保護用電流互感器在低壓配電系統中的選型方案

何艷1白怡明1 楊廣亮2

1中煤國際工程集團沈陽設計研究院, 沈陽 110000

2楊廣亮 江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405；

    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，分析其特點，結合工程實例分析，談談對保護用電流互感器的選用。

    1.引言

    隨著我國電力系統不斷完善和發展，低壓配電系統的自動化程度不斷提高，測量、計量用均形成自動化，而用戶對自身用電設備的暫態和穩態保護意識越來越強，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似，工作原理如圖1所示，電流互感器的一次繞組串聯在被測線路中，I1為線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5A、1A），N2為電流互感器的二次匝數，Z2e為二次回路設備及連接導線阻抗。當一次電流從電流互感器P1端流進，P2端出，在二次Z2e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，經Z2e至S2，形成閉合回路。由此可得電流在理想狀態下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

    保護用電流互感器分暫態（TP類）和穩態（P類）條件保護，TP類電流互感器是考慮暫態條件的保護用電流互感器。一般P類保護用電流互感器僅考慮在穩態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條件下則可能飽和而使誤差遠超過允許值。TP類保護用電流互感器則要求在規定工作循環的暫態條件下保證規定的準確性。

    3.1 TP類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，對剩磁無規定。

    TPX級（鐵心閉合）：準確限值規定為在指定的暫態工作循環中的峰值瞬時誤差（ε），對剩磁無規定。其二次時間常數在數秒以上。

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

    TPZ級（大氣隙鐵心）：準確限值規定為在指定的二次時間常數下，具有最大直流偏移的單次通電時的峰值瞬時交流分量誤差（εac）。無直流分量誤差限值要求。剩磁通實際上可以忽略，其二次時間常數在60～100毫秒左右。

    TPS級電流互感器的誤差限值見表1，TPS級電流互感器的性能與P類互感器中的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Kn誤差應不超過±0.25%。

    勵磁特性的二次極限電動勢Eal不低于規定值，此電動勢幅值增大10%時致使相應勵磁電流增大不超過100%。當客戶有規定時，在勵磁極限二次電動勢下測得的勵磁電流峰值應不超過規定值，如果未指定限值，則勵磁電流應不超過折算到二次側Ith的10%。對于TPS,由用戶規定額定等效二次極限電動勢，通常表示如下：Eal≥KsKssc（Rct+Rb）Isn其中Ks為客戶給定的暫態系數，Rct由制造廠的設計確定，但在有些使用條件下，為了與其他設備相配合，可由客戶提出其限值。

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

    表1 TP類電流互感器誤差限值

    表2 TP類電流互感器規范內容

    注1：當客戶希望獲得新設備與現有設備兼容時，在相配合的技術規范中可規定某些參數的限值，例如Ts或Rct。但必須承認不同設計之間可能有些差別。

    注2：技術規范包括補充規范，應在產品銘牌上標明，以便用戶進行性能校驗。

    3.2TP類電流互感器的應用特點

    （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。適用于根據簡單環流原理和采用高阻抗繼電器的差動保護系統。由于對剩磁不限制，保護繼電器的勵磁使用極限，通常由試驗和現場經驗得出的經驗公式確定。若在電流互感器已嚴重飽和時切斷一次電流，將使得二次回路中的電流隨同磁通由飽和狀態快速降低到剩磁水平，保護繼電器的復歸時間，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＜tmax和Tp＜＜Ts情況下的C-t-O工作循環中，暫態面積系數計算公式可簡化為：

    Ktd≈2πfTp（1-錯誤！未找到引用源。）+1

    C-t′-O-tfr-C-t″-O工作循環的暫態面積系數公式可簡化為：

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

    由于這類電流互感器二次時間常數Ts較大，在重合閘斷電時間tfr鐵心磁通衰減很有限，兩次通電循環的Ktd值很大，故TPS和TPX互感器不適用于線路重合閘情況。

    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工作循環的準確限值，適用于采用重合閘的線路保護。在從飽和到剩磁狀態的轉換期間，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間較長。不宜用斷路器失靈保護。

    對于TPY級電流互感器，額定暫態面積系數Ktd可按公式進行計算，工作循環有關參數可根據電力系統實際情況確定。但二次回路時間常數Ts變化范圍較大，通常是由制造設計優化確定的。制造廠應提供額定二次負荷下的Ts值。應用時可根據實際二次負荷進行修正。

    （3）TPZ級電流互感器。對于TPZ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最初階段（繼電器返回時）比相應的TPY級保持更高數值。這類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過輸入電流/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，此類互感器一般不推薦用于主設備保護和斷路器失靈保護。