王軍，李寬，趙斌超，李玉敦，史方芳

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250003）

特高壓電流互感器勵(lì)磁特性測(cè)試研究

王軍，李寬，趙斌超，李玉敦，史方芳

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250003）

電流互感器（TA）勵(lì)磁特性測(cè)試是判斷TA有無繞組匝間短路缺陷的重要依據(jù)，亦是TA帶負(fù)載能力校核的基礎(chǔ)。通過分析TA的工作原理，研究了鐵芯飽和、外部電流等因素對(duì)TA勵(lì)磁特性測(cè)試的影響。介紹兩種常見的TA勵(lì)磁特性測(cè)試方法——直流法和交流變頻法，研究?jī)煞N測(cè)試方法的測(cè)試原理以及對(duì)不同準(zhǔn)確級(jí)TA繞組的測(cè)試適用性，比較兩種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)。搭建基于直流法和交流變頻法的TA勵(lì)磁特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)某1 000 kV特高壓變電站TPY級(jí)、5P級(jí)、0.2級(jí)TA繞組進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比分析兩種方法在不同準(zhǔn)確級(jí)TA繞組測(cè)試中的適用性。

特高壓；電流互感器；勵(lì)磁特性

0 引言

TA勵(lì)磁特性曲線是指當(dāng)TA一次繞組和其他繞組開路時(shí)，施加于TA二次端子上的正弦波電勢(shì)方均根值與勵(lì)磁電流方均根值之間的關(guān)系曲線。通過TA勵(lì)磁特性測(cè)試，能夠檢查TA的鐵芯質(zhì)量，找到TA飽和時(shí)的電壓拐點(diǎn)位置，并用以判斷TA的二次繞組有無匝間短路等缺陷。目前常用的測(cè)試方法有直流法和交流變頻法，對(duì)于特高壓TPY級(jí)、5P級(jí)和0.2級(jí)TA，不同的測(cè)試方法在測(cè)試精度和測(cè)試速度上具有較大差異，本文從理論上分析了兩種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)不同準(zhǔn)確級(jí)TA的測(cè)試適用性，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通過分析測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 TA工作原理

TA的結(jié)構(gòu)與變壓器類似，其基本電路如圖1所示，一次、二次繞組和鐵芯為基本部件，一次繞組和二次繞組在同一個(gè)磁路閉合的鐵芯上。如果一次繞組帶電而二次繞組開路，TA成為一個(gè)帶鐵芯的電抗器，一次繞組中的電壓降等于鐵芯磁通在該繞組中引起的電動(dòng)勢(shì)，鐵芯磁通也在二次繞組中感應(yīng)出相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。如果二次繞組的回路通過一個(gè)阻抗形成閉路，則二次回路中將產(chǎn)生一個(gè)電流，此電流在鐵芯中產(chǎn)生的磁通趨向于抵消一次繞組電流產(chǎn)生的磁通［1-3］。

圖1 TA工作原理

假設(shè)TA為不需要?jiǎng)?lì)磁的理想互感器，那么一次電流與二次電流之比與二次匝數(shù)與一次匝數(shù)之比相等，二者之間沒有誤差。但實(shí)際互感器中，為了實(shí)現(xiàn)一次、二次的能量傳遞，首先需要建立磁場(chǎng)，且這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生損耗，因而需要一定的電流才能維持，這個(gè)電流稱為勵(lì)磁電流。與一次電流、一次線圈匝數(shù)、二次電流、二次線圈匝數(shù)的關(guān)系為［1，4］

式中：I1、N1、I2、N2、I0分別為TA一次電流、一次線圈匝數(shù)、二次電流、二次線圈匝數(shù)、勵(lì)磁電流。TA勵(lì)磁特性測(cè)試的任務(wù)就是要測(cè)量二次繞組的勵(lì)磁電流。

2 TA勵(lì)磁特性影響因素

2.1 外部電流對(duì)TA勵(lì)磁特性的影響

外部電流產(chǎn)生的磁通與TA的二次繞組交鏈，當(dāng)外部電流隨時(shí)間變化時(shí)，交鏈的磁通會(huì)在TA的二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與由TA主磁通在二次繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加，共同作用在二次回路上，從而影響了TA的二次電流［5］。

圖2 外部電流干擾下TA的互感耦合等值電路

外部電流干擾下TA的互感耦合等值電路如圖2所示。根據(jù)等值電路，電路原、副邊的電壓方程為

式中：R1、R2、R3分別為一次繞組、二次繞組、外部電流導(dǎo)體的電阻；L1、L2、L3分別為一次繞組、二次繞組、外部電流導(dǎo)體的自感；I1、I2、I3分別為一次電流、二次電流、外部電流；M12為一次繞組、二次繞組的互感；M13、M23分別為一次繞組二次繞組與外部電流導(dǎo)體的互感；U1、U3分別為一次繞組、外部電流導(dǎo)體的電壓降；ZL為TA負(fù)載。

對(duì)（2）式進(jìn)行整理，并將一次側(cè)相關(guān)參數(shù)折算至二次側(cè)，得

式中：R′1為折算至二次側(cè)的一次繞組電阻；L′1為一次繞組自感；I′1為折算至二次側(cè)的一次電流；M′12為折算至二次側(cè)的一次與二次繞組的互感；M′13為折算至二次側(cè)的一次繞組與外部電流導(dǎo)體的互感；I′3為折算至二次側(cè)的外部電流；U′1為折算至二次側(cè)的一次繞組的電壓降。

根據(jù)式（5），將TA一次側(cè)和外部電流參數(shù)折算到二次側(cè)，畫出外部電流干擾下TA的去耦等效電路，如圖3所示。

圖3 外部電流干擾下TA的去耦等效電路

根據(jù)圖3所示等效電路，可得外部電流干擾下TA的復(fù)數(shù)誤差為

式中：M′23為折算至二次側(cè)的二次繞組與外部電流導(dǎo)體的互感。

由于外部電流導(dǎo)體（鋁制或銅制）的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相近，并且鐵芯的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，故假定TA一次、二次繞組的互感M12和二次繞組的自感L2基本不變。因而，TA的誤差與二次繞組、外部電流導(dǎo)體之間的互感M23和外部電流的大小有關(guān)［6］。

2.2 鐵芯飽和對(duì)TA勵(lì)磁特性的影響

由以上分析可知，當(dāng)鐵芯處于線性工作區(qū)時(shí)，外部電流對(duì)TA誤差的影響可以忽略不計(jì)。但是，當(dāng)鐵芯達(dá)到飽和后，鐵芯磁導(dǎo)率迅速下降，勵(lì)磁電流大幅度增加，導(dǎo)致TA的誤差急劇增大。另外，TA鐵芯達(dá)到飽和后，二次電流與一次電流不再是線性關(guān)系，具體畸變的形式與二次負(fù)荷的特性有關(guān)［7-8］。

TA鐵芯的勵(lì)磁阻抗為有限值，并且TA鐵芯未飽和時(shí)也有一定損耗。當(dāng)鐵芯達(dá)到飽和后，磁通仍存在輕微變化，從而造成二次電流的輕微變化。鐵芯飽和時(shí)，若系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)故障，短路電流中存在非周期分量引起的暫態(tài)過程，磁通波形如圖4所示［9］。

圖4 短路電流有非周期分量飽和時(shí)磁通波形

鐵芯飽和時(shí)的電流波形如圖5所示，圖中，i1、i2分別為TA的一次電流、二次電流。

圖5 非周期分量引起的飽和

故障情況下，由于受到鐵芯飽和的影響，未飽和段的磁通波形也不再是正弦，從而導(dǎo)致二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和二次電流的波形出現(xiàn)尖峰，含有高次諧波分量。

綜上所述，外部電流產(chǎn)生的雜散磁通與TA鐵芯的主磁通疊加后，如果鐵芯保持工作在線性區(qū)，則外部電流對(duì)TA誤差性能的影響可以忽略不計(jì)；如果鐵芯出現(xiàn)局部飽和甚至完全飽和，則TA勵(lì)磁電流會(huì)大大增加，二次電流波形發(fā)生畸變，致使TA性能嚴(yán)重下降甚至失效。

3 TA勵(lì)磁特性測(cè)試方法

式中：Rct為TA二次繞組電阻；im為二次回路勵(lì)磁電流。式（7）為TA勵(lì)磁特性測(cè)試的基本關(guān)系式。

3.1 直流法

直流法是指采用某一直流電壓，產(chǎn)生恒定的磁通，隨著勵(lì)磁電流緩慢上升，對(duì)勵(lì)磁的繞組端電壓減去與二次繞組電阻和二次回路勵(lì)磁電流相對(duì)應(yīng)的電壓后，再進(jìn)行積分，得到勵(lì)磁特性曲線。直流法測(cè)試TA勵(lì)磁特性曲線的優(yōu)點(diǎn)主要有：

1）對(duì)于低變比TA，測(cè)試精度高。低變比TA具有二次繞組匝數(shù)少、二次回路直流電阻低的特點(diǎn)。若采用交流變頻法，變頻交流信號(hào)一般由放大器輸出，不可避免的含有直流零漂。假設(shè)直流零漂有1 mV，當(dāng)測(cè)試直流電阻為0.1 Ω的TA時(shí)，勵(lì)磁電流里含有直流電流為10 mA。對(duì)于低變比TA，勵(lì)磁特性曲線拐點(diǎn)電流約為幾十毫安，因此該直流分量產(chǎn)生的電流將對(duì)勵(lì)磁特性測(cè)試的精度產(chǎn)生較大影響，采用直流法時(shí)則不存在這種問題。

2）對(duì)于高拐點(diǎn)TA，測(cè)試速度快。直流法采用某一直流電壓，測(cè)試時(shí)TA鐵芯飽和快，測(cè)試速度快。

3）直流法抗電磁干擾性強(qiáng)，伏安特性取值穩(wěn)定，多次測(cè)試結(jié)果離散度小。

缺點(diǎn)：對(duì)于采用電容補(bǔ)償繞組的TA，直流法無法測(cè)試勵(lì)磁特性。

3.2 交流變頻法

在TA勵(lì)磁電感相同的條件下，電壓與頻率成正比。為使勵(lì)磁電感達(dá)到相同飽和，所要施加電壓的頻率越低則幅值越低。交流變頻法即采用電壓與頻率的正比關(guān)系，在較低頻率下測(cè)試TA勵(lì)磁特性，從而

在TA二次端子上施加某一電壓，測(cè)量相應(yīng)的勵(lì)磁電流，在t時(shí)二次匝鏈繞組鐵芯磁通φ（t）與此電壓的關(guān)系為［10］降低所加電壓的幅值，既能夠避免過高的工頻電壓致使TA繞組匝間絕緣受損，又提高了勵(lì)磁特性測(cè)試的準(zhǔn)確度。交流變頻法可用于保護(hù)TA的伏安特性測(cè)量和計(jì)量TA的比差角差測(cè)量。

TA工作于額定頻率f時(shí)，等效電壓方均根值U與二次匝鏈繞組鐵芯磁通φ的關(guān)系為

交流變頻法測(cè)試TA勵(lì)磁特性曲線的優(yōu)點(diǎn)主要有：測(cè)試輸出電壓較低，一般不會(huì)超過200 V，測(cè)試設(shè)備體積小、重量輕；測(cè)試包括多個(gè)循環(huán)過程，每個(gè)輸出測(cè)點(diǎn)均是多次測(cè)量的平均值，對(duì)于高變比TA，測(cè)試精度高；不需要外接標(biāo)準(zhǔn)互感器和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載箱，按最新國(guó)標(biāo)規(guī)定的電流和負(fù)載點(diǎn)準(zhǔn)確測(cè)量M級(jí)TA的變比誤差和相位偏移。缺點(diǎn)為：對(duì)于高拐點(diǎn)、TPY級(jí)TA，由于勵(lì)磁特性拐點(diǎn)電壓高達(dá)上萬伏，測(cè)試頻率很低，單個(gè)周波的輸出時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。

4 特高壓TA勵(lì)磁特性測(cè)試

基于直流法和交流變頻法的TA勵(lì)磁特性測(cè)試原理如圖6所示。

圖6 TA勵(lì)磁特性測(cè)試原理

圖6中，TA一次側(cè)斷開，從TA二次側(cè)施加測(cè)試信號(hào)（直流電壓/交流變頻電壓），同時(shí)從TA二次側(cè)采集二次繞組的勵(lì)磁電流，得到勵(lì)磁電流與所加電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了消除夾頭接觸電阻的影響，提高測(cè)試準(zhǔn)確性，應(yīng)避免采用公用夾頭與TA二次側(cè)連接，測(cè)試輸出端口和測(cè)量輸入端口與TA二次繞組通過不同的夾頭連接，每個(gè)測(cè)量導(dǎo)線各采用一個(gè)夾頭?；趫D5測(cè)試原理圖，分別采用直流法和交流變頻法對(duì)某1 000 kV特高壓變電站TA勵(lì)磁特性曲線進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)TA參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

表1 TA參數(shù)一覽表

表1中TA的類型、容量、變比參數(shù)均來自TA銘牌標(biāo)示，直流電阻參數(shù)來自變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。測(cè)試結(jié)果如表2所示，對(duì)于某一類型的TA，采用兩種方法分別對(duì)同一繞組進(jìn)行測(cè)試，反復(fù)測(cè)試3次，取其平均值如表2所示。

表2 不同類型TA勵(lì)磁特性測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

分析表2測(cè)試數(shù)據(jù)可知，對(duì)于TPY級(jí)和5P級(jí)TA繞組，直流法和交流法的測(cè)試精度基本一致。對(duì)于0.2級(jí)TA繞組，由于其中包含電容補(bǔ)償繞組，直流法測(cè)試時(shí)無法產(chǎn)生勵(lì)磁，無法測(cè)試勵(lì)磁特性的拐點(diǎn)，在勵(lì)磁特性曲線上表現(xiàn)為一條直線，交流變頻法不受電容補(bǔ)償繞組的影響，施加交流信號(hào)，鐵芯能夠正常勵(lì)磁。對(duì)于TPY級(jí)TA，采用直流法的測(cè)試效率是交流變頻法的6倍，這是因?yàn)椴捎弥绷鞣〞r(shí)，鐵芯飽和速度快，而采用交流變頻法時(shí)，由于測(cè)試輸出頻率較低，單個(gè)周波的輸出時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，該測(cè)試結(jié)果與理論分析一致。

5 結(jié)語

直流法和交流變頻法是目前常用的兩種測(cè)試TA勵(lì)磁特性曲線的方法，兩種測(cè)試方法對(duì)于不同類型的TA具有不同的測(cè)試靈敏度，測(cè)試效率亦有較大差別。在分析TA工作原理、勵(lì)磁特性的基礎(chǔ)上，從理論分析和特高壓TA實(shí)際測(cè)試兩方面，對(duì)兩種測(cè)試方法的有效性和適用性進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)于大容量、高變比的TPY級(jí)TA繞組，采用直流法能夠獲得更高的測(cè)試效率，并且不會(huì)降低測(cè)試準(zhǔn)確度；對(duì)于含有電容補(bǔ)償繞組的TA，宜采用交流變頻法進(jìn)行測(cè)試；對(duì)于拐點(diǎn)電壓較低的5P級(jí)TA，采用直流法和交流變頻法在測(cè)試精度和測(cè)試效率上差別不大，兩種方法均可采用。

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Research of Excitation Characteristics Testing Technology of UHV Current Transformer

WANG Jun，LI Kuan，ZHAO Binchao，LI Yudun，SHI Fangfang
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The current transformer（TA）excitation characteristic test is an important basis to judge whether the TA has a winding inter turn short circuit fault，and is also the basis of checking the load capacity of TA.Based on the analysis of the working principle of TA，the influence of factors such as the saturation of iron core and the external current on the excitation characteristics of TA is studied.Two kinds of TA excitation characteristic test method，namely DC method and AC frequency conversion method，are introduced，the testing principle of two test methods and the test applicability for different grades of TA windings are studied，the advantages and disadvantages of the two methods are compared.Based on DC and AC frequency conversion method，the field test platform of TA excitation characteristics is built，by which the TPY，5P，and 0.2 level TA windings of a 1 000 kV UHV substation are tested，and then the applicability of the two methods in the TA winding test with different accuracy levels is analyzed and compared.

ultra high voltage（UHV）；current transformer（TA）；excitation characteristic

TM711

A

1007－9904（2017）05－0020－05

2016-12-08

王軍（1986），男，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作。