赵泽箐，史方芳，张泽慧，赵泽宁，曾庆捷，孙嘉越

（1.国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250000；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250000 3.国网青岛供电公司，山东 青岛 266000；4.山东科技大学，山东 青岛 266590）

0 引言

电流互感器能否满足系统或设备故障工况的要求， 正确反映正常运行状态及故障状态时的电流大小和相位且误差不超过规定值， 对于继电保护装置的正确动作至关重要。 在500 kV 及以上电压等级电力系统的短路暂态过程中， 由于短路电流时间常数大，可能存在大量非周期分量，除断路器保护外，大部分保护选用抗饱和能力强的TPY 级电流互感器。对保护用电流互感器开展励磁特性曲线测试， 能够有效检验电流互感器的性能， 判断励磁特性曲线是否满足继电保护装置正确动作的要求［1］。

1 电流互感器工作原理及误差产生原因

电流互感器的作用是将一次侧大电流转换为二次侧标准化小电流（5 A 或1 A），可靠隔离二次设备与一次设备，形成独立于一次系统的二次系统。其一次绕组串联在一次回路中， 匝数少。 二次绕组匝数多，且二次侧所接设备阻抗小，理想情况下电流互感器运行在近似短路状态。 电流互感器原理如图1 所示，采用“减极性”原则标注极性，其中P、S 分别为一次和二次极性端，一次电流从一次极性端流入，二次极性端流出［2］。

图1 电流互感器原理图

理想情况下，忽略励磁电流影响，一次电流可以按变比成比例折算至二次电流。但实际情况下，励磁电流不为零， 导致一次电流折算到二次侧后幅值产生一定误差， 即电流互感器变比误差。 当发生故障时， 其短路电流中衰减的直流分量将导致电流互感器铁芯迅速饱和，励磁电流将迅速增大，因而产生较大的变比误差。 励磁电流还将导致二次电流与一次电流间产生变比误差［3］。

电流互感器的变比误差为：

式中：I1、I2分别为一次侧和二次侧电流。

电流互感器的铁芯饱和是影响电流互感器性能的最重要因素。 保护用电流互感器必须要按照二次负载大小及可能出现的最大短路电流进行10%误差曲线的校验。 电流互感器变比误差在10%范围内是继电保护装置允许的最大误差， 也是进行整定计算的计算依据。 而校核电流互感器10%误差的重要步骤之一就是获取电流互感器的励磁特性曲线。

2 保护用电流互感器选型

保护用电流互感器主要有P 类和TP 类两类。 P级电流互感器的准确限值是由一次电流为稳态对称电流时的复合误差或励磁特性拐点来确定的， 该类电流互感器未考虑非周期分量对电流互感器的影响［4］。 TP 级电流互感器的准确限值是考虑一次电流中同时具有周期分量和非周期分量， 并按某种规定暂态工作循环时的峰值误差来确定的， 该类电流互感器适用于考虑短路电流中非周期分量暂态影响时的情况［5］。

在发生短路故障时， 电流互感器的工作区域如图2 所示。短路电流中含有大量直流分量，容易导致电流互感器铁芯饱和， 且故障后电流互感器中将产生大量剩磁，剩磁在正常状态下不易消失，若短时间内再次发生故障，剩磁与短路电流产生磁通相叠加，将严重影响电流互感器暂态特性，所以TPY 级电流互感器剩磁系数应小于 10%［6］。 而由于 P 级电流互感器不考虑非周期分量影响， 所以能够正确反映直流分量衰减完后的电流。

图2 电流互感器工作区域

500 kV 及以上电压等级系统， 由于一次时间常数较大，发生较为严重的暂态饱时，可能会导致保护误动或拒动的严重后果， 所以保护用电流互感器应保证在实际工作暂态误差不超过规定值， 所以一般线路保护、变压器保护、母线保护均选用TPY 级电流互感器。TPY 级电流互感器剩磁系数应小于10%，但是从饱和到剩磁状态过程中，二次回路的电流值较高且持续时间较长，对失灵保护快速性要求有一定影响，所以断路器保护不宜选用TPY 级电流互感器，而一般选用P 级电流互感器。 除断路器保护外，高压电抗器的保护也宜采用P 级互感器。

3 电流互感器励磁特性曲线测试方法

目前电流互感器的励磁特性曲线测试方法大致可以分为工频法、低频法和直流法［7-9］。

3.1 工频法

工频法为传统测试方法， 电流互感器一次侧绕组开路情况下，在二次侧加频率为50 Hz 的电压，逐渐调节电压幅值直至拐点电压以上， 得到被测试电流互感器的励磁特性曲线。该种测试方法原理简单，但对于500 kV 或1 000 kV 电压等级电流互感器的TPY 型绕组，拐点电压可能达到20 kV 以上，而试验电源无法达到该电压水平， 工频法无法满足测试要求，因此又提出了低频法与直流法测试方法。

3.2 低频法

低频法的基本原理是额定频率等效电压与低频试验电源电压比值等于 额定电压频率与试验电压频率比值，即：

式中：U 为工频电压，Utest为低频下试验电源电压，f 为 50 Hz，ftest为试验频率。

相比于工频法， 低频法能够在较低的试验电压下获得与工频法相同的拐点电压， 从而解决了工频法受试验电源电压限制的缺点， 无需大容量升压装置即可获取所需拐点电压。

3.3 直流法

直流法是在被测电流互感器二次侧加恒定直流电压而产生恒定磁通， 使励磁电流逐渐上升达到饱和，再通过数学算法，获得电流互感器励磁特性曲线的测试方法，该测试方法速度快且测试精度高。

目前对于超高压及特高压系统电流互感器的测试，广泛采用低频法和直流法。

4 励磁特性曲线现场测试

采用直流法进行现场电流互感器励磁特性曲线测试接线如图3 所示， 电流互感器在一次侧保持开路，二次侧加测试量。 TA 测试仪输出端子S1和测量端子S1分别与被测电流互感器S1端相连，TA 测试仪输出端子S2和测量端子S2分别与被测电流互感器S2端相连。 通过在二次侧施加测试信号，使电流互感器逐渐饱和，得到励磁特性曲线。根据测量原理不同，施加测试信号不同［10］。直流法原理测试仪测试信号为正负直流电压，变频法为交流变频电压。本文中采用直流法进行测试。

现场试验过程中应注意：充分了解工作现场，明确试验间隔，提前做好测试准备工作；电流互感器励磁特性曲线测试仪金属外壳可靠接地， 试验所用测试线绝缘良好；已投运变电站扩建间隔测试，与带电间隔隔离； 每次重新接线后需确认接线无误后再次开始试验。

图3 TA 励磁特性曲线现场接线

某特高压变电站开关电流互感器TA1、TA3绕组名牌参数如表1 所示。

表1 电流互感器名牌参数

对TA1进行测试，励磁特性曲线如图4，测试数据如表2 所示。 TA 饱和时的拐点电流和电压为：Ig= 1.094 90 A，Ug=13 191 V。

图4 TA1 励磁特性曲线

表2 TPY 级电流互感器现场测试结果

对TA1进行现场测试后其他励磁特性测试数据：二次时间常数为3.463 s，剩磁系数为1.32%，不饱和电感和饱和电感分别为59.42 H 和0.411 H，暂态面积系数为7.098，峰瞬误差为0.806%。

对TA3进行测试，励磁特性曲线如图5，测试数据如表3 所示。 TA 饱和时的拐点电流和电压为：Ig=0.157 65 A，Ug=154 3 V。

图5 TA3 励磁特性曲线

表3 P 级电流互感器现场测试结果

对TA1进行现场测试后其他励磁特性测试数据：二次时间常数为2.797 6 s，剩磁系数为67.43%，不饱和电感和饱和电感分别为57.47 H 和0.574 H，复合误差为0.1086%。

对TPY 级电流互感器， 根据厂家规定的C-OC-O 双循环工作方式，结合相关额定参数，计算可得被测TPY 级电流互感器的额定等效二次极限电动势为11 kV 左右， 通过比较可知实际拐点大于电流互感器的额定二次极限电动势并留有2 kV 左右裕度。 对P 级电流互感器同样计算额定二次极限电动势并与实际测量拐点相比较。

通过与厂家提供电流互感器出厂励磁特性曲线比对， 并将实际测量拐点电压与计算所得额定二次极限电动势相比较，TPY 级电流互感器TA1和P 级电流互感器TA3拐点电压、 拐点电流均在允许范围内，电流互感器不存在匝间短路等质量问题，电流互感器可满足运行要求。

5 结束语

电流互感器励磁特性曲线测试是检验电流互感器质量， 验证保护用电流互感器能否满足运行需求的重要途径。 本文对保护用电流互感器误差产生原因、变电站典型TA 配置进行阐述，并结合某特高压现场测试结果，验证所测TA 励磁特性曲线满足特高压大容量、高变比的运行要求，可为保护用电流互感器励磁特性曲线的测试及分析提供借鉴。