浅谈开关柜中电流互感器的运用.doc

河北工程技术高等专科学校毕业论文第1章 绪论 为了保证电力系统安全经济运行,开关柜中必须对电力设备的运行情况进行监视和测量.但一般的测量和保护装置不能直接接入一次高压设备,而需要将一次系统的高电压和大电流按比例变换成低电压和小电流,供给测量仪表和保护装置使用.执行这些变换任务的设备,最常见的就是我们通常所说的互感器. 互感器最早出现于19世纪末。互感器是一种特殊的变压器，分为电压互感器和电流互感器两类：电流互感器是将一次系统中的大电流，按照比例变化成适合通过仪表或继电器等二次设备，额定电流一般为5A或1A的小电流；电压互感器是将一次系统中的高电压，按比例降为额定线电压为100V的低电压，供给测量仪表和继电保护。随着电力工业的发展，互感器的电压等级和准确级别都有很大提高，还发展了很多特种互感器，如电压、电流复合式互感器、直流电流互感器，高准确度的电流比率器和电压比率器,大电流激光式电流互感器，电子线路补偿互感器，超高电压系统中的光电互感器，以及SF6全封闭组合电器中的电压、电流互感器。在电力工业中，要发展什么电压等级和规模的电力系统，必须发展相应电压等级和准确度的互感器，以供电力系统测量、保护和控制的需要。在电力系统中，互感器作为开关柜中一次主要元件在开关柜中应用极其广泛。所以互感器的使用及维护显得尤为重要。 第2章 电流互感器原理2.1 电流互感器结构原理电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，如图2-1所示，一次绕组的匝数较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流；二次绕组的匝数较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路，由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数，I1N1=I2N2，电流互感器额定电流比电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一个短路运行的变压器。图2-1 电流互感器的原理穿心式电流互感器其本身结构不设一次绕组，载流导线由L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的圆形铁心起一次绕组作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路，由于穿心式电流互感器不设一次绕组，其变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定，穿心匝数越多，变比越小；反之，穿心匝数越少，变比越大，额定电流比：式中I1穿心一匝时一次额定电流；n穿心匝数。2.2 电流互感器工作原理 在供电用电的线路中电流电压大大小小相差悬殊从几安到几万安都有。为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。显示仪表大部分是指针式的电流电压表，所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的。随着时代发展，电量测量大多已经达到数字化，而计算机的采样的信号一般为毫安级。微型电流互感器二次电流为毫安级，主要起大互感器与采样之间的桥梁作用。微型电流互感器称之为“仪用电流互感器”。电流互感器原理线路图微型电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作，变压器变换的是电压而微型电流互感器变换的是电流罢了。绕组N1接被测电流，称为一次绕组；绕组N2接测量仪表，称为二次绕组。微型电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比K。微型电流互感器在额定工作电流下工作时的电流比叫电流互感器额定电流比，用Kn表示。Kn=I1n/I2n 第3章 电流互感器的型号与分类3.1 电流互感器的型号电流互感器的型号由字母符号及数字组成，通常表示电流互感器绕组类型、绝缘种类、使用场所及电压等级等。字母符号含义如下：第一位字母：L电流互感器。第二位字母：M母线式；Q线圈式；Y低压式；D单匝式；F多匝式；A穿墙式；R装入式；C瓷箱式；Z 支柱式；V 倒装式。第三位字母：K塑料外壳式；Z浇注式；W户外式；G改进型；C瓷绝缘；P中频；Q 气体绝缘。第四位字母：B过流保护；D差动保护；J接地保护或加大容量；S速饱和；Q加强型。 字母后面的数字一般表示使用电压等级。例如：LMK0.5S型，表示使用于额定电压500V及以下电路，塑料外壳的穿心式S级电流互感器。LA10型，表示使用于额定电压10kV电路的穿墙式电流互感器。3.2 电流互感器基本分类按用途分：测量用电流互感器或电流互感器的测量绕组。在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息；保护用电流互感器或电流互感器的保护绕组。在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。 按绝缘介质分：干式电流互感器。由普通绝缘材料经浸漆处理作为绝缘； 浇注式电流互感器。用环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型的电流互感器； 油浸式电流互感器。由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，一般为户外型。目前我国在各种电压等级均为常用；气体绝缘电流互感器。主绝缘由气体构成。 按电流变换原理分：电磁式电流互感器。根据电磁感应原理实现电流变换的电流互感器；光电式电流互感器。通过光电变换原理以实现电流变换的电流互感器，目前还在研制中。 按安装方式分：贯穿式电流互感器。用来穿过屏板或墙壁的电流互感器； 支柱式电流互感器。安装在平面或支柱上，兼做一次电路导体支柱用的电流互感器；套管式电流互感器。没有一次导体和一次绝缘，直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器；母线式电流互感器。没有一次导体但有一次绝缘，直接套装在母线上使用的一种电流互感器。3.2.1 测量用电流互感器在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用如图3-1。 它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。正常工作时互感器二次侧处于近似短路状态，输出电压很低。在运行中如果二次绕组开路或一次绕组流过异常电流，都会在二次侧产生数千伏甚至上万伏的过电压。这不仅给二次系统绝缘造成危害，还会使互感器过激而烧损，甚至危及运行人员的生命安全。 图3-1 电流互感器1次侧只有1到几匝，导线截面积大，串入被测电路。2次侧匝数多,导线细，与阻抗较小的仪表构成闭路。电流互感器的运行情况相当于2次侧短路的变压器，忽略励磁电流，安匝数相等I1N1=I2N2 ，电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比I1/I2=N2/N1=k。励磁电流是误差的主要根源。测量用电流互感器的精度等级0.2/0.5/1/3,1表示变比误差不超过1%，另外还有0.2S和0.5S级。 保护用电流互感器的精度等级5P/10P ，10P标示复合误差不超过10%。 3.2.2 保护用电流互感器保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。保护用微型电流互感器的工作条件与测量用互感器 完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作，如图3-2所示。图3-2 保护用电流互感器保护用互感器主要要求：1.绝缘可靠，2.足够大的准确限值系数，3.足够的热稳定性和动稳定性。 保护用互感器在额定负荷下能够满足准确级的要求最大一次电流叫额定准确限值一次电流。准确限值系数就是额定准确限值一次电流与额定一次电流比。当一次电流足够大时铁芯就会饱和起不到反映一次电流的作用，准确限值系数就是表示这种特性。保护用互感器准确等级5P、10P，表示在额定准确限值一次电流时的允许误差5%、10% 线路发生故障时的冲击电流产生热和电磁力，保护用电流互感器必须承受。二次绕组短路情况下，电流互感器在一秒内能承受而无损伤的一次电流有效值，称额定短时热电流。二次绕组短路情况下，电流互感器能承受而无损伤的一次电流峰值，称额定动稳定电流。 保护用电流互感器分为：1.过负荷保护电流互感器，2.差动保护电流互感器，3.接地保护电流互感器。 第4章 电流互感器接线4.1 电流互感器接线方式4.1.1不完全星形接线或V形接线：其优点是在减少二次电缆芯数的情况，取得了第三相电流。其缺点是由于只有两只电流互感器，当其中一点相性接反时，则公共线中的电流变为其他两相电流的相量差，造成错误计量，且错误接线的机率较多；给现场单相法校验电能表带来困难。两相星形接线主要是用于小电流接地的三相三线制系统。 4.1.2三相星形接线或完全星形接线：其优点是二次回路的电缆芯数较少。其缺点是当三相负载不平衡时，则公共线中有电流流过，此时，若总公共线断开变会产生计量误差，因此公共线是不允许断开的。三相星形接线主要是用于高压大电流接线系统。 4.1.3分相接线：其优点可减少错误接线的机率，提高测量的可靠性和准确度，给现场校验电能表和检查错误接线带来方便，多用于三相四线系统中，是接线方式的首选。 4.1.4电流互感器的特种连接：为了改变误差特性或电流比等目的，如油断路器内的套管式电流互感器就常常需要采用串联或并联的方法。4.2 电流互感器接线原则4.2.1电流互感器二次侧不允许开路。二次开路可能产生严重后果，一是铁芯过热，甚至烧毁互感器；二是由于二次绕组匝数很多，会感应出危险的高电压，危及人身和设备的安全。4.2.2高压电流互感器的二次侧必须有一点接地。由于高压电流互感器的一次侧为高压，当一、二次线圈之间因绝缘损坏出线高压击穿时，将导致高压进入低压，如果二次线圈一点接地，则将高压引入了大地，可确保人身及设备的安全。但应当注意，电流互感器的二次回路只允许一点接地，而不允许再有接地，否则有可能引起分流，影响使用。低压电流互感器的二次线圈不应该接地。由于低压互感器的电压较低，一、二次线圈间的绝缘欲度大，发生一、二次线圈击穿的可能性小，另外，二次线圈的不接地将使二次回路及仪表的绝缘能力提高，还可使雷击烧毁仪表事故减少。另外，差动保护是采用差动继电器构成的，差动保护两侧电流互感器只能有一点接地，一般把接地点设在保护屏处，而当差动保护采用微机保护装置时，两侧电流互感器应分别接地。4.2.3电流互感器的测量级和保护级不能接错。由于测量和保护绕组铁芯设计的厚薄不同，如果接错，一是使正常运行中测量的准确度降低，使电能计量不准；二是在发生短路故障时，由于计量绕组铁芯设计时保证在短路电流超过额定电流的一定倍数时铁芯饱和，限制了二次电流的增长，以保护仪表。而继电保护绕组铁芯不饱和，二次电流随短路电流相应增大，以使继电保护准确动作。如果接错，则继电保护动作不灵敏，计量仪表可能烧坏。4.2.4由于电流互感器二次绕组不能开路，所以电流互感器不用的绕组需要短接起来。但是有多个抽头的电流互感器，不用的抽头应空着不能短接，比如，某电流互感器二次有抽头1S1、1S2、1S3，其中1S1、1S2为300/5A，1S1、1S3为600/5A，当需要用300/5A时，接1S1、1S2使用,不应该短接1S1、1S3,否则会影响使用抽头的测量精度。4.2.5电流互感器的计量绕组及牵涉到方向的继电保护绕组接线时掌握两点确定接线，一是看电流互感器的安装位置，即确定电流互感器的L1安装在哪一侧；二是看绕组功能或继电保护类型，有以上两点可确定电流互感器的二次接线。第5章 电流互感器的选择使用5.1 电流互感器的选择5.1.1额定电流比的选择：一般是按长期通过电流互感器的最大工作电流来选择，故在正常运行中的实际负荷电流达到额定电流值的60%左右，至少应不小于30%。否则应选项用高动稳定的电流互感器以减小变比，而且额定二次电流必须与电能表的额定电流值相吻合。 5.1.2额定容量的选择：按电流互感器二次连接导线截面积的选择方法进行选择。 5.1.3额定电压的选择：是指一次绕组对地或二次绕组能长期承受的最大电压值，而不是指一次绕组两端所加的电压。 5.1.4准确等级的选择：按电力行业标准DL/T448-2000电能计量装置技术管理规程的相关规定进行选择。5.2 电流互感器的使用及注意事项5.2.1电流互感器的接线应遵守串联原则：即一次绕阻应与被测电路串联，而二次绕阻则与所有仪表负载串联。5.2.2按被测电流大小，选择合适的变化，否则误差将增大。同时，二次侧一端必须接地，以防绝缘一旦损坏时，一次侧高压窜入二次低压侧，造成人身和设备事故。 5.2.3二次侧绝对不允许开路，因一旦开路，一次侧电流I1全部成为磁化电流，引起m和E2骤增，造成铁心过度饱和磁化，发热严重乃至烧毁线圈；同时，磁路过度饱和磁化后，使误差增大。电流互感器在正常工作时，二次侧近似于短路，若突然使其开路，则励磁电动势由数值很小的值骤变为很大的值，铁芯中的磁通呈现严重饱和的平顶波，因此二次侧绕组将在磁通过零时感应出很高的尖顶波，其值可达到数千甚至上万伏，危机工作人员的安全及仪表的绝缘性能。另外，一次侧开路使二次侧电压达几百伏，一旦触及将造成触电事故。因此，电流互感器二次侧都备有短路开关，防止一次侧开路。在使用过程中，二次侧一旦开路应马上撤掉电路负载，然后，再停车处理。一切处理好后方可再用。 5.2.4为了满足测量仪表、继电保护、断路器失灵判断和故障滤波等装置的需要，在发电机、变压器、出线、母线分段断路器、母线断路器、旁路断路器等回路中均设28个二次绕阻的电流互感器。对于大电流接地系统，一般按三相配置；对于小电流接地系统，依具体要求按二相或三相配置。 5.2.5对于保护用电流互感器的装设地点应按尽量消除主保护装置的不保护区来设置。例如：若有两组电流互感器，且位置允许时，应设在断路器两侧，使断路器处于交叉保护范围之中。 5.2.6为了防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧。 5.2.7为了减轻发电机内部故障时的损伤，用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧。为了便于分析和在发电机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的电流互感器宜装在发电机中性点侧。 第6章