浅析电流互感器运行与维护

宋传伟，赵金龙

内蒙古兴安盟阿尔山供电局，内蒙古阿尔山 137800

1 电流互感器工作原理

电力系统中广泛采用电磁式电流互感器，它的主要结构和工作原理和变压器相似，电流互感器的一次绕组匝数N1很小，串联被侧电路中，因此，一次绕组中的电流I1完全取决于待测电路的负载大小，而不受二次电流I2的影响，这是电流互感器与变压器区别的重要特点，二次绕组匝数N2较多，它所连接的仪表和继电器的电流线圈阻抗很小，故电流互感器正常工作情况近于短路状态下运行。电流互感器利用变压器原、副边电流成比例的特点制成。其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。由于副边接近于短路，所以原、副边电压U1和Uc2都很小，励磁电流I0也很小。电流互感器运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流，使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。因此，电流互感器副边回路中不许接熔断器，也不允许在运行时未经旁路就拆下电流表、继电器等设备。

2 电流互感器开路的危害

电流互感器正常工作时，二次回路近于短路状态。这时二次电流所产生的二次绕组磁动势F2对一次绕组磁动势F1有去磁作用，因此，合成磁势F0＝F1-F2不大，合成磁通φ0也不大，二次绕组内感应电动势E2的数值最多不超过几十伏。因此，为了减少电流互感器的尺寸和造价，互感器铁心的截面是根据电流互感器在正常工作状态下合磁磁通φ0很小而设计的。使用中的电流互感器如果发生二次回路开路，二次绕组磁动势F2等于0，一次绕组磁动势F1仍保持不变，且全部用于激磁，合成磁势F0=F1，这时的F0较正常时的合成磁势(F1-F2)增大了许多倍，使得铁心中的磁通急剧地增加而达到饱和状态。由于铁心饱和致使磁通波形变为平顶波，因为感应电动势正比于磁通的变化率dφ/dt，所以这时二次绕组内将感应出很高的感应电动势e2。二次绕组开路时二次绕组的感应电动势e2是尖顶的非正弦波，其峰值可达数千伏之高，这对工作人员和二次设备以及二次电缆的绝缘都是极危险的；另一影响是，因铁心内磁通的剧增，引起铁心损耗增大，造成严重发热也会使电流互感器烧毁；第三个影响是因铁心剩磁过大，使电流互感器的误差增加，在运行中的电流互感器是将处于高电位的大电流变成低电位的小电流。也就是说：二次绕组的匝数比一次要多几倍，甚至几千倍（视电流变比而定）。如果二次开路，一次侧仍然被强制通过系统电流，二次侧就会感应出几倍甚至几千倍于一次绕组两端的电压，这个电压可能高达几千伏以上。运行中电流互感器二次侧开路后，一次侧电流仍然不变，二次侧电流等于0，则二次电流产生的去磁磁通也消失了。这时，一次电流全部变成励磁电流，使互感器铁芯饱和，磁通也很高，将产生以下后果：

1）由于磁通饱和，其二次侧将产生数千伏高压，且波形改变，对人身和设备造成危害；

2）由于铁芯磁通饱和，使铁芯损耗增加，产生高热，会损坏绝缘；

3）将在铁芯中产生剩磁，使互感器比差和角差增大，失去准确性。

因此，电流互感器在使用中必须与二次负荷确切联结，不接负荷时则应可靠短接，短接的导线必须有足够的截面，以免当一次过电流时产生的较大的二次电流将导线熔断，造成二次开路而出现高电压。电流互感器一次绕组匝数少，使用时一次绕组串联在被测线路里，二次绕组匝数多，与测量仪表和继电器等电流线圈串联使用，测量仪表和继电器等电流线圈阻抗很小，所以正常运行时CT是接近短路状态的。CT二次电流的大小由一次电流决定，二次电流产生的磁势，是平衡一次电流的磁势的。若二次开路，其阻抗无限大，二次电流等于零，其磁势也等于零，就不能去平衡一次电流产生的磁势，那么一次电流将全部作用于激磁，使铁芯严重饱和。磁饱和使铁损增大，CT发热，CT线圈的绝缘也会因过热而被烧坏。还会在铁芯上产生剩磁，增大互感器误差。最严重的是由于磁饱和，交变磁通的正弦波变为梯形波，在磁通迅速变化的瞬间，二次线圈上将感应出很高的电压，其峰值可达几千伏，如此高的电压作用在二次线圈和二次回路上，对人身和设备都存在着严重的威胁。所以CT在任何时候都是不允许二次侧开路运行的。

3 如何对电流互感器开路判断

如何判断电流互感器二次开路故障，一般可从以下现象进行检查判断：

1）回路仪表指示异常降低或为零。如用于测量表记的电流回路开路，会使三相电流表指示不一致、功率表指示降低，计量表记不转或转数减慢，如果表记指示时有时无，可能是处于半开路状态；

2）CT本体有无噪声、振动不均匀、严重发热、冒烟等现象，当然这些现象在负荷小时表现并不明显；

3）CT二次回路端子、元件线头有放电、打火现象；

4）继保发生误动或拒动，这种情况可在误跳闸或越级跳闸时发现并处理；

5）电度表、继电器等冒烟烧坏。而有无功功率表及电度表、远动装置的变送器、保护装置的继电器烧坏，不仅会使CT二次开路，还会使PT二次短路。

4 电流互感器二次开路处理

检查处理CT二次开路故障，要尽量减小一次负荷电流，以降低二次回路的电压。操作时注意安全，要站在绝缘垫上，戴好绝缘手套，使用绝缘良好的工具。

1）发现CT二次开路，要先分清是哪一组电流回路故障、开路的相别、对保护有无影响，汇报调度，解除有可能误动的保护。

2）尽量减小一次负荷电流。若CT严重损伤，应转移负荷，停电处理。

3）尽快设法在就近的试验端子上用良好的短接线按图纸将CT二次短路，再检查处理开路点。

4）若短接时发现有火花，那么短接应该是有效的，故障点应该就在短接点以下的回路中，可进一步查找。若短接时没有火花，则可能短接无效，故障点可能在短接点以前的回路中，可逐点向前变换短接点，缩小范围检查。

5）在故障范围内，应检查容易发生故障的端子和元件。对检查出的故障，能自行处理的，如接线端子等外部元件松动、接触不良等，立即处理后投入所退出的保护。若开路点在CT本体的接线端子上，则应停电处理。若不能自行处理的（如继电器内部）或不能自行查明故障的，应先将CT二次短路后汇报上级

5 电流互感器开路电压

电流互感器二次发生开路会产生高电压。常见的对这一现象的解释是：“如果电流互感器二次开路，二次电流消失，去磁作用随之消失，铁心中的磁密很高；又由于二次绕组匝数特多，二次电压会很高。有时可达几千伏”电流互感器的一次匝数很少，其一次绕组通常是一次设备的进出导线，只有一匝或两匝，而起二次绕组很多。我们知道其二次电压U2与一次电压U1的关系应该为 U2=U1*W2/W1，其中W2、W1分别为二次和一次的绕组匝数。比如一个额定变比为1200/5的电流互感器其一次绕组为1匝，而二次绕组为240匝。如果互感器二次开路，而如果我们所说的这个变比为1200/5的互感器使用在110kV系统，那么当二次开路时是不是就要产生110kV×240这样高的电压呢？说实话，这是我以前的一个误解。而上面的推算过程中发生的关键错误是把一次系统的额定电压当成了互感器的一次电压U1，而真正的U1实际上应该是电流流过互感器一次，在互感器进线和出线端产生的电压。考虑到这么短的一次导体的阻抗非常小，即使电流很大，最后电压也不会大。而这个不会很大的一次电压传递到二次的开路端也就是几千伏而已了。当然也不完全如此，你的前提是电流互感器铁心正常（不饱和）情况下的，正常的电磁传变特性，可以用一次导线上的一小段电压乘以变比，得出二次的电压，这样算来，电压是不高，但是忽略了电流互感器饱和的因素。应该讲一次电流越大，二次电压越高，但不是线性的！应该讲一次电流在二次不开路有去磁作用的情况下，去励磁的电流是很小的，一般保护级该励磁电流不允许超过总的电流的10%。也就是说正常励磁电流下，铁心是不饱和的，那么在铁心中的励磁电流所产生的磁通就不会畸变，还是标准的正弦波。如果二次开路，那么一次电流因二次无去磁，使得一次电流全部去励磁，那么此时激磁电流剧增，铁心饱和，此时的激磁电流产生的磁通畸变。为什么二次会有电压，其实是磁感应来的，就是我们常说的感应电动势e = N（dφ/dt），这里N是匝数，是常量，关键是磁通的变化陡度！那么我们来比较一下上述两种情况的的磁通的变化陡度。看图：需要说明的是如果一次电流很小，只要全部去励磁而电流互感器不饱和，可以用一次导线上的一小段电压乘以变比，得出二次的电压，这样算来，电压是不高。这里关键是一次电流大了，就有问题了。电流互感器正常工作时，二次回路近于短路状态。这时二次电流所产生的二次绕组磁动势F2对一次绕组磁动势F1有去磁作用，因此合成磁势F0＝F1-F2不大，合成磁通φ0也不大，二次绕组内感应电动势E2的数值最多不超过几十伏。因此，为了减少电流互感器的尺寸和造价，互感器铁心的截面是根据电流互感器在正常工作状态下合磁磁通φ0很小而设计的。 使用中的电流互感器如果发生二次回路开路，二次绕组磁动势F2等于零，一次绕组磁动势F1仍保持不变，且全部用于激磁，合成磁势F0=F1，这时的F0较正常时的合成磁势(F1-F2)增大了许多倍，使得铁心中的磁通急剧地增加而达到饱和状态。由于铁心饱和致使磁通波形变为平顶波，因为感应电动势正比于磁通的变化率dφ/dt，所以这时二次绕组内将感应出很高的感应电动势e2。二次绕组开路时二次绕组的感应电动势e2是尖顶的非正弦波，其峰值可达数千伏之高，这对工作人员和二次设备以及二次电缆的绝缘都是极危险的；另一影响是，因铁心内磁通的剧增，引起铁心损耗增大，造成严重发热也会使电流互感器烧毁；第三个影响是因铁心剩磁过大，使电流互感器的误差增加 带电的电流互感器二次绕组严禁开路运行。 简单的讲,这是因为一次的匝数很少。二次的匝数相对一次是很多的，当二次绕组开路会产生很高过电压，对人身和设备造成威胁，所以电流互感器是严禁开路的。

6 电流互感器与测量仪表接线

电流互感器的接线方式按其所接负载的运行要求确定。最常用的接线方式为单相，三相星形和不完全星形。额定变比和误差互感器的额定变比KN指电压互感器的额定电压比和电流互感器的额定电流比。前者定义为原边绕组额定电压U1N与副边绕组额定电压 U2N之比；后者则为额定电流I1N与I2N之比。即 KN＝U1N/U2N （对电压互感器）KN＝I1N/I2N （对电流互感器）电压（或电流）互感器原边电压（或电流）在一定范围内变动时，一般规定为0.85～1.15U1N（或10～120%I1N），副边电压（或电流）应按比例变化，而且原、副边电压(或电流)应该同相位。但由于互感器存在内阻抗、励磁电流和损耗等因素而使比值及相位出现误差，分别称为比差和角差。一般通过在互感器上加绕附加绕组或增添附加铁心，以及接入相应的电阻、电感、电容元件来补偿。常用的补偿法有匝数补偿、分数匝补偿、小铁心补偿、并联电容补偿等。

7 电流互感器变比检查试验方法

电流互感器交接时和更换绕组后的现场变比检查试验列为重要试验项目。电流互感器工作原理大致与变压器相同，不同的是变压器铁心内的交变主磁通是由一次线圈两端交流电压所产生，而电流互感器铁心内的交变主磁通是由一次线圈内电流所产生，一次主磁通在二次线圈中感应出二次电势而产生二次电流。从电流互感器工作原理可知：决定电流互感器变比的是一次线圈匝数与二次线圈匝数之比，影响电流互感器变比误差的主要原因有：1）电流的大小，比差和角差随二次电流减小而增大；2）二次负荷的大小，比差和角差随二次负荷减小而减小；3）二次负荷功率因数，随着二次负荷功率因数的增大，比差减小而角差增大；4）电源频率的影响；5）其它因素。电流互感器内部参数也可能引起变比误差，如二次线圈内阻抗、铁心截面、铁心材料、二次线圈匝数等，但这是由设计和制造决定的。

8 电流互感器极性和接线方式及其应用

在电力系统中电流互感器的作用是把大电流变成小电流，将连接在继电器及测量仪器仪表的二在电力系统中电流互感器的作用是把大电流变成小电流，将连接在继电器及测量仪器仪表的二次回路与一次电流的高压系统隔离，并将一次电流变换到5A或1A两种标准的二次电流值。电流互感器的极性 与电流保护密切相关，特别是在农电系统中，电流保护起主导作用，因此必须掌握好极性与保护的关系。 本文分析了电流互感器的极性和常用电流保护的关系，以及易出错的二次接线。

电流互感器在交流回路中使用，在交流回路中电流的方向随时间在改变。电流互感器的极性指的是某一时刻一次侧极性与二次侧某一端极性相同，即同时为正、 或同时为负，称此极性为同极性端或同名端，用符号“*”、“-” 或“.”表示。(也可理解为一次电流与二次电流的方向关系)。按照规定，电流互感器一次线圈首端标为L1，尾端标为L2；二次线圈的首端标为K1，尾端标为K2。在接线中L1和K1称为同极性端，L2和K2也为同极性端。电流互感器同极性端的判别与耦合线圈的极性判别相同。较简单的方法例如用1.5V干电池接一次线圈，用一高内阻、大量程的直流电压表接二次线圈。当开关闭合时，如果发现电压表指针正向偏转，可判定1和2是同极性端，当开关闭合时，如果发现电压表指针反向偏转。一相式电流保护的电流互感器主要用于测量对称三相负载或相负荷平衡度小的三相装置中的一相电 流。电流互感器的接线与极性的关系不大，但需注意的是二次侧要有保护接地，防止一次侧发生过电流现 象时，电流互感器被击穿， 烧坏二次侧仪表、继电设备。但是严禁多点接地。两点接地二次电流在继电 器前形成分路，会造成继电器无动作。因此在《继电保护技术规程》中规定对于有几组电流互感器连接在 一起的保护装置，则应在保护屏上经端子排接地。如变压器的差动保护，并且几组电流互感器组合后只有 一个独立的接地点。

9 电流互感器运行中应注意的问题

1）电流互感器在运行中二次侧不得开路，一旦二次侧开路,，由于铁损过大，温过高而烧毁，或使 副绕组电压升高而将绝缘击穿，发生高压触电的危险。所以在换接仪表时如调换电流表、有功表、无功表 等应先将电流回路短接后再进行计量仪表调换。当表计调好后，先将其接入二次回路再拆除短接线并检查表计是否正常。如果在拆除短接线时发现有火花，此时电流互感器已开路，应立即重新短接，查明计量表回路确无开路现象时，方可重新拆除短接线。在进行拆除电流互感器短接工作时，应站在绝缘皮垫上，另外要考虑停用电流互感器回路的保护装置，待工作完毕后，方可将保护装置投入运行。

2）如果电流互感器有嗡嗡声响，应检查内部铁心是否松动，可将铁心螺栓拧紧。

3）电流互感器二次侧的一端，外壳均要可接地。

4）当电流互感器二次侧线圈绝缘电阻低于10～20兆欧时，必须进行干燥处理，使绝缘恢复后，方可使用。