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铁心剩磁对电流互感器性能的影响

电流互感器作为电力系统的主要设备之一，其性能对计量、测量、监控、保护、录波测距都有重要影响，由于运行中的电流互感器普遍存在剩磁，剩磁对电流互感器的危害较大，且剩磁一旦产生，不会自动消失，在正常运行条件下将长期存在，因而电流互感器剩磁影响电力系统稳定、可靠运行及准确计量、测量。
但是目前并没有对此引起足够的重视。根据JJG313－94《测量用电流互感器检定规程》，在对电流互感器进行误差测量时，应先退磁，并以退磁后的测量结果作为判断互感器合格与否的依据，实质上忽略了剩磁对测量用互感器的影响。试验结果表明，对于常用的0.2(S)级、0.5(S)级电流互感器，剩磁可能使误差向负方向偏移0.1％~0.2％，导致测量、计量偏小。
目前保护用电流互感器广泛采用P级互感器，此类互感器采用冷扎硅钢片，对剩磁没有规定，冷扎硅钢片的剩磁系数可达80％以上。当系统短路故障处于暂态过程时，若剩磁通方向与暂态非周期分量产生的磁通方向一致，电流互感器的性能将严重恶化。因而剩磁是导致保护误动、拒动的原因之一。
当前，由于对保护用互感器剩磁的影响重视不够，并且这种影响在事故发生后不易分析清楚，目前有关规程、标准及电力事故调查、分析中往往忽视了电流互感器剩磁的影响。因此，对剩磁影响进行理论分析、试验研究、积累运行经验，并在设计、生产、试验环节对互感器剩磁进行控制是非常必要的。
1、 电流互感器存在剩磁的原因 剩磁产生的原因是由于铁磁材料固有的磁滞现象，图1是铁心的磁化曲线,当励磁电流Im(或磁场强度Ｈ，对于低漏磁型互感器，可以认为ＨＬ＝ＮＩｍ， N是绕组匝数)从0上升到Ｉａ， 铁心沿0a曲线被磁化,当Im 从Ｉａ下降到０时，磁化回线沿ａｂ下降，由图可以看出，当Ｉｍ下降到０,磁密B(或磁通Φ)不为0,而等于Ｂｒ，Ｂｒ（或Φｒ）就是通常所说的“剩磁”。从理论上说，励磁电流Ｉｍ若不是交变地以由大到小降为0的方式对铁心进行磁化，都会导致铁心存在剩磁。电流互感器的剩磁大小用剩磁系数 （Ｋｒ）来表示。 Kr＝Br/Bs×100％， Bs是铁心饱和磁密
2、 根据剩磁产生的原因，电流互感器在实际使用时，下述情况会产生剩磁。 1) 对断路器进行跳闸、合闸操作时； 2) 在系统发生短路时，往往会导致电流互感器存在较大的剩磁； 3) 曾经开路运行过的电流互感器也可能存在较大的剩磁； 4) 在对电流互感器进行试验时也可能会产生剩磁，例如：直流电阻测量、直流法检测互感器极性。

系统发生短路故障后，往往会导致电流互感器存在较大的剩磁，电流互感器剩磁大小取决于一次电流开断瞬间铁心中的磁通。在短路故障时，磁通由稳态周期性短路电流、暂态非周期分量及二次回路阻抗决定，当一次电流在互感器处于饱和时断路器跳闸产生的剩磁可能最大。 下面对稳态周期性短路电流进行分析，假设铁心不饱和，忽略一次、二次绕组电阻、漏抗以及铁损。由于断路器一般在短路电流过零点跳闸，此时二次电流也基本上处于过零点。根据电流互感器的T形等效电路图（图略），可作短路故障时的相量图，如图2所示，下面对不同二次负载的情况进行分析。

图中各参数：E2为二次感应电势；U2为二次电压；I2为二次电流；I1′为折算到二次侧的一次稳态周期性短路电流；Φ为铁心中的磁通量。 1) 互感器二次阻抗为纯电感时，见图2（a），由于忽略二次绕组电阻及漏抗的影响，则E2＝U2，根据电磁感应定律e2＝－N2 ()dtt Φ,Ф超前E2 90°。 由于断路器在短路电流过零点跳闸，跳闸时i1′≈ i2＝0，因为二次阻抗为纯电感，此时|e2 |为最大值，则Ф（t）为0，因而，对于二次纯电感负载的电流互感器，系统发生短路故障跳闸，基本上不会导致电流互感器存在剩磁。 2) 若互感器二次阻抗为纯电阻，见图2（b），跳闸时i1′≈i2＝0，可得e2＝0，则|Ф（t）|为最大值，因而将导致电流互感器存在较大的剩磁。 3) 大量电流互感器二次负荷现场带电测试结果显示：实际运行中的电流互感器二次负载功率因数一般比较高，在0.8以上，因此短路故障将导致电流互感器存在较大剩磁。 若短路电流伴随着非周期分量，铁心磁密更高，断路器跳闸后产生的剩磁可能更大。实际上短路故障造成的剩磁影响不仅仅局限于故障间隔的电流互感器，这种影响会波及变电站临近间隔的电流互感器。 表1是IEEE Std C37.110-1996《Guide for the application of current transformer used for protective relaying purpose》列举的对230 kV系统141组电流互感器的调查结果，表明运行中的电流互感器剩磁分布不均，不易确定典型值，剩磁系数最高可达80％。 表1 IEEE Std C37.110-1996列举的 电流互感器剩磁系数调查表 Tab.1Investigation data about Kr in IEEE Std C37.110-1996 剩磁系数Kr/（％） 互感器百分数/（％） 0~20 39 21~40 18 41~60 16 61~80 27 2 电流互感器剩磁的影响 电流互感器一旦产生剩磁，正常工况下的电流互感器运行在局部小磁滞回线状态下，见图3中的ab回线，铁心原有的对称磁滞回线发生偏移，上下半周磁滞回线不再对称,铁心的非线性程度增加。对测量用电流互感器，剩磁导致铁心磁导率下降，并且非线性程度增加，相应地，互感器励磁阻抗Zm减小，励磁电流Im增大，互感器误差向负方向偏移，图4也证明了这种变化。对保护用电流互感器，存在剩磁时，铁心磁密从Br开始磁化，互感器提前进入饱和区。另外，当系统发生短路故障时，通常伴随着较大的暂态非周期分量，该非周期分量随一次时间常数Tp衰减，同时电流互感器二次回路中还会产生随二次时间常数Ts衰减的非周期分量。若暂态非周期分量与剩磁的影响叠加，将严重恶化电流互感器性能。总之，无论剩磁方向如何，剩磁对测量用、保护用电流互感器的性能都有影响。

2.1 剩磁对测量用电流互感器的影响
理论及试验都表明，剩磁使测量用电流互感器比值差向负方向变化，相位差向正方变化，从而导致测量结果偏小、电能计量偏小，并且这种影响随着剩磁的增大，影响也越大。根据充磁、退磁前后的试验结果表明，对于常用的0.2（S）级、0.5（S）级测量用电流互感器，当剩磁较大时，可以使误差向负方向偏移0.1％~0.2％。

2.2 剩磁对保护用电流互感器的影响 系统发生短路故障时，由于剩磁的存在，互感器过早饱和。对于短路故障暂态过程中的互感器，暂态非周期分量产生的磁通若与剩磁通方向一致，剩磁将加深电流互感器的饱和程度，使电流互感器性能恶化；若暂态非周期分量产生的磁通与剩磁通方向相反，剩磁可部分抵消非周期分量的影响，改善互感器特性。 电流互感器励磁特性试验是检测保护用电流互测量用电流互感器必须保证正常工况下的准确等级，由于剩磁导致铁心磁导率μ下降，进而使励磁电流增加，根据误差与电流互感器参数的关系式，见式（1）、（2）。铁心磁导率下降，互感器比值差向负方向变化，相位差向正方向变化。 622211sin()10(%)4.44() IZL ffNSINαψ=− +×μ（1） 622211cos()344010() 4.44()IZL fNSINδαψ=−+××′μ （2） 其中:I2为二次电流（A） ；Z2为二次总阻抗（Ω）； N2为二次绕组匝数；f为电网频率（Hz） ；L为铁心平均磁路长度（cm）；S为铁心截面积（cm2）；μ为铁心材料磁导率（H/cm）；I1N2为一次绕组安匝数(A)。 下面对一台0.5级、600A/5A、额定二次阻抗0.4 Ω、铁心材料采用冷扎硅钢片的10 kV电流互感器进行充磁、退磁两种状态下的误差试验，充磁方式为：一次绕组及其余二次绕组开路，用直流源对被试二次绕组施加1 A电流，历时30 s，静置1 h。试验结果见表2。感器性能最常用、最简便的方法，能够便捷地检测出电流互感器铁心磁饱和性能及二次绕组绝缘情况。励磁特性的具体试验方法请参阅文献[12]。下面对一台10P15级、600A/5A、额定二次阻抗2 Ω、铁心材料采用冷扎硅钢片的110 kV电流互感器进行充磁、退磁两种状态下的励磁特性试验。充磁方式：一次绕组及其余二次绕组开路，用直流源对被试二次绕组施加1 A电流，历时30 s，静置1 h，试验结果见表3、图4。 充、退磁两种状态下的试验对比表明存在剩磁的电流互感器励磁曲线具有较严重的非线性，励磁电流增大，导致互感器二次电流畸变。 当暂态非周期分量产生的磁通与剩磁通方向一致时，剩磁将对电流互感器暂态特性产生严重的影响。图5是IEEE Std C37.110-1996给出的剩磁对电流互感器传变性能的影响示例图，根据C800型、
1200A/5A的电流互感器传变性能绘制，一次时间常数Tp＝50 ms，总二次负荷Z＝1.6+j0.7 Ω，暂态非周期分量全偏移。图5(a)为互感器无剩磁的情形，图5 (b)为互感器有50%剩磁的情形，图5 (c)为互感器有75%剩磁的情形。从图中可以看出暂态饱和时