电流互感器伏安特性和 10%误差曲线 的原理和分析方法

电流互感器伏安特性和10%误差曲线

的原理和分析方法

一、电流互感器的工作原理

电流互感器（CT）是变换电流的电气设备，它的主要功能是向二次系统提供电流信号以反映一次系统的工作情况。目前，电力系统应用比较广泛的是带铁芯的无气隙式电流互感器，其基本结构与变压器相同并按照变压器工作原理工作。（如下图）

K1K2

图1图2 CT一次侧绕组串接于电网，二次侧绕组与测量仪表或继电器的电流线圈相串联。图中L1、L2和K1、K2表示电流互感器一次、二次绕组。此为一般CT 的简单原理图。

CT的额定变比K＝I1/I2＝N2/N1，为原方与付方的匝数比。

对于理想CT：I1×N1＝I2×N2，I1：I2＝N2：N1

当原方I1为1个电流时，付方产生I2＝（I1×N1/N2）个电流。但在理论计算中常将付方电流I2进行归一化，即将I2归一化为归算电流I2’：I2’＝I2×K＝I2×N2/N1

这样当原方电流I1为1个电流时，付方I2’也为1个电流，这样可以将CT简化为图2所示的T型网路等效电路用于计算。下面为了描述方便归算电流I2’用符号I2来表示。

二、电流互感器的磁饱和特性

带铁芯的电流互感器的结构形式是原方绕组和副方绕组通过一个共同的铁芯进行互感耦合。正常工作时铁芯的磁通密度B很低，激磁电流Ij很小，故I2＝I1－Ij≈I1，I2与I1的误差极小。

当发生短路时原方短路电流将变得很大，使磁通密

度B大大增加，Ij也相应增加。在磁通密度B不很大

时，Ij基本与B成线性增长，但B增加到一定程度后

将出现饱和现象，磁通增加将变得困难，这时增加Ij

并不能使磁通成线性增加，而是增加Ij时B增加越来

越少。磁通密度B与激磁电流Ij的关系曲线如图3，

当B增加到一定程度后将出现饱和，这时Ij将急剧增大，于是I2＝I1－Ij就会出现较大误差。这就是铁心饱和导致互感器出现大的传导误差的原理。图3

大的激磁电流Ij将会产生很大的功率Ij×U1，这个功率会使CT产生高的热量，达到一定程度还可能烧毁电流互感器；磁场由小变大产生的磁场交变引起大的磁力，从而导致铁心和硅钢片震动，所以我们经常能听到CT发出嗡嗡的声音。

二、CT伏安特性曲线

CT伏安特性曲线其实质描述的就是上节所述的B－Ij的关系曲线。

CT伏安特性曲线的测试方法如图4。将CT的原方开路，从付方加入交流电压U2，测量电流I2，U2与I2的关系曲线即为伏安特性曲线。

图4图5由图2可见，由于原方开路，故所加电压U2产生的电流I2等于激磁电流Ij，即

I2＝Ij

而：U2＝I2(Zj+Z2)＝Ij(Zj+Z2)

由于Z2是线圈内阻抗，其数值远小于激磁阻抗Zj，故：

U2＝I2(Zj+Z2)＝Ij(Zj+Z2)≈Ij×Zj＝Uj

由此可见，U2与I2的关系曲线就是Uj 与Ij 的关系曲线。

根据磁感应定律，线圈的感应电压Uj 与磁通的变化率成正比，在固定频率的交流磁场中，Uj 与B 成正比，故Uj 与Ij 的关系曲线即描述的是B 与Ij 的关系曲线，也就是说根据此测试方法测得的伏安特性曲线描述的就是B 与Ij 的关系曲线。

从真实试验测出的伏安特性曲线图5与图2形状相同，数值成比例。

三、CT 的传导误差和误差曲线

由图2可知：

I2＝I1－Ij I1＝I2+Ij＝I2+I2(Z2+Zl)/Zj

公式右边一项E＝Ij＝I2(Z2+Zl)/Zj 即为CT 产生的传导误差，即原方I1传导到付方的电流I2≠I1，误差为Ij。

在理想CT 中，Zj＝∝，Ij＝0，故I1＝I2，无传导误差。

在实际CT 中，I1不大时，CT 未饱和，Zj 很大，误差也很小。但当I1越大时磁通B 越饱和，这时Zj 急剧减小，这时Ij 急剧增大，即误差E 急剧增大。这就是I1越大传导误差越大的原理。

在CT 所带的实际电路中，回路负载Zl≠0,若Zl 越大时，E＝I2(Z2+Zl)/Zj 也越大。即CT 所带回路越多，误差也会越大。

综上所述，当一次电流I1增大时，误差会越大，同样回路负载Zl 越大时，误差也会越大。那么，若I1增大时，可以通过减小Zl，或者，若Zl 增大时，可以通过减小I1，都可适当减小一些误差。即是说，要将误差控制在一定范围内，当I1增大时可以通过减小Zl 来实现，反之当Zl 增大时可以通过减小I1来实现。这就是10％和5％误差曲线的原理。

10％误差曲线，是当传导误差E＝10％时，CT 一次电流倍数m 10与CT 二次侧

所带负载Zl 的关系曲线，如图6所示。即CT 一次电流倍数为m 10、二次负载为

Zl 时，误差E＝10％。

曲线纵坐标为m 10，m 10＝I1/I1e，即

原方额定电流的倍数。

曲线横坐标为Zl，为付方所带负载。

曲线上某点A(Ax，Ay)的意义是，

当阻抗Zl＝Ax 时，最大允许一次电流

I1＝Ay×I1e，此时误差E≤10％。若I1

大于此值，或Zl 大于Ax，误差均大于

10％。

5％误差曲线的意义与10％误差曲线类似，只是允许误差为5％。

10％(5％)误差曲线可以由CT 伏安特性曲线通过递归计算得出，由于计算过

程比较复杂，将在其他文章中单独结束，在此不再赘述。但在计算中要用到CT 的二次线圈内阻抗Z2，故在FA-102/103装置中，在计算误差曲线时要输入Z2选项。Z2数值的测量相当困难，一般常用的简化测量方法是测量其二次线圈直流电阻R2，然后取Z2＝3×R2。

四、运用误差曲线分析所安装CT是否合格的方法

假设CT安装于某线路中，如图7，要分析该CT安装是否正确合格，其方法如下：

1、通过整个一次系统的短路计算，计算

出CT所安装的该线路最大短路电流

I1max，计算Ay＝I1max/I1e。一般是

最大运行方式下，该线路出口出三相

短路时的电流值。

2、测量CT二次侧所接外回路的总阻抗

值Zl。即从CT二次绕组出口处测得

的外回路总阻抗。该阻抗值可以用

CTY/CTP型或FA-103型互感器测试仪测得。图7

3、测量CT二次线圈内阻抗，方法见上节介绍。

4、通过10％误差曲线可以查对应于m

＝Ay的点，其横坐标为Ax，若二次回

10

路阻抗Zl≤Ax，则误差将小于10％，该回路合格，可以正确投入使用；

若Zl＞Ax，则不合格，可以通过多种方法，如加大电缆线径，减小回路所带元件数，缩短回路长度，更换更大容量CT等，解决问题。

上述分析方法由于太过复杂，而且受各种实际条件制约，往往能成功进行分析的不多，而通常的做法往往是采用对比法，对比法有多种：

1、对比多条相似回线的CT的伏安特性曲线是否基本相同，可以判断是否

某些CT性能不能满足要求。

2、对比一条线的三相CT的曲线是否否基本相同，或变压器高低测CT的

曲线是否基本相似，可以判断是否某些CT不能满足要求。

3、保护CT一般伏安特性曲线的电压比较高，测量CT一般不做伏安特性

曲线，要做的话其曲线电压很低就饱和。检查CT的伏安特性曲线电压

值一般可以判断是否把保护CT与测量CT弄混，或是否把CT的保护绕

组和测量绕组弄混。

4、通过CT的10％误差曲线，以及估算的线路短路电流的测得的二次负载，

大致可以判定CT是否能满足要求。