开断电流

表征断路器开断能力的参数

开断电流是表征断路器开断能力的参数。在额定电压下，断路器能保证可靠开断的最大电流，称为额定开断电流，其单位用断路器触头分离瞬间短路电流周期分量有效值的千安数表示。当断路器在低于其额定电压的电网中工作时，其开断电流可以增大。但受灭弧室机械强度的限制，开断电流有一最大值，称为极限开断电流。为在线监测变电站高压开关柜中真空断路器的电特性，需要对其开断电流进行实时测量。高压开关柜中现有的电磁式电流互感器动态范围较小，在开断大电流通过时易发生磁饱和现象，进而导致二次输出信号波形畸变，无法实现对开断电流的准确测量。

简介

随着对电子式电流互感器研究的深入，以其测量动态范围大、不饱和的特性可以用于对开关开断大电流的测量。基于对电子式电流互感器的研究成果，采用以直线型空心线圈作为高压侧传感单元的电子式电流互感器，来实现对工频开断大电流的测量。该测量方法采用的是一种非接触式测量结构，具有结构简单、易于安装的特点。利用空心线圈的不饱和特性，在较宽的电流变化范围内能够不失真地测量开断大电流。为在线监测变电站高压开关柜中真空断路器的电特性，需要对其开断电流进行实时测量。高压开关柜中现有的电磁式电流互感器动态范围较小，在开断大电流通过时易发生磁饱和现象，进而导致二次输出信号波形畸变，无法实现对开断电流的准确测量。采用软件补偿算法处理后，对于深度饱和的电流互感器，测量误差也要大于7%。

非接触式高压电流测量结构与原理

非接触式电流测量方法实际上是通过测量导体周围的局部磁场实现对电流的间接测量。该测量方法不是将传感线圈绕载流导体一周，形成闭环结构，而是仅放置在载流导体附近某位置处，通过测量该处磁场，利用磁场与导体中电流的比例关系，实现对载流导体中电流的测量。

电流传感单元的研制与测试

1.传感单元的研制

根据开断电流测量参数、抗电磁干扰要求及后续积分处理电路特点，设计传感线圈参数如下：线圈骨架截面为20mm×20mm，骨架材料为灰塑料；线圈长度为25mm；用直径为0.16mm的漆包线在骨架上密绕3000匝。考虑传感单元绝缘性能要求，线圈底面距离载流导体表面应有一定距离。线圈放置在类似绝缘子的绝缘支撑件中，内绝缘采用硅橡胶。绝缘支撑件采用模具压模制成。

2.测试

基于以上分析，研制出基于直线型线圈的非接触式电流测量样机，并进行了输出灵敏度测试和线性度测试。测试中，载流导体为扁平铝排，截面尺寸为51mm×2mm，长度为1000 mm。

灵敏度测试分别就直线型线圈沿载流导体平面作垂直移动、水平移动以及线圈线匝绕汇流排表面法线旋转3种情况进行(其中，垂直移动仅考虑线圈远离导体平面方向)。3种测试情况下，均以线圈轴线与载流导体电流方向垂直、线圈中心线在载流导体法线方向中心面内、线圈轴心距离载流导体表面14mm时的输出作为参考值。

测试目的主要是考虑存在安装误差时，线圈输出灵敏度变化情况及各种情况对测量比差的影响程度。垂直移动误差对线圈输出灵敏度的影响最大，水平移动及偏转对输出灵敏度的影响相对较弱，所以现场安装过程中应避免垂直方向的安装误差。如果在传感器安装完成后对其进行现场校验与标定，则误差即可得到修正。

放置传感单元样机于载流导体附近，并使其中传感线圈轴线方向与载流导体电流方向垂直、线圈中心线与载流导体中心线重合、线圈轴心距离载流导体表面19mm，进行电流测量样机的线性度测试。非接触式电流测量样机具有优良的线性度。由于传感线圈为空心线圈，不存在铁磁饱和现象，在较低电流情况下进行的标定结果可以推广到较大电流范围。

非接触式高压电流测量方法的工程应用

对非接触式电流测量样机测试完毕后，将其用于测量10kV开关柜中真空断路器开断电流，作为对真空断路器电寿命在线监测的依据。在断路器电寿命预测中，一般要求对开断大电流的测量误差小于10%。从电流传感单元样机的测试可以看出，在考虑水平安装误差为±5mm时，测量比差为-1.05%；垂直安装误差为1.4mm时，测量比差为-5.84%；旋转角度为±5°时，测量比差为-1.29%。以上误差均小于对电磁式电流互感器进行补偿后所达到的误差水平。

在实际安装过程中，将非接触式电流测量样机作为高压侧传感单元，把3个单元组成一组，分别用于测量一个开关柜内的三相电流。高压侧传感单元输出的信号经过一个安装于开关柜本体上的信号处理单元，将模拟信号转换为数字信号；然后，该信号处理单元依据RS2485 通信协议将该数字信号送至位于控制室的监控计算机内。对高压电流信号的传感、转换、传输和处理即构成一种电子式电流互感器系统。

整个系统已经通过电力公司专家鉴定委员会的鉴定。该系统的现场运行状况表明，非接触式高压开断电流测量方法，能够经受住现场恶劣条件的考验，具有很高的可靠性和稳定性。

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