保护用电流互感器在低压配电系统中的选型方案

何艳1白怡明1 杨广亮2

1中煤国际工程集团沈阳设计研究院, 沈阳 110000

2杨广亮 江苏安科瑞电器制造有限公司，江苏 江阴 214405；

    摘 要：分析电流互感器的原理，介绍了保护用电流互感器的种类，分析其特点，结合工程实例分析，谈谈对保护用电流互感器的选用。

    1.引言

    随着我国电力系统不断完善和发展，低压配电系统的自动化程度不断提高，测量、计量用均形成自动化，而用户对自身用电设备的暂态和稳态保护意识越来越强，为此保护用电流互感器已被广泛地应用于电力保护装置之中。

    2.电流互感器工作原理

    保护用电流互感器的工作原理与测量用电流互感器的工作原理较为类似，工作原理如图1所示，电流互感器的一次绕组串联在被测线路中，I1为线路电流即电流互感器的一次电流，N1为电流互感器的一次匝数，I2电流互感器二次电流（通常为5A、1A），N2为电流互感器的二次匝数，Z2e为二次回路设备及连接导线阻抗。当一次电流从电流互感器P1端流进，P2端出，在二次Z2e接通的情况下，由电磁感应原理，电流互感器二次绕组有电流I2从S1流过，经Z2e至S2，形成闭合回路。由此可得电流在理想状态下I1×N1=I2×N2，所以有I1/I2=N1/N2=K，K为电流互感器的变比。

图1

    3.保护用电流互感器的分类

    保护用电流互感器分暂态（TP类）和稳态（P类）条件保护，TP类电流互感器是考虑暂态条件的保护用电流互感器。一般P类保护用电流互感器仅考虑在稳态短路电流情况下保证具有规定的准确性，在具有非周期分量的暂态条件下则可能饱和而使误差远超过允许值。TP类保护用电流互感器则要求在规定工作循环的暂态条件下保证规定的准确性。

    3.1 TP类电流互感器分以下级别并定义如下：

    TPS级（铁心闭合）：低漏磁电流互感器，其性能由二次励磁特性和匝数比误差限值规定，对剩磁无规定。

    TPX级（铁心闭合）：准确限值规定为在指定的暂态工作循环中的峰值瞬时误差（ε），对剩磁无规定。其二次时间常数在数秒以上。

    TPY级（小气隙铁心）：准确限值规定为在指定的暂态工作循环中的峰值瞬时误差（ε），剩磁不超过饱和磁通的10%。其二次时间常数在数百毫秒至1秒左右。

    TPZ级（大气隙铁心）：准确限值规定为在指定的二次时间常数下，具有最大直流偏移的单次通电时的峰值瞬时交流分量误差（εac）。无直流分量误差限值要求。剩磁通实际上可以忽略，其二次时间常数在60～100毫秒左右。

    TPS级电流互感器的误差限值见表1，TPS级电流互感器的性能与P类互感器中的PX级电流互感器相当，误差限值条件由匝数比和励磁特性确定，匝数比Kn误差应不超过±0.25%。

    励磁特性的二次极限电动势Eal不低于规定值，此电动势幅值增大10%时致使相应励磁电流增大不超过100%。当客户有规定时，在励磁极限二次电动势下测得的励磁电流峰值应不超过规定值，如果未指定限值，则励磁电流应不超过折算到二次侧Ith的10%。对于TPS,由用户规定额定等效二次极限电动势，通常表示如下：Eal≥KsKssc（Rct+Rb）Isn其中Ks为客户给定的暂态系数，Rct由制造厂的设计确定，但在有些使用条件下，为了与其他设备相配合，可由客户提出其限值。

    TPX级、TPY级、TPZ级电流互感器的误差限值表1。P类电流互感器的误差限值条件由复合误差规定。TP类电流互感器在暂态情况下的误差限值条件则由瞬时误差规定。这是由于引起互感器误差的励磁电流在暂态情况下一般不是周期分量，只能用瞬时电流描述。主要技术参数见表2。

    表1 TP类电流互感器误差限值

    表2 TP类电流互感器规范内容

    注1：当客户希望获得新设备与现有设备兼容时，在相配合的技术规范中可规定某些参数的限值，例如Ts或Rct。但必须承认不同设计之间可能有些差别。

    注2：技术规范包括补充规范，应在产品铭牌上标明，以便用户进行性能校验。

    3.2TP类电流互感器的应用特点

    （1）TPS级和TPX级电流互感器。TPS级电流互感器除了是低漏磁型外，还要求严格控制匝数比。适用于根据简单环流原理和采用高阻抗继电器的差动保护系统。由于对剩磁不限制，保护继电器的励磁使用极限，通常由试验和现场经验得出的经验公式确定。若在电流互感器已严重饱和时切断一次电流，将使得二次回路中的电流随同磁通由饱和状态快速降低到剩磁水平，保护继电器的复归时间，通常不明显受TPS电流互感器衰减特性的影响。适用于对复归时间要求严格的断路器失灵保护电流检测元件。

    TPX级电流互感器的基本特性一般与TPS级相似，只是对误差限值的规定不同。对于TPS和TPX级电流互感器，在t＜tmax和Tp＜＜Ts情况下的C-t-O工作循环中，暂态面积系数计算公式可简化为：

    Ktd≈2πfTp（1-错误！未找到引用源。）+1

    C-t′-O-tfr-C-t″-O工作循环的暂态面积系数公式可简化为：

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

    由于这类电流互感器二次时间常数Ts较大，在重合闸断电时间tfr铁心磁通衰减很有限，两次通电循环的Ktd值很大，故TPS和TPX互感器不适用于线路重合闸情况。

    2）TPY级电流互感器。TPY级电流互感器控制剩磁不大于饱和磁通的10%。有利于C-O-C-O工作循环的准确限值，适用于采用重合闸的线路保护。在从饱和到剩磁状态的转换期间，与相同尺寸和相同二次外接负荷的TPS级或TPX级电流互感器相比，由于磁阻、储能、以及磁通变化量的不同，因而二次回路的电流值较高且持续时间较长。不宜用断路器失灵保护。

    对于TPY级电流互感器，额定暂态面积系数Ktd可按公式进行计算，工作循环有关参数可根据电力系统实际情况确定。但二次回路时间常数Ts变化范围较大，通常是由制造设计优化确定的。制造厂应提供额定二次负荷下的Ts值。应用时可根据实际二次负荷进行修正。

    （3）TPZ级电流互感器。对于TPZ级电流互感器，剩磁可忽略不计。严重饱和后衰减的二次电流在最初阶段（继电器返回时）比相应的TPY级保持更高数值。这类互感器适用于仅反应交流分量的保护。许多继电器将被测量经过输入电流/电压传感器转换后处理，因此，仅二次电流的交流分量有意义。由于不保证低频分量误差及励磁阻抗低，此类互感器一般不推荐用于主设备保护和断路器失灵保护。

    3.3 P和PR类电流互感器的准确特性

    P类电流互感器是IEC标准和我国国家标准GB1208-2006规定的保护用电流互感器，现已在我国广泛应用。由于P类互感器的铁心是闭合的，在严重短路后可能残留有剩磁，将严重影响互感器的性能。故IEC关于电流互感器标准的修改单规定了PR类电流互感器，规定该类电流互感器的剩磁系数小于10%。

    P类及PR类电流互感器的准确级在额定准确限值一次电流下的最大允许复合误差的百分值标称，标准准确级为：5P、10P、5PR、10PR。电流互感器在额定频率及额定负荷下，电流误差、相位误差和复合误差不超过下表3所列限值。

    表3 P类及PR类电流互感器误差限值

    对于PR电流互感器，有些情况下应规定二次时间常数Ts值以限制复合误差。

    发电机和变压器主回路、220kV及以上电压线路宜采用复合误差较小（波形畸变较小）的5P或5PR级电流互感器。其他回路可采用10P或10PR级电流互感器。

    3.4 PX类电流互感器的准确特性

    PX类电流互感器是IEC标准新定义的一种电流互感器，其性能与英国标准规定的X类互感器相当。PX类电流互感器用于5P和10P的准确限值不适应的特殊场合。例如对互感器变比和励磁特性有严格要求的高阻抗母线保护。励磁特性是电流互感器二次端子上正弦波电动势方均根值与所加励磁电流的方均根值的相互关系，此时互感器的一次绕组和其他绕组均开路。如下图2：

图2

    PX级互感器必须是低漏磁型，其性能可由以下规范确定：

    ·额定一次电流；（Ipn）

    ·额定二次电流；（Isn）

    ·额定匝数比，匝数比误差不应超过±0.25%；

    ·额定拐点电动势；（Ek）

    ·额定拐点电动势的最大励磁电流；（Ie）

    ·在温度为75℃时二次绕组最大电阻（Rct）

    ·额定负荷电阻；（Rbn）

    ·计算（尺寸）系数（Kx）。

    额定拐点电动势定义为电流互感器所有其他端子均开路时，施加于二次端子上的额定频率正弦波电动势最小方均根值。当此值增加10%时，其励磁电流方均根值增加至但不大于50%。额定拐点电动势可用以下公式表示：

    Ek=Kx×（Rct+Rbn）×Isn

    3.5常见保护用电流互感器的型号规格

    保护用电流互感器就是为保护用继电器提供电流的电流互感器器，与电流继电器等类似电器配套使用，主要用于低压配电系统电流过载保护和短路保护。主要准确级有：5P、10P，5、10表示复合误差5%、10%，准确限值系数又叫限值系数，它是额定准确限值一次电流（此时符合误差不超过5%、10%）与额定一次电流的比值，准确限值系数有，5、10、15、20，以江苏安科瑞AKH-0.66 P系列保护型电流互感器为例，具体型号与规格见表4.

    表4 保护用电流互感器的型号规格

图3 AKH-0.66 P系列保护型电流互感器外形图

    3.6保护用电流互感器在低压配电系统中的问题及应用实例

    保护电流互感器在低压配电系统中，准确级以及准确限值系数的选择是用户经常碰到的问题。

    2003年河北某工厂，由于新厂房扩建，在新厂房1500米附近安装了一台250KVA（10/0.4kV）配变，与主变距离2500米，因负荷较小（额定电流80A），当时为了考虑计量准确，使互感器额定一次电流与最大负荷电流相接近，将电流互感器比选择100/5A，同时保护用电流互感器选择100/5A，10P10。在施工下水道时，将电缆挖断，造成工厂附近大面积停电。

    经电网参数计算得：主变短路电抗为X1 = 0.07Ω，配变短路电抗为X2 = 0.5Ω，短路点前短路电抗为X3= 0.4Ω， 计算电抗X*∑= X1 + X2 + X3 = 0.97。 相短路时TA流经次暂态短路电流周期分量有效值为：I" = 1 / X*∑×5.5 = 5.67（kA），此时短路电流是额定电流的56.7倍，远远大于准确限值系数10，同时复合误差超过10%时，影响继电器动作，应该选择500/5A 10P15。

    3.7电流互感器使用过程中的注意事项

    ●电流互感器在接线时，同名端必须要保持一致，即P1、S1；P2、S2。

    ●电流互感器在正常运行时，二次不得开路，防止二次开路产生高电压，影响人身和设备安全。

    4.结束语

    本文对低压配电系统中的不同类型电流互感器进行了简单概述，推荐给电力系统各位专家和电气工程师们参考，有利于不同类型低压电流互感器在低压智能配电系统的广泛应用。

    参考文献

    [1]江苏安科瑞电器制造有限公司.电量传感器选型手册,201407版.

    [2]任致远，周中.电力电测数字仪表原理与应用指南,中国电力出版社，2007.

    作者简介：徐霜，女，本科，江苏安科瑞电器制造有限公司，主要研究方向为电量传感器设计<