山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院 常建芳

引言

對超大電流互感器的校驗(yàn)和溯源檢定，存在大量技術(shù)上的難題，目前國內(nèi)尚未開展相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究。研究超大電流互感器校驗(yàn)與溯源檢定系統(tǒng)解決目前國內(nèi)存在的超大電流互感器的誤差檢定和量值溯源，建立相應(yīng)的量值溯源體系是很有必要的。目前國網(wǎng)公司各省級計(jì)量中心和國家計(jì)量院的互感器檢定工作已提出了這方面的要求。

1.大電流互感器校驗(yàn)存在的主要問題

對于超大電流互感器的誤差校驗(yàn)，其校驗(yàn)原理和校驗(yàn)線路已經(jīng)很成熟，國家相關(guān)規(guī)程JJG313-2010《測量用電流互感器檢定規(guī)程》和JJG1021-2007《電力互感器檢定規(guī)程》都有相關(guān)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)線路，但是隨著電流互感器一次電流增大到幾萬安，電流越大，帶來的問題也越多，主要存在以下問題：

（1）試驗(yàn)時，連接標(biāo)準(zhǔn)器和被檢電流互感器的一次回路要通過幾萬安的電流，如此大的電流對一次導(dǎo)體和連接方式提出了更高的要求，同時在超大電流的作用下存在發(fā)熱和電磁力的破壞作用；

（2）電流互感器一次所需的一次電流要通過升流裝置來產(chǎn)生，由于被試電流互感器體積龐大，一次回路長，所需輸出電壓提高，一次回路的感抗呈幾何倍數(shù)增加，升流裝置所需容量達(dá)到數(shù)百千瓦，這是很難做到的。

（3）試驗(yàn)電源包含了試驗(yàn)線路中一次回路，二次回路及各用電設(shè)備消耗的能量，試驗(yàn)電源所需容量要大于升流裝置消耗的功率，達(dá)數(shù)百千伏安。

（4）超大電流所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場會帶來電磁干擾，渦流損耗等破壞效應(yīng)。

2.技術(shù)方案

本文介紹的超大電流互感器的校驗(yàn)和溯源檢定裝置主要依據(jù)《JJG313-2010測量用電流互感器》、《JJG1021-2007電力互感器》等檢定規(guī)程采用比較測差法實(shí)現(xiàn)超大電流互感器的誤差校驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的量值溯源。本裝置的校驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為60000A電流互感器，裝置由300kW三相柱式調(diào)壓器、多臺抽頭式大電流發(fā)生器、0.02S級標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、0.002級雙級電流互感器、互感器校驗(yàn)儀、電流負(fù)荷箱、無功補(bǔ)償裝置、一次大電流接線裝置、溫控系統(tǒng)、油冷部分及校驗(yàn)與控制軟件組成，系統(tǒng)準(zhǔn)確度達(dá)0.02級。校驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2.1 互感器一次接線裝置的設(shè)計(jì)

互感器一次接線裝置主要是為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和被檢電流互感器提供檢定所需的一次電流，電流互感器比較線路中一次回路消耗很大的功率，達(dá)數(shù)百千伏安?；ジ衅饕淮谓泳€裝置應(yīng)滿足以下試驗(yàn)要求：（1）能提供和通過高達(dá)72000A的大電流；（2）考慮標(biāo)準(zhǔn)器和被試品的幾何尺寸，滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝要求；（3）盡量減小一次回路消耗的功率；（4）滿足電流互感器實(shí)驗(yàn)的溫升限值要求，采取必要的溫度監(jiān)測和降溫措施。

圖1 校驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

互感器一次回路消耗功率為一次導(dǎo)體電阻所產(chǎn)生的有功功率和一次回路等效感抗所產(chǎn)生的無功功率的復(fù)數(shù)和。試驗(yàn)表明，當(dāng)一次電流大于5000A時，回路中無功消耗數(shù)倍于有功消耗。減小一次回路消耗的功率不僅要減小有功消耗，更主要是減小回路的無功損耗。

減小回路的功率消耗應(yīng)采取以下措施：

（1）增大導(dǎo)體截面積；

（2）減小導(dǎo)體長度；

（3）盡量縮小回路包圍面積；

（4）采用多匝穿心，減小回路感抗；

（5）增大連接點(diǎn)接觸面積。

2.2 溫控和油冷卻系統(tǒng)

一次回路通過最大72000A電流時，一次回路導(dǎo)體本體及回路連接點(diǎn)以及導(dǎo)體接觸面會大量發(fā)熱。根據(jù)國標(biāo)GB1208-2006《電流互感器》相關(guān)規(guī)定：互感器繞組出頭或接觸連接處的溫升不應(yīng)超過50K；在鐵芯或其他金屬件表面所測得的溫升值，不應(yīng)超過它們所接觸或靠近的絕緣材料相應(yīng)的溫升限值。超過溫升限值會破壞互感器繞組絕緣，導(dǎo)致誤差測量的不準(zhǔn)確，影響測試的穩(wěn)定性，應(yīng)采取溫控措施：

（1）溫度監(jiān)測

采用溫度傳感器和16通道溫度巡檢儀，實(shí)時監(jiān)測一次導(dǎo)體表面導(dǎo)體連接處，穿心導(dǎo)體接觸表面、互感器繞組和鐵芯溫度，一旦超過溫升限值應(yīng)啟動冷卻系統(tǒng)。

（2）變壓器油冷卻系統(tǒng)

一次導(dǎo)體采用扁平銅管，空心部分注入變壓器油循環(huán)散熱，并輔助以強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。

2.3 升流裝置的設(shè)計(jì)

升流裝置為互感器一次回路提供大電流，包括升流器和無功補(bǔ)償裝置。

2.3.1 升流器的設(shè)計(jì)

升流器初級線圈連接調(diào)壓器的輸出，次級線圈接互感器一次回路，升流器的設(shè)計(jì)涉及其輸出電壓和輸出容量。升流的輸出容量S=UI，U為輸出電壓，I為輸出電流，U=I(R+jX)，升流器的輸出容量和輸出電流一旦確定，其輸出電壓就已確定，但是如果一次回路壓降大于其額定輸出電壓，電流就不可能額定輸出，為此設(shè)計(jì)了升流器的串并聯(lián)接線方式，加大其輸出電壓，同時也加大了升流器的輸出容量，連接方式如圖2所示。

圖2 升流器的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)

2.3.2 一次回路的無功補(bǔ)償

互感器一次回路的功率消耗，包括有功消耗和無功消耗，互感器一次回路方式一旦確定，其有功消耗就已確定，減少一次回路的無功消耗可減小升流器的容量，其無功損耗與電流平方成正比。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)一次電流大于5000A時，回路中無功消耗數(shù)倍于有功消耗。減少無功損耗可大大降低升流器容量，決定無功損耗的主要措施是抵消感抗帶來的損耗，必須進(jìn)行無功補(bǔ)償，無功補(bǔ)償有以下三種方式：升流器輸入端并聯(lián)電容補(bǔ)償、升流器輸出端并聯(lián)電容補(bǔ)償和升流器輸出端串聯(lián)電容補(bǔ)償。

2.4 減少大電流情況下的渦流損耗和集膚效應(yīng)

大電流導(dǎo)體在穿過環(huán)形鐵芯時會在環(huán)形鐵芯產(chǎn)生與截面方向垂直的交變磁通，由電磁感應(yīng)定律可知互感器二次會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，交變磁通包括主磁通和漏磁通及雜散磁通，漏磁通和雜散磁通會在磁性材料的截面感應(yīng)出閉合的環(huán)形電流，也就是渦流，由渦流產(chǎn)生的損耗稱為渦流損耗。渦流損耗的存在會在電流互感器外殼，金屬結(jié)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生熱量，增加電源容量，同時增大了大電流噪聲。減少渦流損耗應(yīng)將互感器外殼及金屬結(jié)構(gòu)件加工成鋁合金材料，實(shí)驗(yàn)證明，鋁合金材料可大大減少渦流損耗和大電流噪聲。

交變電流通過導(dǎo)體時，電流在導(dǎo)體橫截面的分布不均勻，導(dǎo)體表面的電流密度大于中心的密度，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)，也稱集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)使導(dǎo)體通過交變電流的有效面積減小，導(dǎo)體的電阻增大，為了傳輸更大的電流，通常導(dǎo)體截面積較大，遠(yuǎn)離表面的中心處，電流密度會明顯減小，因此，對傳輸交流大電流的導(dǎo)體會制作成截面積為長方形的銅排且不能太厚，對于工頻電流，導(dǎo)體為銅，其趨膚深度為8mm，本項(xiàng)目中選用的大電流導(dǎo)體為壁厚5mm的扁平空心銅管，空心銅管注油形成油循環(huán)作降溫處理。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)電流互感器包括：0.05S級電流互感器和0.002級雙級電流互感器，二者的電流比為10000～60000A/5、1A，由于標(biāo)準(zhǔn)電流互感器工作在由大電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場中，設(shè)計(jì)時必須考慮采取電磁屏蔽措施以保證其準(zhǔn)確度。

標(biāo)準(zhǔn)電流互感器在設(shè)計(jì)時不僅要考慮按其參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)滿足指標(biāo)要求的準(zhǔn)確等級，還應(yīng)采取電屏蔽的磁屏蔽及電磁屏蔽措施。首先在貼近環(huán)形鐵芯的外邊用導(dǎo)電良好的薄銅皮制成鐵芯護(hù)套，形成屏蔽層，同時避免環(huán)形護(hù)套會封閉造成鐵芯短路。其次，磁屏蔽采用由短接的屏蔽線圈構(gòu)成，屏蔽線圈分為A、B、C、D四段，每段占鐵芯的一半周長，其中兩段繞向相反的并聯(lián)段與另外兩段繞線相反的并聯(lián)段，在空間位置上相差90°。

2.6 減少電磁干擾對二次設(shè)備的影響

標(biāo)準(zhǔn)器和被檢電流互感器工作在強(qiáng)磁場環(huán)境中，其二次側(cè)受電磁干擾影響，輸入互感器校驗(yàn)儀的二次信號成分復(fù)雜，必須考慮強(qiáng)磁場對二次信號的影響，主要有兩方向影響：1、電磁輻射的影響，2、諧波影響。針對以上影響經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試采取以下措施：1、輸入互感器校驗(yàn)儀的二次測試線采用屏蔽雙級線，屏蔽層接地，雙級線對電磁場產(chǎn)生的影響互相抵消。2、對輸入互感器校驗(yàn)儀的信號進(jìn)行模擬濾波和數(shù)字濾波，模擬濾波由硬件電路實(shí)現(xiàn)；數(shù)字濾波由軟件通過降準(zhǔn)，取平均數(shù)，增加采樣點(diǎn)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。3、互感器校驗(yàn)儀外殼加裝屏蔽并接地。

3.結(jié)語

本項(xiàng)目的實(shí)施解決了超大電流互感器向更高精度溯源的要求，對于發(fā)電機(jī)出口的電能計(jì)量提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，保證了發(fā)電機(jī)電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，維護(hù)了發(fā)電廠發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。超大電流互感器溯源檢定系統(tǒng)的建立完善了國內(nèi)計(jì)量器具量值溯源體系，對大電流互感器量值標(biāo)準(zhǔn)的傳遞做出了有益的探索。