电流互感器的二次回路

第十三章电流互感器的二次回路一、概述电流互感器的作用：电力系统的一次电压很高，电流很大，且运行的额定参数千差万别，用以对一次系统进行测量、控制的仪器仪表及保护装置无法直接接入一次系统，一次系统的大电流需要使用电流互感器进行隔离，使二次的继电保护、自动装置和测量仪表能够安全准确地获取电气一次回路电流信息。电流互感器特点：是一个特殊型式变换器，它的二次电流正比于一次电流。因其二次回路的负载阻抗很小，一般仅几个欧姆，故二次工作电压也很低，当二次回路阻抗大时二次工作电压U=IZ也变大，当二次回路开路时，U将上升到危险的幅值，它不但影响电流传变的准确度，而且可能损坏二次回路的绝缘，烧毁电流互感器铁芯。所以电压互感器的二次回路不能开路。正确使用电流互感器的意义：正确地选择和配置电流互感器型号、参数，将继电保护、自动装置和测量仪表等接入合适地次级，严格按技术规程与保护原理连接电流互感器二次回路，对继电保护等设备的正常运行，确保电网安全意义重大。二、电流互感器的基本参数一次参数电流互感器的一次参数主要有一次额定电压与一次额定电流。一次额定电压的选择主要是满足相应电网电压的要求，其绝缘水平能够承受电网电压长期运行，并承受可能出现的雷电过电压、操作过电压及异常运行方式下的电压，如小接地电流方式下的单相接地（电压上升倍）。一次额定额定电流的考虑较为复杂，一般应满足以下要求：1)应大于所在回路可能出现的最大负荷电流，并考虑适当的负荷增长，当最大负荷无法确定时，可以取与断路器、隔离开关等设备的额定电流一致。2)应能满足短时热稳定、动稳定电流的要求。一般情况下，电流互感器的一次额定电流越大，所能承受的短时热稳定和动稳定电流值也越大。3)由于电流互感器的二次额定电流一般为标准的5A与1A，电流互感器的变比基本有一次电流额定电流的大小决定，所以在选择一次电流额定电流时要核算正常运行测量仪表要运行在误差最小范围，继电保护用次级又要满足10％误差要求。4)考虑到母差保护等使用电流互感器的需要，由同一母线引出的各回路，电流互感器的变比尽量一致。5)选取的电流互感器一次额定电流值应与国家标准GBl208-1997推荐的一次电流标准值相一致二次额定电流在GB1208—1997中，规定标准的电流互感器二次电流为1A和5A。变电所电流互感器的二次额定电流采用5A还是1A，主要决定于经济技术比较。在相同一次额定电流、相同额定输出容量的情况下，电流互感器二次电流采用5A时，其体积小，价格便宜，但电缆及接入同样阻抗的二次设备时，二次负载将是1A额定电流时的25倍。所以一般在220kV及以下电压等级变电所中，220kV回路数不多，而10～110kV回路数较多，电缆长度较短时，电流互感器二次额定电流采用5A的。在330kV及以上电压等级变电所，220kV及以上回路数较多，电流回路电缆较长时，电流互感器二次额定电流采用1A的。为了既满足测量、计量在正常使用的精度及读数，又能满足故障大电流下继电保护装置的精工电流及电流互感器10％误差曲线要求，二个回路常采用不同次级、不同变比。也可用中间抽头来选择不同变比。电流互感器的变比也是一个重要参数。当一次额定电流与二次额定电流确定后，其变比即确定。电流互感器的额定变比等于一次额定电流比二次额定电流。电流互感器额定输出容量：电流互感器的额定输出容量是指在满足额定一次电流、额定变比条件下，在保证所标称的准确度级时，二次回路能够承受的最大负载值，其单位一般用伏安表示。根据GBl208—1997规定，额定输出容量的标准值有5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100VA。电流互感器二次回路的负载SL可以下式计算：SL=Ie2(ΣK1ZL+K2Z1+Zjc)其中，Ie－－二次额定电流，AZL－－二次设备阻抗，ΩZl－－二次回路连接导线的阻抗，ΩZjc－－二次回路连接点接触电阻，取决于连接点多少与接触是否良好，一般取O.05～O.1ΩK1－－二次设备的接线系数K2－－二次回路连接导线的接线系数电流互感器二次输出容量Se必须大于二次负载SL,并留有适当裕度。测量、计量用电流互感器各接线方式时的接线系数(ZL0为零线中负荷阻抗)接线方式单相三相星形两相星形两相差接三角形ZL0=ZLZL0=0K22123K11113继电保护用电流互感器在各种接线方式时不同短路类型下的接线系数见附表电流互感器的电流互感器的准确度:为了保证计量、测量的准确性，保证保护装置动作可靠、正确，电流互感器必须达到一定的准确度。在国家标准GBl208—1997中，规定测量用电流互感器的准确度等级分为0.1、0.2、0.5、1、3、5等六个标准，这是一个相对误差标准。其中0.1～1的四个标准其二次负荷应在额定负荷的25％～100％间，3～5两个标准其二次负荷应在额定负荷的50％～100％间，否则准确度不能满足要求。所以对负荷范围广，准确度要求高的场合，可以采用经补偿的0.2s和O.5s电流互感器，该互感器在1％～120％负荷间均能满足准确度要求。对测量用电流互感器除了幅值准确度要求外，还有角度误差要求。继电保护用电流互感器的准确度级要求一般没有测量的高，但由于要求其在故障大电流时有较好的传变特性，所以在相对误差下有一个短路电流倍数的要求。一般用εPM表示，如5P10，其含义是在10倍互感器额定电流下的短路电流时，其误差满足5％的要求。式中ε是准确度等级，M是保证准确度的允许最大短路电流倍数。在标准GBl208—1997中，规定5P、10P两个准确度级。三、电流互感器的10％误差校核保护用电流互感器10％误差的意义：对保护用电流互感器，必须按实际的二次负载大小及系统可能出现的最大短路电流进行10％校核。电流互感器的10％误差是继电保护装置对其的最大允许值，也是各类保护装置整定的依据。所以10％误差曲线的计算非常重要，特别是对母差保护、变压器及发电机的差动保护，由于这类保护的定值较灵敏，它们的整定依据之一就是躲过各侧电流互感器按10％误差计算出来的最大综合误差。电流互感器10％误差的校核方法：主要是计算出在最大短路电流时二次回路的最大允许阻抗，与该二次回路的实际阻抗进行比较，该实际阻抗必须小于最大允许阻抗。负载阻抗可以按式Z=(ΣK1ZL+K2Z1+Zjc)计算得出，但现场多为实际测量后计算得出。在现场测量时应选择负载最大的支路。如例图，在AN间通入交流电流I，测得两端电压为U，可以按式Z=U/I计算出(计算中可以只考虑负载阻抗的幅值)例图13－1电流互感器测量二次负载接线图需要注意的是，测量二次负载阻抗必须包括连接电缆与所有可能接入的负载，必须用50Hz的交流试验电源，在无法判定哪一相或哪一种接线二次负载最大时，应测量所有方式下的二次负载，取其中的最大值。为校核电流互感器误差是否满足要求，还必须绘制其10％误差曲线。该曲线的绘制需要做试验测量电流互感器的直流电阻R，0.5~10A的伏安特性，然后根据公式计算出一组数据。按这组数据可以在Z――m坐标图上绘出不同短路电流倍数下满足10％误差要求的允许最大阻抗曲线，在根据可能出现的最大短路电流倍数可以查找出该短路电流下允许的最大负载阻抗，当结果符合要求时，可以认为该电流互感器是满足10％误差的。计算举例例图13－2电流互感器10％误差曲线图电流互感器10％误差无法满足时可用以下措施解决：1)选择大容量的电流互感器；2)加大连接二次回路电缆截面，减小连接电缆的阻抗；3)在保护对电流互感器的二次接线方式没有特殊要求时，可改变其接线方式以调整接线系数。例如，将不完全星形接线改为完全星形接线；将三角形接线改成为星形接线，这将使接线系数、调整为1；4)加大电流互感器的一次额定电流，这样在同样的短路电流情况下，短路电流的倍数m将减小；5)将同一互感器相同变比的两个二次绕组串联使用，这将使其串联后的伏安特性增加，容量增大。两电流互感器二次回路的串联：二次串联的电流互感器变比必须相同，一次回路必须工作在同一电流下。串联后的变比不变，容量为两各次级容量之和。两电流互感器二次回路的并联：两相同变比的电流互感器次级并联后，变比为原来的1/2，容量不变。四、保护用电流互感器的暂态特性系统发生短路故障时一定伴有电流的迅速的、大幅值的变化，其中含有大的直流分量与丰富的各次谐波分量，这种暂态过程在故障初期最为严重。如果电流互感器没有较好的暂态特性，就无法准确进行信号的传变，严重时将发生电流互感器饱和，造成保护装置拒动或误动。暂态过程的大小与持续时间与系统的时间常数有关，一般220kV系统的时间常数不大于60ms，500kV系统的时间常数在80～200ms之间。系统时间常数增大的结果，使短路电流非周期分量的衰减时间加长，短路电流的暂态持续时间加长。系统容量越大，短路电流的幅值也越大，暂态过程越严重。所以针对不同的系统要采用具有不同暂态特性的电流互感器。暂态特性良好的电流互感器与普通电流互感器相比，具有良好的抗饱和性能，这在制造中可以通过增加铁芯的截面积、选用高导磁材料或同时在铁芯中加入非磁性间隙等办法来改变磁路特性。改变磁路特性的大小不同形成了等级的暂态型电流互感器。目前暂态型电流互感器分为四个等级，分别用TPS、TPX、TPY、TPZ表示。各等级暂态型电流互感器具有如下特点。1)TPS级为低漏磁电流互感器，铁芯中不设非磁性间隙，暂态面积系数也不大，铁芯截面比稳态保护级大得不多，无剩磁通限值，制造工艺比较简单。TPS级大多接于高阻抗继电器做母线差动保护等用。2)TPX级在铁芯中不设非磁性间隙，在同样的规定条件下与TPY和TPZ级相比，铁芯暂态面积系数要大得多，无剩磁通限值，只适用暂态单工作循环，不适合使用重合闸的情况。3)TPY级在铁芯中设置一定的非磁性间隙，其相对非磁性间隙长度(实际非磁性间隙长度与铁芯磁路长度之比值)大于0.1％。剩磁通不超过饱和磁通的10％。由于限制了剩磁，TPY级适用于双循环和重合闸情况。4)TPZ级在铁芯中设置的非磁性间隙尺寸较大，一般相对非磁性间隙长度要大于0.2％以上，无直流分量误差限值要求，剩磁实际上可以忽略。TPZ级准确级由于铁芯非磁性间隙大，铁芯磁化曲线线性度好，二次回路时间常数小，对交流分量的传变性能也好，但传变直流分量的能力极差。TPZ级铁芯截面积比TPY级要小，但在制造上要满足指定的二次回路时间常数难度较大。普通保护级(P级)电流互感器是按稳态条件设计的，暂态性能较弱，但一般能够满足220kV以下系统的暂态性能要求。所有目前220kV及以下电力系统保护用电流互感器，在大多数情况下选用普通保护级(P级)电流互感器，即能满足稳态也能满足暂态运行要求。在目前500kV线路保护中，一般选用TPY级暂态电流互感器。五、电流互感器二次回路的接线为了满足不同测量、继电保护及安全自动装置的要求，电流互感器有多种配置与接线方式。电流互感器接用位置的选择下图是常见220kV变电所电流、电压互感器典型配置方式。图13-3、220kV变电所电流、电压互感器典型配置图在选择各类测量测量、计量及保护装置接入位置时，要考虑以下因素：1）选用合适的准确度级。如图中，计量对准确度要求最高，接0.2级，测量回路要求相对较低接0.5级。保护装置对准确度要求不高，但要求能承受很大的短路电流倍数，所以选用5P20的保护级。(电流互感器一次流过的电流在其额定电流的20倍以下时，此电流互感器的误差不大于±5％)2)保护用电流互感器还要根据保护原理与保护范围合理选择接入位置，确保一次设备的保护范围没有死区3）当有旁路开关需要旁代主变等开关时，如有差动等保护则需要进行电流互感器的二次回路切换，这时既要考虑切换的回路要对应一次运行方式的变换，还要考虑切入的电流互感器二次极性必须正确，变比必须相等。常用电流互感器二次回路接线方式在变电所中，常用的电流互感器二次回路接线方式有单相接线、两相星形（或不完全星形）接线、三相星形（或全星形）接线、三角形接线、和电流接线等。对于小电流接地系统，不完全星形接线不但节约了一相电流互感器的投资，在同一母线的不同出线发生异名相