摘要:在化工企業中對電機電流的監測是對工藝運行狀況及機泵運行狀況監控的有效手段,文中對于電機電流指示值失真的問題,進行了原因分析,并提出了解決措施。
關鍵詞:電流互感器 變比 總阻抗 失真
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   一、引言
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技術頻道

淺談電流互感器在低壓配電中的失真問題

摘要:在化工企業中對電機電流的監測是對工藝運行狀況及機泵運行狀況監控的有效手段,文中對于電機電流指示值失真的問題,進行了原因分析,并提出了解決措施。
關鍵詞:電流互感器 變比 總阻抗 失真
<-- 樣本內容 -->
   一、引言
   我們天津化工廠屬氯堿化工企業,我所在的制堿分廠主要將電解工序NaOH溶液,NaOH濃度為32%液堿及電解液經過蒸發工序,包括三效順流蒸發及降膜雙效逆流蒸發,制成濃度為42%、45%、50%的液堿,這些液堿一部分直接做為產品銷售,一部分45%--50%液堿被輸送固堿工序進行大鍋熬制,再經過片堿機制成濃度為99.5%的片堿,進行片堿銷售。在我分廠中的各類堿泵為低壓配電中的主要負荷,對于帶動堿泵的電機的電流監測在各生產工序中是普遍的和必須的。低壓三相異步電動機在運行中的電流監測是對泵運行狀況以及工藝運行狀況監控的一個有效手段,電機電流被作為一項工藝控制指標用來對設備及工藝進行監控,因此對于電流指示的誤差要求越小越好。
  二、存在的問題:
  在老雙效蒸發改造為三效蒸發期間,新的機泵配電安裝后,調試時我們遇到了這樣的問題,就是電流表指示值遠遠低于實際值,現挑選不同功率電機列表詳述它們的失真情況,具體詳見表1:

工藝位號
電機功率(kW)
互感器變比
互感器與電流表連接導線長度(米)
實際電流值I1(A)
電流表指示值I2(A)
失真率I2/I1(%)
P01d
37
100/5
80
67
37
55%
P08a
18.5
75/5
120
29
9
31%
P02c
30
100/5
50
56
30
54%
P05a
22
75/5
110
30
9
0%

  由上表看出,上面幾臺電機電流指示全部失真,互感器與電流表連接導線長度都大于50米,導線越長,電流表失真越大,P05a及P08a電流表指示值僅為實際值的30%,電流變化的范圍只在電流表盤面50%的范圍內變動,操作工難以發現電機電流的升降波動,當負荷電流很小時,即空載輕載時,電流表指示基本為零,操作工會進行誤判斷,直接影響了操作工對機泵的控制及直觀監控,不能及時發現電流的波動,給操作工的操作帶來了很大的不便。
   三、問題的原因分析:
   工程中選用的電流互感器為LMZ1—0.5型,精度等級為0.5級,額定容量10VA。
   1、首先從設計上對于電流互感器變比的選擇來看,設計要求電流互感器額定一次電流的確定,應保證其在正常運行中實際負荷電流達到額定值的60%左右,至少應不小于30%。當實際負荷電流小于30%時,應采用二次繞組具有抽頭的多變比電流互感器,或0.5S、0.2S級電流互感器、或具有較高額定短時熱電流和動穩定電流的電流互感器。由上表看出實際負荷電流值都在額定值的60%左右,實際生產運行中電流值大部分時間在此范圍內,此例中37KW、30KW、22KW電機的電流互感器變比,符合設計要求;18.5KW電機的變比為75/5,選型上略大。
   2、從二次負荷來看,當二次回路端子間連接導線和指示儀表的總阻抗小于或大于互感器的銘牌上標定的額定二次回路阻抗,互感器的指示值都會失真。額定二次回路阻抗通常以視在功率伏安值表示,它是二次回路在規定功率因數和額定二次電流下所汲取的,本例中為10VA。現在回路中實際阻抗有二次導線阻抗、連接導線的接觸電阻以及電流表的功率消耗,以伏安值表示的回路總阻抗為:
R=Rl+R2
  其中
  R—總阻抗,VA
  Rl—互感器與電流表間連接導線的線阻,VA
  R2—連接導線的接觸電阻取0.1Ω,即0.1×5×5=2.5VA
  而 Rl =(ρ*L/S)*I2 ①
  ρ---導線電阻率,55℃時銅線電阻率為0.0202Ω.mm2/m
  L---導線長度,m
  S---導線截面積,mm2
  I---互感器額定二次電流,本廠互感器為5A
  由公式可看出,導線的線阻與長度成正比,截面積成反比,導線越長,線阻越大,而Rc是固定的,則R與電流表的連接導線的長度成正比,導線越長,誤差越大。本例中,互感器與電流表連接導線為截面積1.5mm2的多芯控制電纜,并將表1中的長度代入公式①中:
  P01d:Rl =(ρ*L/S)*I2=(0.0202*80/1.5)*52=26.9VA
   R2=0.1×5×5=2.5VA
   總的回路阻抗伏安值R=Rl+R2 =26.9+2.5=29.4VA
  P08a:Rl =(ρ*L/S)*I2=(0.0202*120/1.5)*52=40.4VA
   R2=0.1×5×5=2.5VA
   總的回路阻抗伏安值R=Rl+R2 =40.4+2.5=42.9VA
  P02c:Rl =(ρ*L/S)*I2=(0.0202*50/1.5)*52=16.8VA
   R2=0.1×5×5=2.5VA
   總的回路阻抗伏安值R=Rl+R2 =16.8+2.5=19.3VA
  P05a:Rl =(ρ*L/S)*I2=(0.0202*110/1.5)*52=37.0VA
   R2=0.1×5×5=2.5VA
   總的回路阻抗伏安值R=Rl+R2=37.0+2.5=39.5VA
   從以上計算得出4臺電機的總阻抗都遠遠大于互感器的額定二次負荷,P08a、P05a的總的回路阻抗遠大于P01d、P02c,電機電流的失真也大。
   3、其次從互感器結構上看,選用的電流互感器為0.5級LMZ系列電流互感器,0.5級在額定電流的100%時,誤差不超過±5%,本型互感器5~600A的鐵心為環型卷鐵心,二次線圈沿鐵心環狀均勻分布,為樹脂澆注作絕緣。中間窗孔供一次母線通過之用。本型互感器其優點是可在110%的額定電流下長期運行。但其缺點在于:A、由于母線穿孔,當一次母線在穿孔中位置發生變化時,就會產生誤差。B、因為是母線穿心式,一次一般取一匝,當額定電流低的時候,安匝數也就低,誤差就增大。C、而對于0.5級的電流互感器,其精確度較低,鐵心質量也相對較差。
  4、互感器的準確度是和負荷電流相聯系的,負載電流在額定電流的120%以內,負載越大,電流互感器誤差越小;當負載電流在額定電流的120%~165%之間時,隨著負載電流增大,電流互感器誤差增大,但在允許范圍內逐漸趨于平衡。這是因為在設計電流互感器時,決定電流互感器過載能力的飽和倍數一般最小為額定電流2~3倍,互感器在額定頻率下,其比差及相角差應符合下表:


  也就是說電流互感器在100%負荷時誤差是最小的,由于小于互感器100%額定電流,就會有負的偏差,即電流表指示值是要小于實際值的。實際電流小于互感器100%額定電流是電流表示值失真的又一原因。
   5、電源頻率的影響。當一次電流為非正弦波形時,在電流的高次諧波作用下,電流互感器的量值將發生變化。在生產實際中電源的頻率由于各種因素,呈非正弦波形式。直接影響了互感器的量值。
   四、問題的解決方案:
   對于電源頻率為非正弦波的改造涉及面廣,影響因素很多,屬系統工程,可行性不大;而負荷電流的大小是由工藝設備條件所決定,因此我們從以下幾點進行了改造。
   1、減小總的回路阻抗,從而使互感器的誤差向正方向移動。根據公式①,總阻抗與導線截面積成反比,也就是增加互感器與電流表之間連接電纜的截面積,即可減小總的回路阻抗,將原來1.5mm2電纜兩芯并成一芯,即連接電纜截面積變為3 mm2,由于原來采用的多芯控制電纜,線纜芯數有富裕,因此采用此法,可不用更換電纜。
  2、提高電流互感器的準確度,用LQG系列互感器代替LMZ系列互感器。LQG-0.5型電流互感器的鐵心系條形冷軋電工鋼片迭成,鐵心分上、下兩柱,均套有二次線圈,一次線圈只布置在一個柱的二次線圈之外,并有磁分路作為補償誤差之用。這種互感器是采用內外雙線圈對誤差進行補償的,一次用多匝,安匝數相對來說可以做得高一點,再就是一次線是固定在絕緣體內的,不會發生位置變化,所以誤差相對LMZ系列互感器來說小很多。
   五、結論:
  在根據實際情況沒有更換電纜,僅更換了電流互感器,用盡量少的費用進行了改造,改造后的電流指示值見下表:

  工藝位號
電機功率(KW)
實際電流值(A)
電流表指示值(A)
失真率
  P01d
  37
  65
  63
  97%
  P08a
  18.5
  32
  30
  94%
  P02c
  30
  55
  54
  98%
  P05a
  22
  36
  34
  94%

  可以看出指示值與實際值相差很小,采取的措施有效,并且改造費用不多,是經濟可行的。

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