何艷1白怡明1 楊廣亮2
1中煤工程集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)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(hù)用電流互感器的種類,分析其特點(diǎn),結(jié)合工程實(shí)例分析,談?wù)剬?duì)保護(hù)用電流互感器的選用。
關(guān)鍵詞 低壓配電系統(tǒng) 保護(hù)用電流互感器 工作原理 種類 特性 特性曲線 選型
1.引言
隨著我國電力系統(tǒng)不斷完善和發(fā)展,低壓配電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不斷提高,測(cè)量、計(jì)量用均形成自動(dòng)化,而用戶對(duì)自身用電設(shè)備的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)保護(hù)意識(shí)越來越強(qiáng),為此保護(hù)用電流互感器已被廣泛地應(yīng)用于電力保護(hù)裝置之中。
2.電流互感器工作原理
保護(hù)用電流互感器的工作原理與測(cè)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(lián)在被測(cè)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(shù),I2電流互感器二次電流(通常為、1A),N2為電流互感器的二次匝數(shù),Z2e為二次回路設(shè)備及連接導(dǎo)線阻抗。當(dāng)一次電流從電流互感器P1端流進(jìn),P2端出,在二次Z2e接通的情況下,由電磁感應(yīng)原理,電流互感器二次繞組有電流I2從S1流過,經(jīng)Z2e至S2,形成閉合回路。由此可得電流在理想狀態(tài)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(hù)用電流互感器的分類
保護(hù)用電流互感器分暫態(tài)(TP類)和穩(wěn)態(tài)(P類)條件保護(hù),TP類電流互感器是考慮暫態(tài)條件的保護(hù)用電流互感器。一般P類保護(hù)用電流互感器僅考慮在穩(wěn)態(tài)短路電流情況下保證具有規(guī)定的準(zhǔn)確性,在具有非周期分量的暫態(tài)條件下則可能飽和而使誤差遠(yuǎn)超過允許值。TP類保護(hù)用電流互感器則要求在規(guī)定工作循環(huán)的暫態(tài)條件下保證規(guī)定的準(zhǔn)確性。
3.1 TP類電流互感器分以下級(jí)別并定義如下:
TPS級(jí)(鐵心閉合):低漏磁電流互感器,其性能由二次勵(lì)磁特性和匝數(shù)比誤差限值規(guī)定,對(duì)剩磁無規(guī)定。
TPX級(jí)(鐵心閉合):準(zhǔn)確限值規(guī)定為在的暫態(tài)工作循環(huán)中的峰值瞬時(shí)誤差(ε),對(duì)剩磁無規(guī)定。其二次時(shí)間常數(shù)在數(shù)秒以上。
TPY級(jí)(小氣隙鐵心):準(zhǔn)確限值規(guī)定為在的暫態(tài)工作循環(huán)中的峰值瞬時(shí)誤差(ε),剩磁不超過飽和磁通的10%。其二次時(shí)間常數(shù)在數(shù)百毫秒至1秒左右。
TPZ級(jí)(大氣隙鐵心):準(zhǔn)確限值規(guī)定為在的二次時(shí)間常數(shù)下,具有zui大直流偏移的單次通電時(shí)的峰值瞬時(shí)交流分量誤差(εac)。無直流分量誤差限值要求。剩磁通實(shí)際上可以忽略,其二次時(shí)間常數(shù)在60~100毫秒左右。
TPS級(jí)電流互感器的誤差限值見表1,TPS級(jí)電流互感器的性能與P類互感器中的PX級(jí)電流互感器相當(dāng),誤差限值條件由匝數(shù)比和勵(lì)磁特性確定,匝數(shù)比Kn誤差應(yīng)不超過±0.25%。
勵(lì)磁特性的二次限電動(dòng)勢(shì)Eal不低于規(guī)定值,此電動(dòng)勢(shì)幅值增大10%時(shí)致使相應(yīng)勵(lì)磁電流增大不超過。當(dāng)客戶有規(guī)定時(shí),在勵(lì)磁限二次電動(dòng)勢(shì)下測(cè)得的勵(lì)磁電流峰值應(yīng)不超過規(guī)定值,如果未限值,則勵(lì)磁電流應(yīng)不超過折算到二次側(cè)Ith的10%。對(duì)于TPS,由用戶規(guī)定額定等效二次限電動(dòng)勢(shì),通常表示如下:Eal≥KsKssc(Rct+Rb)Isn其中Ks為客戶給定的暫態(tài)系數(shù),Rct由制造廠的設(shè)計(jì)確定,但在有些使用條件下,為了與其他設(shè)備相配合,可由客戶提出其限值。
TPX級(jí)、TPY級(jí)、TPZ級(jí)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(fù)合誤差規(guī)定。TP類電流互感器在暫態(tài)情況下的誤差限值條件則由瞬時(shí)誤差規(guī)定。這是由于引起互感器誤差的勵(lì)磁電流在暫態(tài)情況下一般不是周期分量,只能用瞬時(shí)電流描述。主要技術(shù)參數(shù)見表2。
表1 TP類電流互感器誤差限值
級(jí)別 | 在額定一次電流下 | 在準(zhǔn)確限值條件下 | ||
比值差 (%) | 相位差 | zui大峰值瞬時(shí)誤差 (%) | ||
min | card | |||
TPX | ±0.5 | ±30 | ±0.9 | ε=10 |
TPY | ±1 | ±60 | ±1.8 | ε=10 |
TPZ | ±1 | 180±18 | 5.3±0.6 | εac=10 |
表2 TP類電流互感器規(guī)范內(nèi)容
電流互感器的級(jí)別 | TPS | TPX | TPY | TPZ | 說明 |
額定一次電流Ipn | √ | √ | √ | √ | 由用戶提出的規(guī)范 |
額定二次電流Ips | √ | √ | √ | √ | |
額定頻率f | √ | √ | √ | √ | |
設(shè)備zui高電壓和額定絕緣水平 | √ | √ | √ | √ | |
額定短時(shí)熱電流Ith | √ | √ | √ | √ | |
額定動(dòng)穩(wěn)定電流Idyn | √ | √ | √ | √ | |
規(guī)范采用的電流比Kn | √ | √ | √ | √ | |
額定對(duì)稱短路電流倍數(shù)Kssc | √ | √ | √ | √ | |
規(guī)定的一次時(shí)間常數(shù)Tp | × | √ | √ | √ | |
工作循環(huán) 單:t 雙:t’,tfr,t’’ | × | √ | √ | × | |
額定二次負(fù)荷電阻Rbn | √ | √ | √ | √ | |
用戶規(guī)定的暫態(tài)系數(shù)Ks | √ | × | × | × | |
互感器二次繞組電阻Rct (校正至…℃) | √ | √ | √ | √ | 由制造部門提供的補(bǔ)充規(guī)范 |
額定暫態(tài)面積系數(shù)Ktd | × | √ | √ | √ | |
額定二次時(shí)間常數(shù)Tsn | × | × | √ | × | |
√適用;×不適用 |
注1:當(dāng)客戶希望獲得新設(shè)備與現(xiàn)有設(shè)備兼容時(shí),在相配合的技術(shù)規(guī)范中可規(guī)定某些參數(shù)的限值,例如Ts或Rct。但承認(rèn)不同設(shè)計(jì)之間可能有些差別。
注2:技術(shù)規(guī)范包括補(bǔ)充規(guī)范,應(yīng)在產(chǎn)品銘牌上標(biāo)明,以便用戶進(jìn)行性能校驗(yàn)。
3.2TP類電流互感器的應(yīng)用特點(diǎn)
(1)TPS級(jí)和TPX級(jí)電流互感器。TPS級(jí)電流互感器除了是低漏磁型外,還要求嚴(yán)格控制匝數(shù)比。適用于根據(jù)簡單環(huán)流原理和采用高阻抗繼電器的差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。由于對(duì)剩磁不限制,保護(hù)繼電器的勵(lì)磁使用限,通常由試驗(yàn)和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式確定。若在電流互感器已嚴(yán)重飽和時(shí)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(tài)快速降低到剩磁水平,保護(hù)繼電器的復(fù)歸時(shí)間,通常不明顯受TPS電流互感器衰減特性的影響。適用于對(duì)復(fù)歸時(shí)間要求嚴(yán)格的斷路器失靈保護(hù)電流檢測(cè)元件。
TPX級(jí)電流互感器的基本特性一般與TPS級(jí)相似,只是對(duì)誤差限值的規(guī)定不同。對(duì)于TPS和TPX級(jí)電流互感器,在t<tmax和Tp<<Ts情況下的C-t-O工作循環(huán)中,暫態(tài)面積系數(shù)計(jì)算公式可簡化為:
Ktd≈2πfTp(1-錯(cuò)誤!未找到引用源。)+1
C-t′-O-tfr-C-t″-O工作循環(huán)的暫態(tài)面積系數(shù)公式可簡化為:
Ktd=【ωTp(1-錯(cuò)誤!未找到引用源。)-sinωt′】錯(cuò)誤!未找到引用源。+ωTp(1-錯(cuò)誤!未找到引用源。)+1
由于這類電流互感器二次時(shí)間常數(shù)Ts較大,在重合閘斷電時(shí)間tfr鐵心磁通衰減很有限,兩次通電循環(huán)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(jí)電流互感器。TPY級(jí)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(huán)的準(zhǔn)確限值,適用于采用重合閘的線路保護(hù)。在從飽和到剩磁狀態(tài)的轉(zhuǎn)換期間,與相同尺寸和相同二次外接負(fù)荷的TPS級(jí)或TPX級(jí)電流互感器相比,由于磁阻、儲(chǔ)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(xù)時(shí)間較長。不宜用斷路器失靈保護(hù)。
對(duì)于TPY級(jí)電流互感器,額定暫態(tài)面積系數(shù)Ktd可按公式進(jìn)行計(jì)算,工作循環(huán)有關(guān)參數(shù)可根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際情況確定。但二次回路時(shí)間常數(shù)Ts變化范圍較大,通常是由制造設(shè)計(jì)優(yōu)化確定的。制造廠應(yīng)提供額定二次負(fù)荷下的Ts值。應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際二次負(fù)荷進(jìn)行修正。
(3)TPZ級(jí)電流互感器。對(duì)于TPZ級(jí)電流互感器,剩磁可忽略不計(jì)。嚴(yán)重飽和后衰減的二次電流在zui初階段(繼電器返回時(shí))比相應(yīng)的TPY級(jí)保持更高數(shù)值。這類互感器適用于僅反應(yīng)交流分量的保護(hù)。許多繼電器將被測(cè)量經(jīng)過輸入電流/電壓傳感器轉(zhuǎn)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(lì)磁阻抗低,此類互感器一般不推薦用于主設(shè)備保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)。
3.3 P和PR類電流互感器的準(zhǔn)確特性
P類電流互感器是IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB1208-2006規(guī)定的保護(hù)用電流互感器,現(xiàn)已在我國廣泛應(yīng)用。由于P類互感器的鐵心是閉合的,在嚴(yán)重短路后可能殘留有剩磁,將嚴(yán)重影響互感器的性能。故IEC關(guān)于電流互感器標(biāo)準(zhǔn)的修改單規(guī)定了PR類電流互感器,規(guī)定該類電流互感器的剩磁系數(shù)小于10%。
P類及PR類電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)在額定準(zhǔn)確限值一次電流下的zui大允許復(fù)合誤差的百分值標(biāo)稱,標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確級(jí)為:5P、10P、5PR、10PR。電流互感器在額定頻率及額定負(fù)荷下,電流誤差、相位誤差和復(fù)合誤差不超過下表3所列限值。
表3 P類及PR類電流互感器誤差限值
準(zhǔn)確級(jí) | 在額定一次電流下 | 在準(zhǔn)確限值條件下 | ||
電流誤差(%) | 相位差 | 復(fù)合誤差(%) | ||
min | card | |||
5P、5PR | ±1 | ±60 | ±1.8 | 5 |
10P、10PR | ±3 | — | — | 10 |
對(duì)于PR電流互感器,有些情況下應(yīng)規(guī)定二次時(shí)間常數(shù)Ts值以限制復(fù)合誤差。
發(fā)電機(jī)和變壓器主回路、220kV及以上電壓線路宜采用復(fù)合誤差較?。úㄐ位冚^小)的5P或5PR級(jí)電流互感器。其他回路可采用10P或10PR級(jí)電流互感器。
3.4 PX類電流互感器的準(zhǔn)確特性
PX類電流互感器是IEC標(biāo)準(zhǔn)新定義的一種電流互感器,其性能與英國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的X類互感器相當(dāng)。PX類電流互感器用于5P和10P的準(zhǔn)確限值不適應(yīng)的特殊場合。例如對(duì)互感器變比和勵(lì)磁特性有嚴(yán)格要求的高阻抗母線保護(hù)。勵(lì)磁特性是電流互感器二次端子上正弦波電動(dòng)勢(shì)方均根值與所加勵(lì)磁電流的方均根值的相互關(guān)系,此時(shí)互感器的一次繞組和其他繞組均開路。如下圖2:
圖2
PX級(jí)互感器是低漏磁型,其性能可由以下規(guī)范確定:
·額定一次電流;(Ipn)
·額定二次電流;(Isn)
·額定匝數(shù)比,匝數(shù)比誤差不應(yīng)超過±0.25%;
·額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢(shì);(Ek)
·額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)的zui大勵(lì)磁電流;(Ie)
·在溫度為75℃時(shí)二次繞組zui大電阻(Rct)
·額定負(fù)荷電阻;(Rbn)
·計(jì)算(尺寸)系數(shù)(Kx)。
額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)定義為電流互感器所有其他端子均開路時(shí),施加于二次端子上的額定頻率正弦波電動(dòng)勢(shì)zui小方均根值。當(dāng)此值增加10%時(shí),其勵(lì)磁電流方均根值增加至但不大于50%。額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)可用以下公式表示:
Ek=Kx×(Rct+Rbn)×Isn
3.5常見保護(hù)用電流互感器的型號(hào)規(guī)格
保護(hù)用電流互感器就是為保護(hù)用繼電器提供電流的電流互感器器,與電流繼電器等類似電器配套使用,主要用于低壓配電系統(tǒng)電流過載保護(hù)和短路保護(hù)。主要準(zhǔn)確級(jí)有:5P、10P,5、10表示復(fù)合誤差5%、10%,準(zhǔn)確限值系數(shù)又叫限值系數(shù),它是額定準(zhǔn)確限值一次電流(此時(shí)符合誤差不超過5%、10%)與額定一次電流的比值,準(zhǔn)確限值系數(shù)有,5、10、15、20,以江蘇安科瑞AKH-0.66 P系列保護(hù)型電流互感器為例,具體型號(hào)與規(guī)格見表4.
表4 保護(hù)用電流互感器的型號(hào)規(guī)格
電流互感器型號(hào) | 輸入、輸出 | 主要特點(diǎn) | 主要規(guī)格 |
AKH-0.66/P-雙M8系列 | 輸入:3-100A 輸出:0-(0-1A) | 配合100A及以下保護(hù),10P10 | P-雙M8 |
AKH-0.66/P-M8系列 | 輸入:150-400A 輸出:0-(0-1A) | 主要使用在核電項(xiàng)目小空間柜體中使用,10P10 | P-M8 |
AKH-0.66/P-III系列 | 輸入:250-6300A 輸出:0-(0-1A) | 主要用于柜體空間較小的大電流場合5P10、10P10、10P15 | P-50III、P-60III、P-80III、P-100III、P-120III、P-130III |
AKH-0.66/P-II系列 | 輸入:200-6300A 輸出:0-(0-1A) | 一般用于如電廠等高要求,大電流場合,5P10、5P15、5P20 | P-60×50、P-80×50、P-100×50、、P-120×50、、P-180×50、P-220×50、P-220×165、 P-280×90 |
圖3 AKH-0.66 P系列保護(hù)型電流互感器外形圖
3.6保護(hù)用電流互感器在低壓配電系統(tǒng)中的問題及應(yīng)用實(shí)例
保護(hù)電流互感器在低壓配電系統(tǒng)中,準(zhǔn)確級(jí)以及準(zhǔn)確限值系數(shù)的選擇是用戶經(jīng)常碰到的問題。
2003年河北某工廠,由于新廠房擴(kuò)建,在新廠房1500米附近安裝了一臺(tái)250KVA(10/0.4kV)配變,與主變距離2500米,因負(fù)荷較小(額定電流80A),當(dāng)時(shí)為了考慮計(jì)量準(zhǔn)確,使互感器額定一次電流與zui大負(fù)荷電流相接近,將電流互感器比選擇100/,同時(shí)保護(hù)用電流互感器選擇100/,10P10。在施工下水道時(shí),將電纜挖斷,造成工廠附近大面積停電。
經(jīng)電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算得:主變短路電抗為X1 = 0.07Ω,配變短路電抗為X2 = 0.5Ω,短路點(diǎn)前短路電抗為X3= 0.4Ω, 計(jì)算電抗X*∑= X1 + X2 + X3 = 0.97。 相短路時(shí)TA流經(jīng)次暫態(tài)短路電流周期分量值為:I" = 1 / X*∑×5.5 = 5.67(kA),此時(shí)短路電流是額定電流的56.7倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于準(zhǔn)確限值系數(shù)10,同時(shí)復(fù)合誤差超過10%時(shí),影響繼電器動(dòng)作,應(yīng)該選擇500/ 10P15。
3.7電流互感器使用過程中的注意事項(xiàng)
●電流互感器在接線時(shí),同名端要保持一致,即P1、S1;P2、S2。
●電流互感器在正常運(yùn)行時(shí),二次不得開路,防止二次開路產(chǎn)生高電壓,影響人身和設(shè)備安全。
4.結(jié)束語
本文對(duì)低壓配電系統(tǒng)中的不同類型電流互感器進(jìn)行了簡單概述,推薦給電力系統(tǒng)各位專家和電氣工程師們參考,有利于不同類型低壓電流互感器在低壓智能配電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1]江蘇安科瑞電器制造有限公司.電量傳感器選型手冊(cè),201407版.
[2]任致遠(yuǎn),周中.電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南,中國電力出版社,2007.
作者簡介:徐霜,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)殡娏總鞲衅髟O(shè)計(jì)