲以及二者的瞬态延迟进行测量，结果如图4、图5 所示。

图4 极线侧电流互感器特性实验结果Fig.4 Experimental results of the characteristics of the pole side current transformer

图5 阀出口侧电流互感器特性实验结果Fig.5 Experimental results of valve outlet current transformer characteristics

按照图4 和图5 实验结果，利用线性插值方法对电流互感器的上升时间、最大过冲和瞬态延迟采取统计和分析，得到了相应的数据，如表1 所示。

表1 标准源与被测互感器性能比较Tab.1 Comparison of performance between standard source and tested transformer

通过表1 能够观察到：

（1）在100 A 的瞬态电流下，在标准电源侧、校验极线侧、阀出口侧电流互感器的升高时间都在规定范围以内，符合电流互感器技术标准。但是，因为阶跃源的振幅较低，阶跃信号的上升时间较短，瞬态阶跃电源的调整周期相对较短，所以在这个时候，基准电源的最大过冲和校验互感器的最大过冲也就越大。

（2）在300 A 的瞬态电流下，阶跃信号的振幅增加，高频成分增加，由于校验电流互感器已被安装在高处，实验环由2 条较长的铜线与校验互感器相连接，其总体感抗很高，且不能使标准电源的标准信号发生迅速的变化，因而标准源和校验电流互感器的上升时间大于200 μs，这就使调整时间延长，使标准源和校验电流互感器的最大过冲值保持在9.5%以下，达到标准规定的要求。

（3）所提检验技术以90%的参考电源和检查电流互感器的幅度首次到达阶跃信号，而10 kHz 的极线侧电流互感器的瞬变信号延迟约308.2 μs。对于输出50 kHz 的阀出口电流互感器，其瞬时信号的延迟约为75.2 μs。根据制造商的要求，在信号传输、远端模块处理、打包处理、输出等过程中，检验电流互感器的数据延迟达到3 个，与实测数据一致，减少电流冲击，确保电力系统的稳定。

5 结语

电流互感器二次回路的正确配置、接线、安装等，甚至二次回路上一颗小螺丝都会对电力系统安全造成一定的影响。随着电力系统的发展，其安全需求日益增加，电流互感器在电力系统中的地位突出，要改善电网的供电可靠性，必须不断优化保护方案，加强现场施工和维修，以防止电流互感器二次回路的故障导致设备的损坏和大范围的停电。因此，提出了电流互感器二次回路电流信号自动化校验技术，通过对电流互感器二次回路特性分析，发现其滞后损耗和涡流损耗，因电流互感器相位差异会引起二次回路电流信号的异常，随后对其电流负荷检验，并确定电缆最大允许长度，保证了装置正常工作。