电流互感器测量误差分析与控制

电流互感器测量误差分析与控制

作者：赵军

来源：《硅谷》2014年第23期

摘 要 阐述电力计量电流互感器误差特性。由被测电流互感器二次回路引起的测量误差。提出了解决控制的方法。

关键词 电流互感器；负荷阻抗；附加误差

中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）23-0063-03

计量用电流互感器在电力系统中起着重要的关键作用，其测量倍数误差直接影响表计的精确度。为描述电流互感器运行条件下的性能，国家标准GB1208—2006《电流互感器》对测量用电流互感器给出了额定仪表限值一次电流（IPL）定义，规定了仪表保安系数（FS）准确级别与各个级别的误差限值。JJG1021-2007《电力互感器检定规程》对电力用互感器的测量方法、标准器、误差测量装置、二次负荷、测量环境等均做出了相应的技术规定。本文就如何在电流互感器误差检定过程中容易引入的测量误差，或经常忽视测量附加误差做了系统的分析与研究。结合我们多年的测量经验，提出了相应解决方法。以期引起广大同仁的关注。使电流互感器在量值传递的过程中正确把握国家标准及检定规程具体要求。从而提现计量器具在量值传递过程中再现真实的示值误差。以期达到国家标准及检定规程所制定的技术规范。 1 电流互感器（以下简称CT）误差分析

CT在实际工作中通过铁芯磁场的作用来建立一次与二次的联系。通常我们所关注的是CT二次电流随一次电流的变化，而不关注一次端电压的变化。（其一次电压等级由CT的绝缘来决定）因此这里绘出的CT相量图中没有绘出一次绕组端电压相量。同样在常见的CT等效电路图中都不绘出一次绕组阻抗。其等效电路图均以减极性原则绘出。

1）根据公式可以看出CT的有效铁芯截面积Ac和铁芯的平均磁路长度Lc直接影响其误差，即CT铁芯有效截面积Ac越大，其误差越小。铁芯的平均磁路越短，其误差越小。 2）铁芯的导磁率越高，误差就越小。因此，选用高导磁率材料铁芯是减小误差的最好途径。超微晶铁芯因其导磁率高，有利于提高CT的误差精度，且能方便的控制其误差走向。所以目前高精度计量CT均要用微晶铁芯来制作。

3）CT的误差与一次安匝成反比。因此提高一次的安匝可以减小误差，提高CT的精确度。因此，这在有多个二次绕组的CT中是经常用来提高精确度的方法。

4）负荷影响CT的误差。有公式及相量图可以看出，二次负荷阻抗的功率因数角（φ2）是二次总阻抗角α的主要组成部分。因此二次负荷（φ2）越大越大，则sin（α+θ）数值越大

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CT的比值差（εi）越大。cos（α+θ）数值越小，角差（δi）越小。因此随着二次负荷功率因数角（φ2）的增大，CT的比差增大，角差减小。

实际上，CT铁芯磁密是随二次电流和二次负荷变化的。在常态下，工作磁密较低。当二次电流增大后，铁芯磁密增加。到一定程度后B-H曲线开始弯曲，导磁率下降，当进α饱和区后，导磁率会降到很低的程度。此时CT的误差急剧增大。比差向负方向飘移，超出要求的误差范围。输出的波状发生很大变化，含有很多高次谐波。 2 CT误差测量系统

国家质检总局对各种量具分别制定有各自的检定规程，以达到量值传递统一目的。对测量用CT颁布有JJG313-2010《测量用电流互感器》及JJG1021-2007《电力互感器》两个规程。这两个规程是规范CT检测系统的准则和完善量值传递的依据。

对CT检测系统具体约束条件有：标准器至少比被检高两个等级。在检定环境条件下的实际误差不大于被检CT基本误差限值的1/5。由误差测量装置引起的测量误差，应不大于被检CT基本误差的1/10。其中差值回路的二次负荷对标准器和被检CT误差的影响均不大于它们基本误差限值的1/20。

电流负荷箱在必要的环境温度区间，在额定频率与额定电流下，负荷箱的有功分量和无功分量均不超±3%，1021检定规程对现场均使用的电流负荷箱误差规定为±6%。但同时规定由检定接线引起被检的误差变化，不大于被检基本误差的1/10。因此，1021检定规程即便放宽现场使用的误差范围，并非没有约束条件。

检定规程是规范计量器具检定系统的法律性文件，保持检定系统的精确度是执行检定规程的先决条件。

3 由CT二次回路引入的测量误差

被测CT二次回路由电流负荷箱及外接导线组成。功率因数cosφ=0.8，阻抗Zb的表达式如下：

电流负荷箱由抽头电抗分电阻串联组成。标称值由开关转换，配合被检CT需要的负荷范围。在使用的过程中，因频繁变换阻抗值。转换开关会有接触电阻产生。此电阻常会比规定值增大0.01-0.05欧。特别是在额定电流的1%-5%区间，甚至会增大至0.1欧以上。这对检定负荷为0.2欧，150安匝以下、0.2s、0.5s级CT来讲会引入很大的测量误差，因此而误判鉴定结果。

JJG313-2010《电流互感器》检定规程第5.1.6条规定：电流负荷箱在电流20%以下的附加误差限值为：电流每变化5%，误差增加1%。

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笔者认为：规程放宽的误差，远小于电流负荷箱接触电阻带来的附加误差。由于此误差的存在，做试验时会出现：电流上升与下降时示值误差不同，对同一只CT几次测量的误差离散性太大，因此对测量结果不易得出结论。 4 消除电流负荷箱接触电阻引入的测量误差

1）测量CT时，应先把电流升至额定电流120%，退回零位。然后重新升流，读取各测量点的示值误差。此时，在二次回路不变更接线或切换负荷开关的前提下，电流上升与下降其误差读数均会保持在同一个示值误差范围内。

采用此方法，对同一只CT分别几次进行试验，示值误差的离散性会变的极小，误差读数会基本重合。

实践证明，采用电流冲击方法来消除被检CT二次回路的附加阻抗，不失为复现检定规程对量值传递的精度要求。由于排除了被检二次回路引入的测量误差。其试验结果只有测量系统的基本误差存在。这样对检定结果的处理会增加可靠的依据。

所以笔者认为，此种测量方法不仅适用于电力系统CT的误差检定，同样也适用高精密CT的测量检定。但是，此方法非为对CT退磁，具体CT退磁方法请参阅检定规程。 2）保养电流负荷箱消除接触电阻。

当代CT的检定过程中，只有电流负荷箱需频繁切换档位变更阻抗值，转换开关因磨擦便会有粉末滞留在各触点上，产生接触电阻，当接触电阻轻微时，可用前文所述方法排除。但对电流负荷箱适用太久，用全程升降电流不能彻底排除，或在检定试验过程中，出现被测CT在下限负荷的误差比额定负荷误差，偏负的状况时，应该打开电流负荷箱，清除转换开关的污垢，对电流负荷箱进行保养。具体方法：松开面板螺丝，把阻抗元件连同面板一起提出，用棉球清除刷形开关各触点的污物。然后在各触点轻轻打上一些丸士标油，注意不要触碰各焊点引线。重新组装即可完成。经过这样保养后的电流负荷箱，会回到初始状态。使转换开关各触点的接触电阻基本消失。如此时对电流负荷箱进行检定，各阻抗标称值的示值误差均会保持在合格的范围内，满足检定规程对电流负荷箱±3%的误差要求。

我们曾用一只150/5、 0.2S级、负荷0.2欧、微晶铁芯电流互感器，在负荷箱保养前后作比对试验。试验方法均采用从小电流开始读数。实测误差数据如下。

在两次试验的同时，用全程升降电流的方法进行比对试验，试验误差如下。

通过比对试验可以看出，电流负荷箱在频繁使用的过程中，接触电阻给被检CT引入的附加误差是十分显著的。因此在检定试验的同时，发现和消除测试系统的附加误差，是提高测量准确度的行为准则。

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3）电流负荷箱检定。

互感器误差测量装置全有测量阻抗的功能。可用仪器测阻抗线路随时对电流负荷进行测量检定。因仪器测阻抗线采用四端输入法，测量引入的误差很小，只会带来测量装置的固有误差。检定时应包括电流负荷箱的外接导线。测阻抗接线如下图所示。 电流负荷箱阻抗标称值下的电阻与电抗。

检定电流负荷箱时如不带外接导线，应从读书中扣除外接导线的电阻部分。测量的实际读数与标称值通过计算后，便可分析是否负荷±3%的误差要求。试验时，还可以观察从小电流到大电流阻值的变化。分析是否存在档位切换接触电阻。 4）用替代法验证测量的准确度。

从计量学角度出发，可以用比对的方法来验证试验结果的准确性。常用的方法有：修正法、替代法、交换法等等。因此在CT的校验过程中，同样可以来用替代的方法来验证测量系统试验误差正确与否。如可以用三只150/5、0.2S级或0.5S的小安匝CT，在实验设备认定完好时测定其误差。如能进行多家比对则更好。保存几只CT，以便作为日常实验比对的依据。这样能基本保持检定结果的准确度，并可随时发现测量系统的附加误差。 5 标准电流互感器的自检

1）标准电流互感器由一二次匝数配合的方式变换变比。以满足检定CT不同变比的需求。高精度标准器坡莫合金做铁芯，采用零磁通补偿方法，经过精心调试，容易做成高精度的标准器，如0.001S级、0.002S级等。对于标准器的检定，一般要求送检，以此来验证标准器的准确度是否符合其精度等级要求。在日常检定工作中，了解标准器的精度变化时，对标准器可以进行自检。自检可在5/5变比上试验。因标准CT一般把5/5的变比均设置在二次最小安匝上，所以只要5/5这个变比符合精度要求，就可以认为其余各变比全部符合精度要求。自检时，标准CT的二次负荷功率因（cosφ=1）。试验可选用JJG—2010《电流互感器》检定规程自检线路。如下图。

由于自检为绝对误差试验，所测量非常准确。 2）提高标准CT使用精度的方法。

在检定测试工作中，因使用的标准CT精度等级已定，常因某些特殊情况，感觉所用标准精度偏低，有不尽人意的现象。如果能找到一个使标准CT提高精度的办法，不失为最佳的选择。

标准CT的负荷设定在0.2Ω-0.1Ω之间。功率因数cosφ=1，0.15Ω为其中间负荷。实际上，标准CT在误差调试过程中，多在此0.15Ω负荷下进行。只要把误差调试在零线附近，基

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本上便可满足上下限负荷下的精度要求。因此0.15Ω的负荷是标准CT精度最高时的条件。如结合误差测量装置配接标准CT导线，使之满足标准CT负荷工作在0.15Ω附近，便可使标准CT提高一个精度等级。

因各厂家生产的误差测量装置带给标准CT的负荷不尽相同，所以导线的配接应参考仪器使用说明来完成。

验证标准CT精确度的方法，可在自检的结果上得到。 6 结束语

本文在解读电流互感器检定规程的前提下，结合实践经验分析CT检定过程中易于产生的附加误差，以及在升降电流时出现变差。提出了在试验过程中减小附加误差和消除附加误差的方案。同时对标准CT的自检和使用，找到提高精度等级的方法。解决了在不变换标准CT的前提下，满足某些特殊检定需求并以此提高检定系统的总体精度。 参考文献

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