计量互感器的应用与优化方式

(1)电流互感器的作用

电力系统用于测量的电流互感器,其作用主要体现在以下3 个方面。

①电流互感器可将电网一次大电流按比例变换为二次小电流,以便实现对大电流的测量等。

②电流互感器采用标准化输出量：输出为5 A、1 A,可使测量仪表的量程统一为简单的几种,并可使仪表小型化、标准化,便于生产和使用。

③电流互感器具有对变换前后电路隔离的结构,加上可靠的绝缘性能,能够保证测量仪表与测试人员的安全。 高压电流互感器二次绕组一点接地是安全保障的又一措施。

(2)电流互感器的基本知识

1)电磁式电流互感器的结构

目前我国生产的电流互感器主要是电磁式电流互感器,它的结构与变压器一样由绕组(即一次绕组和二次绕组)、铁芯和绝缘等构成。 绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间用绝缘隔开。 图1.11 为电流互感器的结构原理图及电路符号。

图1.11　电流互感器的结构原理图及电路符号

2)电磁式电流互感器的分类及铭牌标志

①分类。 按一次绕组主绝缘的不同,电流互感器可分为干式、树脂浇注式、油浸式和SF6气体绝缘式等,其结构有很大的不同。

图1.12 为LMZ1-0.5 型不饱和树脂浇注式结构的电流互感器。

②铭牌标志。 电力系统中的电流互感器,其铭牌应包括以下内容：

a.名称、型号和编号。

b.额定频率、额定电压及设备最高电压。

c.额定电流,以额定电流变比表示,即初级额定电流/次级额定电流(5 A 或1 A)。 若初级绕组分为数段绕制,通过串并联得到几种电流变比,则段数×每段初级额定电流/次级额定电流,例如2 ×1200/1 A。 若次级绕组有抽头,分别标出每对次级端子及其对应的电流变比,例如S1-S2：200/5 A;S1-S2：300/5 A,此处的次级端S 相当于原来的K。

d.额定输出功率(额定二次容量)、准确度等级和其他性能数据。 对于多个次级绕组的电流互感器,应标出每一次级绕组的用途、准确度等级及输出功率。

e.额定动稳定电流峰值和额定短时热电流。

f.额定绝缘水平、绝缘耐热等级(A 级绝缘不标出)。

图1.12　LMZ1-0.5 型不饱和树脂浇注式结构电流互感器

1—铭牌;2—一次母线穿孔;3—铁芯,外绕二次绕组,树脂浇注;4—安装板;5—二次接线端子

g.若允许海拔高于1 000 m 的地区使用,再标出允许海拔高度。

图1.13 为LMZ1D-SMS1 电流互感器的铭牌。

图1.13　LMZ1D-SMS1 电流互感器的铭牌

③型号。 TA 的型号一般表示为：

其中型号字母的含义和排列顺序见表1.2。

表1.2　电流互感器型号字母注释表

注：①用瓷箱做支柱时,不表示。
②主绝缘为瓷绝缘表示,外绝缘为瓷箱式时不表示。
③有些电流互感器用B 和BT 表示。

例如,LFZB5-10 型表示电流互感器为贯穿式(复匝),浇注绝缘,带保护级,第5 次改型设计,额定电压10 kV。 又如,LB1-330 GY 型表示电流互感器为油浸式,带保护级,第1 次设计,额定电压330 kV,高原地区用。

3)电磁式电流互感器的工作原理

电磁式电流互感器的工作原理相当于升压变压器的工作原理,因为升压变压器将电压升高的同时也将电流减小了。 与变压器不同的是电流互感器一次绕组是串联在被测电路中的;二次绕组外部回路串接测量仪表、继电保护和自动装置等二次设备,由于各类阻抗都很小,正常运行时二次接近短路。

式(1.2)中KI 称为电流互感器的变比(也是额定电流变比)。 这就表明,当用电流表测出二次电流I2 再乘以变比KI 时,就能得到一次电流I1 的量值。(www.xing528.com)

4)电流互感器的极性

我国的电流互感器一般采用减极性,如图1.11(b)所示,如果从电流互感器一次绕组的一个端子与二次绕组的一个端子观察,电流I·1、I·2 的瞬时方向是相反的,也就是一次电流、二次电流瞬时分别从被观察的两个端子流入和流出,这样的极性关系称为减极性。 凡符合减极性特性的相对应的一、二次侧端钮为同极性端,分别用L1 和K1 表示,而非极性端分别用L2 和K2 表示。

对多量限一次绕组带有抽头的电流互感器,极性端为L1,以后依次为L2、L3 等,二次绕组带有抽头时,极性端为K1,以后依次为K2、K3 等,如图1.14 所示。

对于具有多个二次绕组的电流互感器,两个绕组分别绕在各自的铁芯上,分别在各个二次绕组的出线端标志“K”前加注数字,如1K1、1K2、2K1、2K2 等,如图1.15 所示。

图1.14　多抽头电流互感器

图1.15　多个二次绕组电流互感器

对于一次绕组分为两段,可串联或并联后改变电流比的电流互感器,一次绕组的首端标以L1,中间出线端子用C1、C2 标注,出线端仍标为L2,二次绕组两端仍分别标以K1、K2,如图1.16 所示。

电流互感器使用时应注意,互感器一次侧以哪一端作为极性端是变化的,一旦一次绕组极性端确定后,二次绕组必须以对应端为表计极性端。 如电流互感器以L1 作为一次侧极性端,则二次侧应以K1 作为表计的极性端。

字母“L”“K”常见标注用在室内校验的标准电流互感器上,目前现场安装的电流互感器一般用字母“P”代替“L”、字母“S”代替“K”分别标注一次端和二次端。

电流互感器的变比在铭牌上有明确的标示,但对穿心式单相低压电流互感器,其变比随着穿心的匝数不同而发生变化。 从电流互感器的原理可知,一次和二次安匝数是相等的,即I1N1 =I2 N2,则I1/I2 =N2/N1。 由于额定二次电流和N2 是不变的,当N1 每增加一倍时,I1 减小一半,即穿心匝数越多,变比越小。 例如,一台穿心1 匝的电流互感器变比为600 A/5 A,穿心2 匝的变比为300 A/5 A,穿心3 匝的变比为200 A/5 A,穿心4 匝的变比为150 A/5 A,穿心5 匝的变比为120 A/5 A。

5)电流互感器的技术参数

①额定电压：指一次绕组与地(或与二次回路)之间的绝缘电压。 应与被测线路电压等级相适应。 电流互感器的额定电压有0.5、3、6、10、35、110 kV 等。

②额定电流：指电流互感器长期正常运行的最大电流。 一次额定电流有50、75、100、150、1 000、10 000、15 000、25 000 A 等。 二次额定电流I2e一般为5 A,用于330 kV 及以上电网时I2e为1 A。

③准确度等级：指电流互感器在规定的二次负荷允许范围内,一次电流为额定值时的最大误差极限。 电流互感器的准确度等级有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、3.0、10.0级,其中0.1 级及以上的为标准互感器用于实验室和标准仪器中;0.2(0.2S)、0.5(0.5S)级用于现场电能计量;1.0 级及以下用于监测电流、功率、功率因数和继电保护装置中。 S 级电流互感器在1% ～120%的额定电流范围内都能准确计量。

④额定负荷：指在保证准确度等级的情况下,二次所接电流线圈、测量仪表总阻抗的额定值Z2e。 计量专用电流互感器额定负荷一般有10 V·A 和15 V·A 两种规格。 对于二次额定电流5 A 的计量专用或电力用电流互感器下限负荷为3.75 V·A(额定负荷功率因素为0.8 L),对于二次额定电流1 A 的计量专用或电力用电流互感器下限负荷为1 V·A。

⑤额定容量：指I2e通过额定二次负荷Z2e所需要的视在功率S2e。 额定容量有2.5、5、10、15 和20 V·A 等规格。

6)电流互感器的接线方式

①分相接线。 图1.17(a)和图1.17(b)为两相和三相的分相接法。 在三相四线系统中也可采用类似的分相接法,采用分相接线虽然会增加二次回路的电缆芯数,但可减少错误接线的概率,提高测量的可靠性和准确度,并给现场检验电能表和检查错误接线带来方便,是接线方式的首选。 在DL/T 448—2016 中将这种接线方式作为标准的接线方式。

图1.16　一次分段电流互感器

图1.17　电流互感器的接线方式

两相星形接线方式的优点：在减少二次电缆芯数的情况下,取得了第三相(常为V 相)电流。 缺点：由于只有两只电流互感器,当其中一点相性接反时,则公共线中的电流变为其他两相电流的相量差,造成错误计量,且错误接线的概率较大;会给现场单相法校验电能表带来困难。

两相星形接线主要用于小电流接地的三相三线系统。

③三相星形接线又称为完全星形接线,如图1.17(d)所示。 它由3 只完全相同的电流互感器构成。 此种接线方式适用于高压大电流接地系统、发电机二次回路、低压三相四线制电路。 采用此种接线方式时,二次回路的电缆芯数较少。 但由于二次绕组流过的电流分别为Iu、Iv、Iw,当三相负载不平衡时,则公共线中有电流In 流过。 若总公共线断开就会产生计量误差,因此公共线是不允许断开的。

7)使用电流互感器的注意事项

①极性连接要正确。 电流互感器的极性一般是按减极性标注的。 接线时如果极性连接不正确,不仅会造成计量错误,而且当同一线路有多个电流互感器并联时还可能造成短路故障。

②二次回路应设保护性接地点。 为防止电流互感器一、二次绕组之间绝缘击穿时高电压窜入低压侧危及人身安全和损坏仪表,其二次回路应设置保护性接地点,且接地点只有一个,一般是经靠近电流互感器端子箱内的接地端子接地。

③运行中二次绕组不允许开路。 正常工作时,电流互感器铁芯中工作磁通密度不大,二次绕组电动势也不大。 当二次绕组开路时二次电流I2 =0,这时I2 的去磁作用消失,一次电流I1 全部用于激磁,使铁芯中的磁感应强度和磁通密度急剧增加而达到饱和状态。 在开路的情况下,当I1 为额定电流时,铁芯中的磁通密度将很高,这样会在二次侧感应很高的电压,可达几千伏甚至更高,由此产生的严重后果有：

a.二次侧出现高电压,危及人身和仪表的安全。

b.铁芯内磁通密度增加、铁芯损耗增加而造成严重发热,可能烧坏互感器。

c.在铁芯中产生剩磁,使电流互感器的误差增大。

因此,在电流互感器使用中应绝对避免二次绕组开路。 如果需要校验或拆换二次回路中的电能表或其他仪表时,应先将电流互感器二次侧短路,且在接线时注意将螺丝和端钮拧紧以避免断开。

④对于具有两个及以上的铁芯共用一个一次绕组的电流互感器来说,要将电能表接于准确度较高的二次绕组上。 同时该绕组不应再接入非电能计量用的其他装置,以防互相影响。