电流互感器运行特性分析

在电工手册及各类教材中，对电流互感器二次开路运行的结论是：“电流互感器二次开路产生几百伏、lkV～10kV的危及人身安全的高压；铁芯严重发热，烧坏电流互感器。”这也是电力界公认的法规。
我们科技服务小组在检修学校配电盘的一只无示数电流表时发现，与其相串联电流互感器二次开路运行，实测电压为2.6V，恢复其原闭路接法，同时在主回路串入型号、变化相同的电流互感器，二次开路长期运行，并不发热。这说明：目前实际应用的电流互感器运行特性与一百多年来传统的结论相比，有着不容忽视的重大差别。
为了分析电流互感器运行参数，在电业公司和校党总支部大力支持下，我们将收集到的0．5kV和10kV两个耐压等级，变电站用的LQJ，LFC，LFCD，母线穿心式lMK，LMKl，LMZ，LMZ1，LMZJ1和在平度已被淘汰的LQG等9个系列，北京、天津、上诲、沈阳、合肥等20个厂家生产的变化30／5～2000／5的56种电流互感器及其350个变种，在变流实验台上经过长达两年半的实验，记录了十几万个运行数据，归纳总结出了如下结论。
一、电流互感器二次开路电压特性
对每一种电流互感器，二次开路电压随着一次电流的变化，都有严格的对应关系，仅以一次额定电流时的二次开路电压值说明。对母线穿心式150／5的电流互感器，当穿心电流为额定值时，不同品种的电流互感器二次开路电压为2．6～2；4V。80条二次开路电压特性曲线的规律是：一次穿心电流从0A增至150A时，二次开路电压开始上升幅度很大，30A以后增加甚小(即使从150A增至800A，二次开路电压平均只上升0．2V)。
母线穿心式200／5的电流互感器，二次开路电压是3．9～6．5V；母线穿心式 300／5—2000／5的电流互感器，二次开路电压为6．5～37．2V。
LQG系列从30／5—600／5的电流互感器，二次开路电压是12．8～21．4V。
变电站用的LQJ，LFC，LFCD系列50／5～300／5的电流互感器，二次开路电压是18～121．3V。
在第二次伏安特实验台上，利用调压器、电流表、导线将所有的电流互感器二次线圈分别接人调压器的输出端，当二次输入5A电流时，测得二次电压和一次加额定电流时测得的二次开路电压都有严格的对应关系。若用公式计算，二次开路电压等于二次闭路转为开路一次电压的增量乘以变化。从正反两方面实验和法拉第电磁感应定律推导结论证明了二次开路电压测试值的真实性。
综上所述，100多年来的传统结论与科技进步、材料更新、结构变化、工艺革新的现代新型电流互感器的实际二次开路电压相比存在着巨大差别，所以传统结论应当修正。
二、电流互盛器二次开路时发热情况分析
对母线穿心式电流互感器，根据焦耳—楞次定律Q=I2Rt，二次开路时由 I2=0，Q2=0，所以二次线圈不会发热。但是，当二次线圈由闭路转为开路时，母线上功耗增大。对母线穿心式150／5的电流互感器一次电流为额定值时，经过计算其功耗增量最小为9W，最大为17W。由于母线粗长，散热忍受力好，不会发热。
所有母线穿心式电流互感器在变流实验台上断续运行长达2年半之久，从未发现烧坏一例，充分体现了目前实用新型电流互感器发热特性与传统结论截然不同。
已被平度淘汰的LQG系列电流互感器在交流实验台上进行证明，当一次线圈电流为额定值时，二次线圈开路，保持一次电流仍为额定电流，虽然二次线圈不会发热，但一次线圈功耗量增大。例如44号30／5的电流互感器，其一次压降增量为2．5V，功耗增大75W，一次线圈略微发热。对该系列电流互感器的大量实际观察情况表明，如果过流，一次线圈功耗更大，确实发热，当电流超过额定值50％后，一次线圈烫手，由于热传递，铁芯和二次线圈也相继发热，长时间运行，闻到有焦糊味。若绝缘烧焦，就会产生一次电压加入二次线圈的恶性结果，体现了此系列互感器的发热情况仍符合100多年前的传统结论，但此电压系供电电压，根本不是感应的二次开路电压。
三、电流互感器二次开路电压波形分析
当一次电流为0A时，二次输出电压波形为一条水平线。随着一次电流的增大，56种电流互感器波形变化十分复杂，又各具有其自身特色。如6号互感器，一次电流为3A，二次电压波形为正弦波，一次电流从4A增至150A波形畸变，随着一次电流增大，波形畸变加剧，其变化特别是有效宽度变窄，峰—峰值上升，占空因数下降，但每半周包围的面积增加甚微。
每半周包围面积增加很小说明铁芯已趋于磁饱和，反映了二次开路电压随着一次电流增大，只能微弱上升，而峰—峰值增大反映了整流滤波电压有较大的上升幅度，为自动化控制提供了较宽的控制区间。
四、比差特性分析
目前，我国计量电流时，要求用1．5mm2的铜线将电流互感器二次线圈和电度表电流线圈短接，这是降低精度产生正比差的应用方法。以母线穿心式150／5的电流互感器为例，我们分别以1．5mm2长4m的铜线，将其二次线圈分别与150／5A的电流表和电度表的电流线圈串联时，当一次穿心电流为150A时，所有电流互感器都能使电流表碰针，若一次电流降至135A，电流表示数为140～150A。
在变流实验台上测得8000个数据表明，当一次电流超过额定值10％，随着一次电流增大，正比差越来越明显，而一次电流为15A以下时，电流互感器二次测中的电流表示数有负比差。
按照国家标准规定，总负荷电流应该等于电流互感器额定电流的75％～ 100％，电流互感器精度为1～3级时，二次回路所取负载应为其铭牌负荷值的 50％～100％，对精度为0．1—1级的电流互感器，应取铭牌负荷的25％一100％，对当地用量占绝对优势的负荷为0．2fl的电流互感器，当一次电流达到额定值时，依据规定二次闭路电压必定为1V、0．5V和0．25V。我国国家标准还规定：若低于上述限量的下限值，测量精度降低，造成正误差。但是我们测量过许多用户的配电盘，当用于电流表示数的电流互感器，使电流表显示接近额定值时，而计费用的电流互感器，二次测用规定导线直接接人三相电度表的电流线圈，以指针式万用表交流电压10V档测二次闭路电压为0V。运行数据表明，实例都违背了国家规定的二次负载标准，这是变配电中普遍存在的一个技术问题。
五、消除误差的方法
两年内我们探索了导线、分数匝、电容、电感、电阻丝等对正比差补偿方法。
1995年底，我们终于找到了可使电流互感器正、负比差都明显减小的技术方案。例如23号200／5的电流互感器，当母线穿心一匝，一次电流为180A时，二次显示194A，正比差为14A，一次电流为5A，二次示数为0A，负比差为5A。利用这种技术方案，可以使该电流互感器一次电流从0A到额定电流的整个区间，正比差为0A，负比差最大值为lA，从而发现了降低电流互感器比差的技术方案。
六、电流互感器的负载特性
当二次测所接负载阻抗远大于铭牌上标定的阻抗时，电流互感器是一恒压源。例如9号150／5互感器，铭牌上标定的阻抗为0．2Ω。当一次电流为150A，二次开路时，用MFl73型万用表交流10V档，精度为9kΩ／V，相当于在二次回路上串联 90kΩ的电阻，测得其电压为2．6V；当二次测并接15Ω300磁场变阻器，分别取阻值15Ω、7．5Ω、3．75Ω时，二次电压仍为2．6V；当取1．875Ω时二次电压才降为 2．55V，有力地证明了上述结论。
当外阻远小于标定阻抗时，电流互感器接近一恒流源。例如9号150／5互感器，将一次电流调至135A，分别和1．5mm／X 30cm的铝线、1．5mm2X4m的铜线串接150／5A电流表，利用1．5mm2X 30cm的铝线、1．5mm2X 4m的铜线串接 150／5A电流表和5A电度表电流线圈，电流表示数都是150A。上述实验表明，外阻远小于标定阻抗时，电流互感器是一恒流源，并且都有相同的正比差。
七、典型母线穿心式电流互感器二次开路的具体应用
由于母线穿心式400／5以下各种电流互感器二次开路电压很低，内阻抗小，过度时又不发热，具有恒压源和恒流源特性，可以稳定、可靠地用作自动控制功率型信号源。利用二次开路电压值对高输入阻抗的复合管、单晶管、VMOS功率场效应管、单向晶阐管、运算放大器、比较放大器、时基电路、灵敏继电器等直接实施控制，以突破传统结论的禁区二次开路运用方式，形成机电一体化和继电保护的产品。此法被人们确认后，形成机电一体化和继电保护的产品。此法被人们确认后，必然广泛应用于自动化控制设计，将产生不可估量的、走出传统结构误区的社会效益。
八、电流互感器运行的特定条件和内阻抗分析
实际应用的电流互感器的一次最大电流等于满负荷电流，同时受到电力变压器允许的最大电流、保险丝熔断电流、闸刀跳闸电流、自动空气开关限制的电流、过流保护器设定的保护电流和导线允许的安全电流的严格控制。众所周知，电流互感器二次电流额定值为5A，如果脱离上述条件，试图以二次感应电压公式E=L× di／dt设想无穷大电流结合变化关系或以设想二次无穷大电流来求二次开路电压，以维护传统的二次开路电压结论是不现实的。
在变流实验台上对每种电流互感器，一次测注入额定电流的0．1，0．2，…，1倍的电流。二次以开路和闭路两种方式运行，测得一次电压和一次电流，可以求出一次测在二次开、闭路情况下的阻抗，其数值很小。例如一次阻抗最大的44号 3015LQG系列电流互感器，当一次测加30A电流，二次开路，一次电压为3V，则一次阻抗为0．1Ω。在二次闭路条件下，一次电压为0．5V，一次阻抗为O．017Ω,。其余电流互感器随变化的增大。一次阻抗变得很小，其中以母线穿心式的电流互感器最小。同理利用二次伏安特性，可以直接求出除母线穿心式电流互感器以外的其他各类电流互感器在一次开路或闭路情况下的二次阻抗。
对母线穿心式电流互感器一次开路情况下，二次阻抗可以直接利用二次伏安法求出。一次闭路情况下的二次阻抗必须加穿心短路环，所用短路环是多股细铜线组成的150mm2以上的单匝或多匝短路环，在满足二次输入安匝近似等于—?次安匝情况下，可求出母线穿心式电流互感器一次闭路情况下的二次阻抗。例如5号电流互感器，二次注入1～5A电流，一次加150mm2短路环后，其二次阻抗都是0．19Ω，近似等于铭牌标定的负荷0．2Ω或5VA。
点评
作者在对电流互感器进行检修时发现，即使互感器的二次线圈开路运行，也不会造成设备损害。这一现象与传统的电工手册及各类教材所提出的电流互感器二次开路产生几百伏以上、危及人身安全的高压，铁芯严重发热，烧坏电流互感器并不一致。为了解决这一问题，弄清电流互感器的运行参数，作者进行了一系列的实验，在进行了大量调查实验基础上，得出了令人信服的结论。
作者发现，目前生产和应用的电流互感器的发热特性与传统结论截然不同：其二次开路状态工作时，一般不会过热；只有极少数型号功耗增大，发热严重，但在正常工作电流下，也不会烧坏设备。至于二次开路电压，则始终在低压范围内波动。作者在对数十种型号的电流互感器进行实验测定的基础上，得出结论，二次开路时具有恒压源和恒流源两种电路的特性，可以稳定、可靠地用作自动控制功率型信号源。这种突破传统的电路运用方式，可广泛应用于自动化控制设计，产生良好的经济效益和社会效益。
从实际出发，不迷信传统观念，利用科学手段突破旧有框框，大胆创新，才能在科技事业中取得成绩。