如何閱讀和詮釋電流互感器激磁曲線，以瞭解互感器的健康狀況？

激勵曲線是電流變壓器所能產生的唯一最能揭示問題的診斷特徵，但它仍然是中壓變壓器調試和維護實務中最容易被誤讀的測試之一。. CT 的 V-I 特性曲線包含了其磁芯的完整健康狀況：膝點電壓完整性、殘留磁通狀況、絕緣劣化和匝間故障指示 - 所有這些對於知道如何讀取形狀的工程師來說都是可見的。. 對於為配電系統指定互感器的電氣工程師、繼電器保護專家和採購經理而言，掌握激磁曲線詮釋是在 CT 故障危及保護方案之前抓住它與在發生災難性誤動作之後才發現問題之間的區別。這篇文章將介紹曲線背後的物理原理、逐步測試程序，以及診斷模式，以揭示 CT 磁芯內部到底發生了什麼。.

目錄

• 什麼是電流互感器激磁曲線，它能測量什麼？
• 如何解讀 CT V-I 特性曲線的主要特徵？
• 如何在現場進行中電壓應用的 CT 激磁測試？
• 異常激發曲線型態對 CT 健康與可靠性有何啟示？

什麼是電流互感器激磁曲線，它能測量什麼？

激磁曲線 - 正式稱為 V-I 特性或磁化曲線 - 是 CT 二次繞組在一次迴路開路時，所加電壓與磁芯所產生的磁化電流之間關係的圖形表示。它完全從二次端子測量，使其成為現場最安全、最容易進行的診斷測試之一。.

曲線背後的物理原理根源於核心的 b-h 磁滯¹ 行為。當交流電壓施加到二次繞組時，它會驅動磁芯中與施加電壓成正比的磁通量（由以下公式計算 法拉第定律²: $V = N \times \frac{d\Phi}{dt}$).維持該磁通所需的充磁電流由磁芯在該工作點的磁導率決定。隨著外加電壓的增加，磁芯會逐漸飽和，磁導率會急速下降，而磁化電流則會陡然上升 - 產生 CT 激磁曲線特有的膝形。.

激發曲線中編碼的關鍵參數：

• 膝點電壓 (Vk)： 外加電壓增加 10% 時，會產生磁化電流增加 50% 的電壓 - 根據 IEC 61869-2 的規定，這是線性與飽和磁芯運作之間的關鍵界線
• Vk (Imag) 時的磁化電流： 定義 CT 的激勵電流負載；直接影響低一次電流時的比率和相位角精確度
• 線性區域中的曲線斜率： 反映核心滲透性和材料品質 - 斜坡越陡表示滲透性越高的晶粒導向矽鋼
• Vk 以上的飽和行為： 膝點以上的電流上升率決定 CT 在故障電流瞬間達到飽和的速度。

參數	定義	IEC 61869-2 參考資料	工程意義
膝點電壓 (Vk)	10% ΔV → 50% ΔI 交叉點	第 5.6.201 條	最小 Vk 決定保護 CT 適用性
磁化電流 (Imag)	Vk 時的 RMS 電流	第 5.6.201 條	高 Imag = 低電流時準確度下降
飽和磁通密度 (Bsat)	完全飽和前的最大磁芯磁通量	材料規格	確定故障瞬時可用的磁通擺動
剩餘因數 (Kr)	Br/Bsat 比率	IEC 61869-2 Tpy/TPZ	管理殘餘磁通量感應性
二次繞線電阻 (Rct)	二次繞組的直流電阻	第 5.6.201 條	用於保護 CT 尺寸計算

從出廠驗收測試到故障後的現場診斷，激勵曲線是每一個 CT 健康評估的基礎。如果沒有出廠基線曲線檔，現場比對測試就失去了大部分診斷價值，這就是為什麼 Bepto Electric 在每批 CT 出貨時都會提供完整的激勵曲線檔。.

如何解讀 CT V-I 特性曲線的主要特徵？

正確閱讀 CT 激磁曲線需要瞭解圖形的三個不同區域，以及每個區域所揭示的鐵心狀態和保護性能。曲線幾乎總是繪製在對數對數刻度上，以便將電壓和電流的寬動態範圍壓縮為可讀取的格式。.

區域 1 - 線性區域（膝點以下） 在此區域，磁芯在其線性磁導率範圍內運作。外加電壓與充磁電流成比例增加，在對數-對數圖上產生一條直線。這條直線的斜率反映了磁芯材料的品質：

• 陡峭、明確的線性區域表示高滲透性 晶粒取向矽鋼³ 完好
• 淺或不規則的斜坡顯示岩心退化、層間短路或污染

區域 2 - 膝點 膝點是激勵曲線最重要的診斷特徵。根據 IEC 61869-2，它被定義為曲線的切線與對數-對數圖上的水平軸成 45° 角的位置 - 相當於 10% 的電壓增加會產生 50% 的電流增加。.

• Vk 必須符合或超過最小值 在保護 CT 尺寸公式中指定： $V_k \geq I_f \times (R_{ct} + R_{text{burden}}) \times ALF$
• 與出廠曲線相比，膝點向下偏移，表示磁芯劣化或殘留磁通量。
• 在電流高於出廠基線時出現的膝點顯示匝間繞組短路。

區域 3 - 飽和區域（膝點以上） 在膝點之上，由於磁芯飽和，曲線急劇向上彎曲，磁化電流在小電壓增量下陡然上升。這個飽和區域的形狀揭示了：

• 漸進式飽和曲線： 具有預期矽鋼特性的健康核心
• 突然、接近垂直的飽和： 可能的磁芯損壞或嚴重的殘留磁通狀況
• 不規則的駝峰或拐點： 匝間繞組故障或層間短路的強烈指標

健康與退化 CT 激發曲線比較

曲線功能	健康 CT	殘餘流量	Turn-to-Turn 故障	核心退化
線性區域斜率	一致、陡峭	降低坡度	不規則、移位	淺、不一致
膝點電壓	匹配工廠 Vk	移動較低	Vk 時電流較高	大幅減少
飽和開始	漸進式高於 Vk	過早飽和	突然過渡	早期、不規則
Vk 時的磁化電流	與工廠想像相符	與工廠類似	高於出廠標準	大幅提高

客戶案例 - 注重品質的公用事業工程師，北非 110kV 變電站： 摩洛哥一位負責 110kV 變電站新擴建工程調試的公用工程師，從先前的供應商收到一批十二個保護 CT。在出廠驗收測試中，有三個元件顯示膝點電壓低於規定的最小值 22-35%--這是在沒有進行激勵曲線測試的情況下看不到的缺陷。工程師聯絡了 Bepto Electric，我們的替換單元在運送時提供了完整的激勵曲線文件，符合 IEC 61869-2 Class 5P20 規範。安裝後的調試證實所有 12 個位置都符合保護方案的尺寸要求 - 防止了整個變電站區段可能出現的系統保護不足情況。.

如何在現場進行中電壓應用的 CT 激磁測試？

在一次電路開啟的情況下，從 CT 二次端子執行勵磁測試 - 使其可在無一次電路存取的計劃停機期間執行。此程序在 IEC 61869-2 和 IEEE C57.13.1 中標準化，兩個標準在程序上略有不同。.

步驟 1：隔離並準備 CT

• 確認一次電路已斷電並隔離 - 使用認可的電壓測試器進行驗證
• 打開所有二次負載連接 (斷開繼電器、電錶和接線） - 必須只在裸二次繞組上執行測試
• 將多核心 CT 上任何未使用的二次核心短路，以防止誘發電壓危險
• 記錄 CT 銘牌資料：比率、精度等級、額定 Vk、額定 Imag、Rct 和 ALF

步驟 2：選擇測試設備

• 首選： 專用 CT 分析儀 (例如 Megger MRCT、Omicron CT 分析儀) - 根據 IEC 61869-2 定義自動繪製完整的激勵曲線並計算 Vk
• 替代方案： 可變交流電壓源 (Variac) + 真有效值電壓表 + 真有效值電流表 - 手動逐點曲線繪圖
• 確保測試設備的電壓範圍至少涵蓋預期 Vk 值的 120%
• 確認電流表量程涵蓋 1mA (低電流線性區域) 至至少 5 倍的額定 Imag

步驟 3：執行激振測試

1. 在 S1-S2 二次端子上連接測試電壓源
2. 從零開始、, 小幅度增加施加電壓 - 建議的步驟：10% 的預期 Vk 到 50% Vk，然後從 50% 到 110% Vk 的 5% 步驟，然後在膝點區域周圍的 2% 步驟
3. 記錄每個步驟的外加電壓 (V) 和磁化電流 (I) - 每點允許 3-5 秒的穩定時間
4. 繼續增加電壓，直到觀察到明顯的飽和行為（電壓增加極小，電流卻急速上升）。
5. 將電壓慢慢降回零 - 這也是部分退磁步驟
6. 在 Y 軸上繪製 V，在 X 軸上繪製 I，並以對數-對數比例繪製

步驟 4：確定膝點電壓

• 使用所繪製的曲線，在對數-對數圖上找出切角等於 45° 的點
• 對於自動 CT 分析儀，儀器會根據 IEC 61869-2 第 5.6.201 條直接計算 Vk。
• 將測得的 Vk 與出廠基準值、銘板規格和保護方案的最小 Vk 要求進行比較

步驟 5：記錄和比較結果

• 記錄：測量的 Vk、Vk 時的 Imag、Rct（直流電阻測量），以及完整的 V-I 資料表
• 與工廠激發曲線比較 - Vk 偏差 >10% 或 Imag 偏差 >20% 需要進一步調查
• 對於保護 CT，請驗證：Vk ≥ If(max) × (Rct + Rburden) 符合 IEC 61869-2 尺寸規範

特定應用的激勵測試注意事項

• 工業開關面板： 在排定的維護視窗期間進行測試；記錄調試時的基準曲線，以便日後比較
• 電網保護 CT： 在任何故障電流超過 10 倍額定一次電流後，必須進行故障後激磁測試
• 變電站差動保護區： 同時測試差動區域中的所有 CT；比較曲線是否對稱 - 曲線不對稱表示 CT 特性不匹配，可能導致錯誤的差動電流
• 太陽能農場電網連接 CT： 驗證逆變器故障電流貢獻的 Vk 是否足夠，因為故障電流可能有顯著的直流偏移分量

異常激發曲線型態對 CT 健康與可靠性有何啟示？

異常的激磁曲線模式是 CT 傳達特定內部故障模式的方式。每種故障類型都會產生特定的曲線特徵，有經驗的工程師無需拆解機器即可識別和診斷。.

診斷模式識別指南

模式 1 - 膝點電壓下移 (Vk 減小，與出廠值相比)

• 主要原因：先前故障或開路事件產生的殘餘磁通量
• 次要原因：機械衝擊或處理不當造成磁芯層壓損壞
• 行動：執行完全消磁程序；重新測試激磁曲線；如果消磁後 Vk 仍然很低，則需要更換 CT

型態 2 - 相同電壓下的充磁電流高於原廠基準值

• 主要原因：二次繞組匝間短路 - 短路匝數減少有效匝數，增加磁化電流需求
• 次要原因： 渦電流損失⁴ 在磁芯中增加渦流損失
• 行動：測量次級繞組直流電阻 (Rct) - Rct 減小確認匝數短路；需要更換 CT

型態 3 - 線性區域中的不規則拐點或駝峰

• 主要原因：多個匝對匝故障產生具有不同飽和特性的多個磁路路徑
• 次要原因：磁芯機械損壞導致磁通量分佈不均勻
• 行動：CT 在執行保護任務時不可靠 - 立即停用

模式 4 - 曲線均勻地偏移得更高 (相同電流需要更高的電壓)

• 主要原因：連接腐蝕或部分導體故障導致繞組電阻增加
• 次要原因：測量錯誤 - 在得出結論前，請確認測試導線電阻和連接品質
• 行動：測量 Rct；檢查二次端子連接；清潔或更換腐蝕的端子

激發曲線測試中常見的現場錯誤

• 使用平均回應電壓表，而非 true-RMS： 磁化電流波形中接近飽和的諧波含量會導致平均回應儀器產生顯著的讀數誤差 - 請務必使用 true-RMS⁵ 米
• 在二次負載仍然連接的情況下進行測試： 連接阻抗會增加測量電壓，使表面膝點變高，掩蓋真正的磁芯劣化。
• 電壓範圍不足： 在達到清晰飽和前停止測試，會防止準確的膝點辨識 - 總是測試到至少 120% 的預期 Vk
• 單點比較，而非完整曲線： 僅比較膝點值會遺漏曲線形狀中所包含的診斷資訊 - 務必將完整的 V-I 特性與出廠基線進行比較

總結

CT 勵磁曲線是中電壓配電系統中用於電流互感器健康評估的最全面的單次測試診斷。從膝點電壓完整性到匝間故障檢測、殘留磁通識別以及鐵芯劣化監控，每一個關鍵的可靠性指標都編碼在 V-I 特性形狀中。對於負責變電站可靠性的保護工程師和維護團隊而言，在試運行時建立工廠基準激磁曲線，並在每次重大故障事件發生後對其進行系統比較，並非最佳做法 - 這是值得信賴的保護系統的最低標準。在 Bepto Electric，每台 CT 在出廠時都附有符合 IEC 61869-2 標準的完整工廠激磁曲線證書，為您的團隊提供診斷基線，使現場健康評估從第一天開始就具有意義。.

關於 CT 激發曲線詮釋的常見問題

1. 循環過程中磁芯行為和能量損失的技術說明。. ↩

2. 解釋電壓如何在變壓器繞組中產生的科學原理。. ↩

3. 決定變壓器磁芯效率和磁導率的材料科學特性。. ↩

4. 了解導致鐵芯發熱和效率降低的環流。. ↩

5. 比較非線性或扭曲電氣波形的量測方法。. ↩