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分析零序TA性能及其对漏电保护器的影响

北极星电力网技术频道    作者:3   2007/12/21 15:30:16   

摘要本文从漏电保护器的一个重要部件——零序TA入手,较为全面地分析互感器的性能指标和对漏电保护器的影响,着重阐述了影响互感器性能指标的因素,以及如何将零序互感器性能指标与漏电保护器的性能统一起来。

  关键词性能指标影响因素分析




  零序TA(以下简称互感器)是一个测量漏电电流的部件。它在漏电保护器中与其他部分的连接见图1,图1清晰地表明互感器在整个漏电保护器中的位置及重要作用。要保证整个漏电保护器的质量,就应当重视互感器的性能指标,并恰当地分析互感器的各性能指标好坏对漏电保护器的影响。

  互感器通常是在一个具有闭合磁路的铁芯上绕一定匝数的线圈作为副方绕组(即二次绕组)和原方绕组(即一次导线)组成。图2是互感器的结构示意图。其中I1表示一次导线上流过的电流,U2表示二次绕组上感应的电势。

  1 灵敏度

  灵敏度是指互感器二次绕组感应电势对漏电电流的反应能力,可以表述为在一定的漏电情况下,不同的互感器所感应的电势U2越高,说明其灵敏度越高。现在先从互感器空载的情况下(二次绕组上未带负载)来分析互感器的灵敏度与哪些因素有关。为便于分析,我们可以将图2转换成图3的等效电路形式。原方I1是一次导线上流过的电流、N1是原方的匝数,U1是N1匝情况下的感应电势;U2是二次绕组上感应电势、N2为二次绕组的匝数。根据电工学可得:

  U1=4.44fN1BS=4.44fN21μI1S   1

  如果忽略损耗,则可以得到

  U2=U1(N2/N1)=4.44fN1N2μI1S   2

  式中f为频率;μ为铁芯的导磁率;S为铁芯的截面积。假设一次导线中流过的电流是一定的前提下,从②式中可以得出以下结论:

  (1)灵敏度与原、副方的匝数有关。一次导线、二次绕组的匝数越多,灵敏度越高。但多数情况下,一次导线就是被保护线路,增加其匝数不现实,实际使用时都是只能穿过一匝,即N1=1匝;增加二次绕组的匝数可以提高互感器的灵敏度,如果定义匝比N=N2/N1=N2;则②式可以写为

  U2=4.44fNμI1S    1

  即提高二次绕组的匝数从而提高匝比N,可以提高灵敏度。要注意的是匝比N的提高虽然可以提高灵敏度,但必须与下面谈到的性能指标联系起来,不能一味地任意提高N,下文会对此作出说明。

  (2)当匝比和铁芯面积确定后,灵敏度与铁芯的导磁率成正比。这意味着采用高导磁率的材料做铁芯是提高灵敏度的重要手段。同时,我们在推导计算式时忽略了损耗,所以灵敏度还与铁芯磁路的长短、采用环形铁芯提高利用率而减少漏磁等多种因素有关。

  不可否认,灵敏度是一个重要的指标,参见图1,对放大电路来说,其放大倍数是一定值,只有互感器具有对漏电一定的反应能力,才能去进行放大及后续电路的处理。通常一个较好的方案是综合考虑并确定后续电路的参数,保证这些电路的正常运行,然后合理地以电路参数为依据,规划出互感器的灵敏度指标,然后根据前面的分析,合理选择铁芯材料,根据其固有特性,恰当确定匝比,才能把互感器与后续电路联系起来。

  前面是在互感器二次绕组空载的情况下分析其灵敏度这一性能指标,实际应用中互感器需与放大电路配接,因此应该考虑互感器带上负载的情况。比较成熟的方法是在互感器的二次绕组上并接一个调整电阻,然后再与放大电路连接。这样做的好处在于:1用二次绕组上并接的调整电阻对U2进行调整,由于该电阻并接于二次绕组,所以对互感器的最终输出值起到衰减作用,选用大小合适的电阻,使灵敏度更符合要求,趋于合理。2减少了放大电路输入电阻对互感器的影响。由于有了并接的调整电阻,使得放大电路的输入电阻接入后作为互感器的负载时几乎可以忽略放大电路对互感器的影响,因为放大电路的输入电阻远大于调整电阻。3选用调整电阻对于不同μ值的铁芯、不同匝比的条件下能将互感器的输出值可统一到一个确定的范围内,利于后续电路。

  2 线性度

  所谓线性度是指互感器的输出电压变化量与输入电流变化量之比是一常数,换句话就是I1变化多少,U2也变化多少。互感器线性度指标的好坏,对漏电保护器的性能有很大影响,直接关系到漏电保护器的稳定性和可行性。只有互感器具备良好的线性,则能反应出真实的线路状态,而这正是从事漏电保护工作想达到的目的。影响线性度的因素很多,可以从以下几点加以说明:

  (1)铁芯导磁率μ,其计算公式为:

  μ=B/H=B/(N×1)

  铁芯的导磁率是一个不定值。查阅有关资料,其曲线不是线性变化的,见图4。从它的变化曲线上可以看出μ值在整个变化区域内是非线性的,a—b段μ值上升,至b点时μ值最大,然后又下跌到c点。针对这一现象,应该通过大量的反复实验来寻找到这样一个区域:μ值不应过低,否则灵敏度受到影响,同时μ值变化相对呈线性。

  (2)铁芯的伏安特性,其曲线见图5。基本方法是不断地改变输入电流,用毫伏表测出N1为1匝时铁芯的输出电压值。然后画出其输出电压与输入电流之间的曲线,不妨将图5曲线分为三段,可以看出:a段表明铁芯起始的输出值很低,电流不断增加而输出电压变化不明显,只有在电流增加到一定数值后,铁芯才有输出电压值;b段显示出随着电流的增加,铁芯输出电压比较明显,也随之增加,这一段可以认为它是线性变化;c段表明当铁芯输出电流到最大值后,随着电流的增加而铁芯的输出电压不再继续增加,反而趋于平稳,甚至呈下降趋势,说明铁芯已达饱和状态。因而b段是可以采用的一段区域,它对互感器的线性度指标起重要作用。

  

  (3)匝比N=N2/N1。在分析灵敏度指标时已经谈到匝比是一个不容忽视的因素,不但如此,匝比对线性度的影响很大。通常N1=1匝,故而匝比N=N2/N1就可以简化为N=N2,即与二次绕组的匝数有关。选择合理的二次绕组匝数,才能实现对互感器线性度的控制。根据笔者的实践与试验,对匝比的合理选择实际上是归结为设法避开前面所讨论的两个因素:铁芯μ值和铁芯伏安特性中的非线性部分,而找到一个较为理想的工作区。正因为如此,匝比的选择应与铁芯μ值、铁芯伏安特性、铁芯截面大小及磁路和长度联系起来。

  (4)调整电阻的作用。

  在前面已经分析调整电阻对灵敏度及与放大电路连接时的一些情况,事实上,调整电阻的作用还在于它最终能协调前面所谈到的三点因素,使得互感器的线性输出成为可能。具体地说,通过大量试验找出铁芯μ值和铁芯伏安特性中的合适区域,也就是一个合适的工作点,用匝比N来实现灵敏度,最后由调整电阻为协调,这一方面控制灵敏度,使灵敏度满足设计要求;另一方面则通过调整电阻的反复调整,而使互感器的输出呈线性变化。对灵敏度和线性度两项指标而言,它们之间是不矛盾的,完全是统一的。

(5)其他因素。其他对互感器的线性度的影响因素还有诸如铁芯热处理工艺的好坏、铁芯截面大小等,不再一一详述。

  如何针对上述所谈到的因素,充分考虑、合理利用,以使互感器有一个线性的输出特性是设计者和生产者的重要课题。在我们的长期探索与实践中应总结出自己的一套成熟生产指标,满足了互感器所必须具备的“合适灵敏度”和“良好线性度”这样两个基本性能参数,真正体现出“质量为本”的作风。

  3 平衡特性

  理想情况下,当被保护线路上没有漏电电流时,互感器应不会有输出值,然而由于互感器本身铁芯各点导磁率μ值不均或磁路的不平衡,造成二次绕组中也有感应电势,仍有输出值,这就是平衡特性的基本概念。在一定的负载情况下,如果感应出的电势越大,则互感器的平衡特性越差。

  不难想象,互感器的平衡特性对漏电保护器的影响是:如果平衡特性得到重视并较好地解决,使感应出的电势被控制在很小数值,就能有效地避免漏电保护器的误动;相反,如果平衡特性很差,那么互感器输出值是由于平衡特性不好而造成的,也就不能反应真实情况,而且漏电保护器发生误动的机会就更大,不利于提高供电的可靠性。

  我们对互感器进行试验和对比,主要是对互感器通以大电流(试验电流约为2560A,远远高于国标规定的6倍于额定电流的要求)后,观察该电流对各种互感器产生的不平衡电势的大小。平衡特性试验中,在大电流冲击瞬间,测量大多数互感器的不平衡电势未超过10mV,最低的为1mV左右,即使带有50mA漏电,变化量也不大,没有引起漏电保护器的误动。为了进一步验证互感器的平衡特性,又在现场进行大功率电动机(40HP)启动的考核,测试到不平衡电势最大仅为2.5mV,远没有达到引起触保器误动的程度。

  影响互感器平衡特性的因素很多,在李家贤同志关于《大电动机起动与触电保护装置误动的原因分析》一文中指出:平衡特性“与铁芯的材料有关,与铁芯的形状有关,与二次绕圈的排列有关,与屏蔽罩的尺寸和材料有关等等,它必须经得起来自被保护线路内部的各种干扰信号的影响,也必须抗得住被保护线路周围杂散磁场和强电场所带来的影响”。

  4 过载特性

  当被保护线路出现瞬间的接地故障,那么在穿过互感器的一次导线中就会出现瞬间的大电流,这个大电流的出现对互感器冲击后,如果铁芯的磁状态能自动地由瞬间饱和状态回复到冲击以前的状态,而不影响互感器的其他性能参数,就表明互感器有良好的过载特性。过载特性考察的是互感器的抗大电流冲击的恢复能力,即互感器承受大电流冲击(单相对地短路)的恢复能力,恢复能力越大,则互感器的过载特性越好。

  在漏电保护装置中,如果由于互感器过载特性差,那么在大电流冲击后,互感器的各项性能参数变差,甚至无法恢复到冲击前的状态,则漏电保护器就会失去应有的作用,出现拒动现象。

  铁芯的材料主要影响互感器的过载特性。选用矫顽力小的铁芯(如玻镆合金)作铁芯材料,该材料具有导磁率高、矫顽力小的优点,因而具有良好的过载特性,与其他材料相比,玻镆合金的磁滞回线(Hc)较窄,容易回到初始磁状态。

  笔者对互感器进行过载试验,在冲击前、后分别记录互感器的输出值(冲击前、后通以相同的电流),从试验记载的数据(内部资料)可以看出:冲击前、后两者之间的变化率最大为5左右,最小为0.1,甚至基本不变。换句话说,互感器在冲击前、后的输出值变化很小,其性能参数基本没有发生变化。因此,变化率小反映出互感器具有良好的过载特性,互感器承受大电流的冲击后没有因铁芯饱和而使漏电保护器拒动。

  5 温度特性

  互感器的温度特性是指互感器的输出随温度的改变而发生变化的现象。通常可以选择一个温度(例如 25℃)作为参考点,记录下此温度下的输出值,然后分别将互感器置于-5℃和 40℃的环境温度(国家标准)下进行测量,分别记录互感器的输出值,并与参考温度比较,用λ1表示-5℃温度时的变化率,用λ2表示 40℃温度时的变化率,那么可以得到

  λ1= ×100 和λ2= ×100

  变化率(λ1和λ2)越小,说明温度特性越好。温度特性的好坏主要取决于铁芯的温度稳定性,实际上就是取决于铁芯热处理工艺水平。

  互感器的温度特性有正温度特性和负温度特性两种形式。所谓正温度特性是指随着温度的升高,互感器的输出增加,漏电保护器的灵敏度变高,随着温度的降低,互感器的输出减小,漏电保护器的灵敏度变低;所谓负温度特性是指随着温度的升高,互感器的输出减少,漏电保护器的灵敏度变低,随着温度的降低,互感器的输出增加,漏电保护器的灵敏度变高。

  为了适应农网改造中低压配电箱在露天高低温下的长期运行,我们对LJM-150A/250A漏电脉冲继电器、LJY-150A/250A延时型漏电继电器做了更加严格的温度特性试验,分别在-30和 60的温度下进行高低温整机特性试验,从记录的数据中反映出产品的技术性能变化极小,完全可在恶劣环境下长期运行,这是产品设计完善的结果。

  笔者在对互感器进行温度特性试验后发现,选择有较好工艺水准的铁芯生产厂家提供的铁芯,才能保证互感器有较好的温度特性,最大限度地减少温度对互感器的影响,从而保证漏电保护器的性能,不会出现由于温度的影响而造成漏电保护器超过额定动作电流而拒动,或低于额定不动作电流而误动的现象。

  以上简单分析互感器的基本性能参数和互感器的性能参数对漏电保护器的影响,通过分析得出的一些结论,供广大专家参考。为能有一个更直观的说明,笔者对以上分析作简单总结,用表格的形式描述如下:表1给出互感器的性能参数与主要的影响因素关系;表2是各性能参数的好坏对漏电保护器的影响结果。

  参考资料

  1.司徒兴汉编,触电漏电保护电器及其应用,广东科技出版社,1990.4

  2.李家贤,大电动机起动与触电保护装置误动的原因分析,安全杂志,1985.6

  3.《新编实用电子电工手册》编写组,新编实用电子电工手册,科学普及出版社,1991.5

  4.姚林禹编,漏电保护器分级保护安装运行技术,海洋出版社,1993.4

来源:佚名
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