基于电流互感器的误差检测分析

 基于电流互感器的误差检测分析

崔晨,邵杰敏

 天津市产品质量监督检测技术研究院电工技术科学研究中心，天津 300232

摘要：本文以现有的电流互感器检测标准、设计标准为依据，结合电磁式电流互感器的工作设计原理进行探索，逐步分析了电流互感器的检测项目，并应用于实际检测，比对数据结果。对电流互感器的检测与校验具有一定的意义。

关键词：电流互感器；误差测量；比差角差；伏安特性

1 引言

电流互感器的主要功能是将大的电流转化为小电流。根据电流互感器的原理，电流互感器的一次侧电流I1比二次侧电流I2始终为定值，在保证接线正确时，I2与I1之间的相位差应几乎为0，但这始终是理想状态时的情况，实际应用中，由于电磁感应下，励磁电流的产生，这种情况存在差别，由于电流互感器工作时，I1不能转化为I2，或多或少存在励磁电流，在环绕铁芯中产生磁通Φ，同时，相伴的涡流损耗与磁滞损耗也会发生，在以上情况下，电流互感器的I1转化为I2发生的误差就表现为电流值、相位角等。

本文主要分析了电流互感器在工作中产生的相关误差：第一是极性检测，主要检测I1转化为I2后的相角是正极性与负极性；第二是比差角差误差，主要检测I1转化为I2后的电流值在电流值与相角差的准确度；第三是伏安特性检测，主要是验证电流互感器内部是否发生了线圈的匝间短路；第三是10%误差曲线绘制；主要为了评估电流互感器负载侧的负荷能否符合误差范围。本文将对以上四种分别介绍。

2 电流互感器的工作原理

理解互感器的工作原理可以仿照变压器，均为电磁感应原理，只不过，变压器将一次侧电压U1转化为二次侧电压U2，仅仅实现电压转换，功率不变。在接线时，电流互感器的需要将少匝数的原边电磁绕组以串联的形式接入电路，将副边电磁绕组要求接低阻抗的检测器件如继电器、电流表等。由于串联电路的电流为电流互感器的原边侧的电流I1，变比决定副边侧电流I2，低阻抗的副边负载相当于短路，由此推算，电流互感器的双边电压及励磁电流的数值均为很小。

电流互感器绕于铁芯的线圈安匝比，通过磁感应，实现电流由大到小的反比例转化。图1中为电流互感器的原理模型，如图所示，中空的矩形模拟磁性铁芯，虚框指示模拟发生磁链，N1部分为原边绕组，N2为副边绕组。

图1 电流互感器原理结构图

图1中原边侧的励磁绕组N1下电流通过的感生电动势记为E1，图1中右（副边）侧的N2绕组下电流通过的感生电动势记为E2，副边产生的Φ2下又会产生感应电流I2，随着I1与I2的交变，合成Φ0将作为能量平衡的反馈通道，将原边侧的电功率与副边侧保持对等，由此，Φ0便为此电路中的主磁通。Φ0值由I0感应产生。

一般来说，理想电流互感器中的磁通始终按平衡比例稳定磁通，也就是励磁电流为0，其磁动势平衡关系可表示为：

  (1)

也可转换为：

        (2)

由公式（2）可知，在理想电流互感器中，一、二次侧电流之比（等号左侧）等于一、二次侧匝数之反比（等号右侧），公式（2）中，I1表示通过一次侧线圈的的电流数 ；I2表示通过二次侧线圈的的电流数，可作为线路关键测量值进行记录，I1、I2单位均用(A)。

可简单记作电流比等于匝数反比Kt。用公式表示为：

  （3）

通过数学转化，可得：

     （4）

公式（4）中，Kt也可是双边的线圈匝数之比。如果将电流互感器通以额定电流，并按照标定匝数进行计算，那么，此时的理想电流互感器的“Kn”将表述为公式（5）中双边额定电流比等于双边额定匝数的反比：

（5）

公式（5）中，,Kn表示电流互感器双边额定电流比；I1n、I2n为电流互感器通过的额定一、二次电流；N1n、N2n为电流互感器标定的一、二次线圈匝数。

3 误差理论

3.1 误差基本理论

在电流互感器中，励磁电流之间的磁感应转换过程中会发生铁芯损耗磁能，这样就会发生转换误差。在双边的励磁电流以及铁芯损耗磁能的状况下，

由于电流互感器中双边侧的电流均为矢量值（包含比率值和相角值），因此而电流互感器误差也包括双边电流比率、相角两方面差值。

如图3所示为电流互感器的简化矢量图。

图2 电流互感器的简化矢量图

1. 电流互感器的一、二次电流值之间的误差以相对误差的形式表示即是比值差（以百分数的表示），在国家标准GB/T 20840.3-2014《互感器 第2部分：电流互感器的补充技术要求》中将这一概念定义如下：

    （6）

式中：

Kn——额定电流比；

Ip——实际一次电流，单位为（A）；

Is——在测量条件下，流过Ip时的实际二次电流，单位为（A）。

2. TA 的基本误差有2个：一为变比误差△I（简称比差），二为是角度误差δ（简称角差）

变比误差△I定义为：

（7）

角度误差δ 一般很小， 所以变比误差△I 可近似写成：

（8）

角度误差δ 因很小，一般可近似表示为：

        ( 9 )

由以上公式（8）、（9）得出，电流互感器的比值误差△I、相角差δ均相对于线圈间的励磁电流

I′μ为正比关系。期间励磁功率Pμ用公式（10）表示：

(10)

从公式（10）可以看出，比值误差△I、相角差δ与电流互感器的二次侧负荷ZL成正比，而与励磁特性阻抗Z′μ成反比。

3. 关于复合误差的概念定义如下：当电流互感器的双边电流的方向与标记端极性相同，初侧电流的瞬时值减去副侧与In（额定电流）变换比例的乘积，再取有效数，就是所说的复合误差。

复合误差用公式表示为：

    (11)

式中：

Kn——额定电流转换比；

Ip ——初级电流的有效值；

Is ——次级电流的瞬时值；

T——波形的循环时间。

3.2误差分析方法

电流互感器的检查主要包括极性测试，比角差测试，伏安特性测试，10%误差曲线测试等[2]。选择时通常不测试测量TA的误差，仅仅在当其处于实际应用中时此项目才要进行。验证保护用电流互感器的伏安特性这一项目也须进行。另一方面，当遇到差动保护的电流互感器时候，就必须考虑护功能的准确性，所以不仅要进行伏安特性测试，还需要10%的误差曲线验证。

1. 极性测试

使用1.5V干电池连接初级线圈，将电池的正极连接至P1，使用高灵敏度DC电流表连接次级线圈，并将S2连接至电流表的“+”。当初级线圈电路闭合时，如果发现电流表指针向前偏转，或者当初级线圈电路断开时，如果电流表指针向反方向偏转，则可以判断为减极性连接的极性关系。

图3 电流互感器减极性测试示意图

2. 比差角差测试

比率差角差测试应由电流互感器校准器选择进行测试，并将测量结果与表中的数据进行比较。 在此限制之下，测得的电流互感器合格。选择图5中的验证线路进行验证：

图4 检定线路

接线时，要求将标准电流互感器的极性端与检测到的电流互感器的极性相连接，一次侧和二次侧相互连接。电流在变压器的次级侧中，其连接的极性端连接到误差测量设备（互感器校验仪）上的差分电流检测端子K上，并且次级侧互感器校验仪的测量电路和差分电流检测电路连接了非极性端子，并且在差分电流检测电路中，两侧的电位值应等于地。验证互感器时，请保持环境温度在0-40℃且相对湿度小于80%。

电流互感器的误差要求根据其精度等级而有所不同，如在《JJG 313-2010测量用互感器检定规程》中电流互感器的额定电流不同百分数值下的误差限制为表1、表2中所示：

表1 测量用电流互感器的比值误差限值

表2 测量用电流互感器的相位误差限值[3]

3. 伏安特性测试

电流互感器的伏安特性是指当电流互感器的一次侧断开时，电流互感器的二次侧的励磁电流与施加到电流互感器的二次侧的电压之间的关系。当电流互感器的初级侧断开时，此时的等效电路图I0 = I2可以看到次级侧的电压U。根据磁感应定律，U和B与固定频率的AC磁场成比例，因此U和I2关系曲线描述了磁通量B与励磁电流I0之间的关系，U和I2关系曲线也可表示TA铁心的磁化强度的曲线。如图6 中VA特性曲线所示。

根据如图6中VA特性曲线，可以得出两种结论：一种是获取电流互感器的10%误差曲线，另一种是判断电流互感器是否存在匝间短路。

图5 VA特性曲线

4 试验数据分析

误差试验：以变比为1000/5的电力电流互感器为试品，根据GB/T 20840.2-2014标准要求，测得曲线及数据如下：

图6 伏安特性曲线图

表3 复合误差曲线图

表4 10%倍数曲线数据

5 结束

本文详细介绍了电流互感器的工作原理，在此基础上，逐步分析了电流互感器极性测试、比差角差测试、伏安特性、10%误差曲线等4个关键环节的测试原理及方法；并应用于变比为1000/5的电力电流互感器进行实际检测，分析了数据结果。

参考文献：

【1】GB/T 20840.1-2010《互感器 第1部分：通用技术要求》

【2】GB/T 20840.3-2014《互感器 第2部分：电流互感器的补充技术要求》

【3】JJG 313-2010《测量用互感器检定规程》