電流互感器運(yùn)行特性分析

電流互感器二次開(kāi)路的特性分析以及解決方法，電流互感器運(yùn)行的特定條件。?

關(guān)鍵字：電流互感器　運(yùn)行特性?

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

我們科技服務(wù)小組在檢修學(xué)校配電盤(pán)的一只無(wú)示數(shù)電流表時(shí)發(fā)現(xiàn)，與其相串聯(lián)電流互感器二次開(kāi)路運(yùn)行，實(shí)測(cè)電壓為2．6V，恢復(fù)其原閉路接法，同時(shí)在主回路串入型號(hào)、變化相同的電流互感器，二次開(kāi)路長(zhǎng)期運(yùn)行，并不發(fā)熱。這說(shuō)明：目前實(shí)際應(yīng)用的電流互感器運(yùn)行特性與一百多年來(lái)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(yùn)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(gè)耐壓等級(jí)，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(gè)系列，北京、天津、上誨、沈陽(yáng)、合肥等20個(gè)廠家生產(chǎn)的變化30／5～2000／5的56種電流互感器及其350個(gè)變種，在變流實(shí)驗(yàn)臺(tái)上經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩年半的實(shí)驗(yàn)，記錄了十幾萬(wàn)個(gè)運(yùn)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(kāi)路電壓特性?

對(duì)每一種電流互感器，二次開(kāi)路電壓隨著一次電流的變化，都有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，僅以一次額定電流時(shí)的二次開(kāi)路電壓值說(shuō)明。對(duì)母線穿心式150／5的電流互感器，當(dāng)穿心電流為額定值時(shí)，不同品種的電流互感器二次開(kāi)路電壓為2．6～2；4V。80條二次開(kāi)路電壓特性曲線的規(guī)律是：一次穿心電流從0A增至150A時(shí)，二次開(kāi)路電壓開(kāi)始上升幅度很大，30A以后增加甚小(即使從150A增至800A，二次開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)路電壓是18～121．3V。?

　　在第二次伏安特實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(shí)，測(cè)得二次電壓和一次加額定電流時(shí)測(cè)得的二次開(kāi)路電壓都有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。若用公式計(jì)算，二次開(kāi)路電壓等于二次閉路轉(zhuǎn)為開(kāi)路一次電壓的增量乘以變化。從正反兩方面實(shí)驗(yàn)和法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)結(jié)論證明了二次開(kāi)路電壓測(cè)試值的真實(shí)性。

綜上所述，100多年來(lái)的傳統(tǒng)結(jié)論與科技進(jìn)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(shí)際二次開(kāi)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(kāi)路時(shí)發(fā)熱情況分析

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

所有母線穿心式電流互感器在變流實(shí)驗(yàn)臺(tái)上斷續(xù)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)2年半之久，從未發(fā)現(xiàn)燒壞一例，充分體現(xiàn)了目前實(shí)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(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行證明，當(dāng)一次線圈電流為額定值時(shí)，二次線圈開(kāi)路，保持一次電流仍為額定電流，雖然二次線圈不會(huì)發(fā)熱，但一次線圈功耗量增大。例如44號(hào)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(duì)該系列電流互感器的大量實(shí)際觀察情況表明，如果過(guò)流，一次線圈功耗更大，確實(shí)發(fā)熱，當(dāng)電流超過(guò)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，聞到有焦糊味。若絕緣燒焦，就會(huì)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(kāi)路電壓。

三、電流互感器二次開(kāi)路電壓波形分析

當(dāng)一次電流為0A時(shí)，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(hào)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(shuō)明鐵芯已趨于磁飽和，反映了二次開(kāi)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(dòng)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(guó)計(jì)量電流時(shí)，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(zhǎng)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(shí)，當(dāng)一次穿心電流為150A時(shí)，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(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得8000個(gè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)一次電流超過(guò)額定值10％，隨著一次電流增大，正比差越來(lái)越明顯，而一次電流為15A以下時(shí)，電流互感器二次測(cè)中的電流表示數(shù)有負(fù)比差。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，總負(fù)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(jí)時(shí)，二次回路所取負(fù)載應(yīng)為其銘牌負(fù)荷值的 50％～100％，對(duì)精度為0．1—1級(jí)的電流互感器，應(yīng)取銘牌負(fù)荷的25％一100％，對(duì)當(dāng)?shù)赜昧空冀^對(duì)優(yōu)勢(shì)的負(fù)荷為0．2fl的電流互感器，當(dāng)一次電流達(dá)到額定值時(shí)，依據(jù)規(guī)定二次閉路電壓必定為1V、0．5V和0．25V。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定：若低于上述限量的下限值，測(cè)量精度降低，造成正誤差。但是我們測(cè)量過(guò)許多用戶的配電盤(pán)，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(shí)，而計(jì)費(fèi)用的電流互感器，二次測(cè)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(wàn)用表交流電壓10V檔測(cè)二次閉路電壓為0V。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，實(shí)例都違背了國(guó)家規(guī)定的二次負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)，這是變配電中普遍存在的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

五、消除誤差的方法

兩年內(nèi)我們探索了導(dǎo)線、分?jǐn)?shù)匝、電容、電感、電阻絲等對(duì)正比差補(bǔ)償方法。?

1995年底，我們終于找到了可使電流互感器正、負(fù)比差都明顯減小的技術(shù)方案。例如23號(hào)200／5的電流互感器，當(dāng)母線穿心一匝，一次電流為180A時(shí)，二次顯示194A，正比差為14A，一次電流為5A，二次示數(shù)為0A，負(fù)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(gè)區(qū)間，正比差為0A，負(fù)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(fù)載特性

當(dāng)二次測(cè)所接負(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于銘牌上標(biāo)定的阻抗時(shí)，電流互感器是一恒壓源。例如9號(hào)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(kāi)路時(shí)，用MFl73型萬(wàn)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(cè)得其電壓為2．6V；當(dāng)二次測(cè)并接15Ω300磁場(chǎng)變阻器，分別取阻值15Ω、7．5Ω、3．75Ω時(shí)，二次電壓仍為2．6V；當(dāng)取1．875Ω時(shí)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(yuǎn)小于標(biāo)定阻抗時(shí)，電流互感器接近一恒流源。例如9號(hào)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(shí)驗(yàn)表明，外阻遠(yuǎn)小于標(biāo)定阻抗時(shí)，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(kāi)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(kāi)路電壓很低，內(nèi)阻抗小，過(guò)度時(shí)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(dòng)控制功率型信號(hào)源。利用二次開(kāi)路電壓值對(duì)高輸入阻抗的復(fù)合管、單晶管、VMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管、單向晶闡管、運(yùn)算放大器、比較放大器、時(shí)基電路、靈敏繼電器等直接實(shí)施控制，以突破傳統(tǒng)結(jié)論的禁區(qū)二次開(kāi)路運(yùn)用方式，形成機(jī)電一體化和繼電保護(hù)的產(chǎn)品。此法被人們確認(rèn)后，形成機(jī)電一體化和繼電保護(hù)的產(chǎn)品。此法被人們確認(rèn)后，必然廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，將產(chǎn)生不可估量的、走出傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤區(qū)的社會(huì)效益。

八、電流互感器運(yùn)行的特定條件和內(nèi)阻抗分析?

實(shí)際應(yīng)用的電流互感器的一次最大電流等于滿負(fù)荷電流，同時(shí)受到電力變壓器允許的最大電流、保險(xiǎn)絲熔斷電流、閘刀跳閘電流、自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)限制的電流、過(guò)流保護(hù)器設(shè)定的保護(hù)電流和導(dǎo)線允許的安全電流的嚴(yán)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(wú)窮大電流結(jié)合變化關(guān)系或以設(shè)想二次無(wú)窮大電流來(lái)求二次開(kāi)路電壓，以維護(hù)傳統(tǒng)的二次開(kāi)路電壓結(jié)論是不現(xiàn)實(shí)的。?

在變流實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)每種電流互感器，一次測(cè)注入額定電流的0．1，0．2，…，1倍的電流。二次以開(kāi)路和閉路兩種方式運(yùn)行，測(cè)得一次電壓和一次電流，可以求出一次測(cè)在二次開(kāi)、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(hào) 3015LQG系列電流互感器，當(dāng)一次測(cè)加30A電流，二次開(kāi)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(lèi)電流互感器在一次開(kāi)路或閉路情況下的二次阻抗。

對(duì)母線穿心式電流互感器一次開(kāi)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(xì)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(hào)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(fù)荷0．2Ω或5VA。

點(diǎn)評(píng)

在對(duì)電流互感器進(jìn)行檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使互感器的二次線圈開(kāi)路運(yùn)行，也不會(huì)造成設(shè)備損害。這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)的電工手冊(cè)及各類(lèi)教材所提出的電流互感器二次開(kāi)路產(chǎn)生幾百伏以上、危及人身安全的高壓，鐵芯嚴(yán)重發(fā)熱，燒壞電流互感器并不一致。為了解決這一問(wèn)題，弄清電流互感器的運(yùn)行參數(shù)，作者進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行了大量調(diào)查實(shí)驗(yàn)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(kāi)路狀態(tài)工作時(shí)，一般不會(huì)過(guò)熱；只有極少數(shù)型號(hào)功耗增大，發(fā)熱嚴(yán)重，但在正常工作電流下，也不會(huì)燒壞設(shè)備。至于二次開(kāi)路電壓，則始終在低壓范圍內(nèi)波動(dòng)。作者在對(duì)數(shù)十種型號(hào)的電流互感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論，二次開(kāi)路時(shí)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(dòng)控制功率型信號(hào)源。這種突破傳統(tǒng)的電路運(yùn)用方式，可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。?

從實(shí)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(jī)。