電流互感器中的殘餘磁通量 - 了解殘餘磁通量

簡介

在調試期間表現完美無瑕的電流互感器，可能在幾個月後發生故障時無法正常運作 - 沒有可見的損壞、沒有改變設定、也沒有修改接線。磁芯看起來完全一樣。銘牌也沒有改變。但是，磁芯內部的某些部分已經永久變位，而且是在上一次故障事件或開關操作期間悄然發生的。這就是殘留磁通量，它是目前使用中對保護系統可靠性最被低估的威脅之一。.

殘餘磁通量 (Residual flux) - 也稱為剩餘磁通量 (remanence) - 是 CT 磁芯在磁化力消除後仍鎖定在內部的磁通密度，永久佔用磁芯總磁通容量的一部分，並減少飽和前的可用餘量，這會直接縮短下一次故障事件中的飽和時間，並降低二次輸出信號的精確度。.

我審閱了英國、澳洲和海灣地區工業設施變電站的事故後保護報告，與剩餘磁相關的飽和出現的頻率遠高於業界所承認的。原因很簡單：剩餘電壓是無形的，它會默默地累積，而且在例行維護期間幾乎從未測量過。本文將為您提供完整的工程圖景 - 再殘影的成因、它如何影響 CT 性能、如何量化它，以及如何在它損害您的保護方案之前消除它。🔍

目錄

• 什麼是 CT 磁芯中的殘餘磁通量，它是如何形成的？
• Remanence 如何減少可用流量淨空並加速飽和？
• 如何根據剩餘電流性能要求來指定和選擇 CT？
• 如何測量、消除和監控服務中的殘餘流量？
• 關於電流互感器殘餘磁通的常見問題

什麼是 CT 磁芯中的殘餘磁通量，它是如何形成的？

殘餘磁通量不是缺陷或磁芯損壞的跡象 - 它是磁芯的基本特性。 鐵磁材料¹. .每個由矽鋼、鎳鐵合金或任何其他鐵磁材料製成的 CT 磁芯在激磁後都會保留一定程度的剩磁。工程上的問題不在於剩磁是否存在，而在於剩磁的程度，以及您的保護方案是否能承受剩磁。⚙️

遲滯迴圈與剩餘電流的形成

殘餘流量的來源在於 磁滯循環 - 當鐵磁磁芯經過一個完整的磁化週期時，B-H 圖上所描繪的閉合曲線。當增加外加磁場強度 H 以驅動磁芯達到飽和時，B-H 圖上所描繪的閉合曲線就會消失。 磁域² 在核心材料內與外加磁場對齊。當 H 減小到零時，這些磁域並不會完全回到原本的隨機方向。淨排列 - 也就是淨磁通密度 - 仍然存在。.

此保留的磁通密度在 $H = 0$ 定義為 剩餘磁通密度 ($B_r$). .驅動 B 回零所需的場強度為 強制力 ($H_c$). .一起、, $B_r$ 和 $H_c$ 表徵核心材料的滯後行為。.

CT 磁心殘留的主要原因

殘餘流量會透過幾種不同的機制累積，每種機制都會產生不同程度的剩餘磁：

1.帶直流偏移的不對稱故障電流：
保護 CT 中最重要的剩餘電流來源。當帶有直流偏移的故障電流驅使磁芯進入飽和狀態時，磁芯會穿越一個部分磁滯迴路，當故障排除時，磁滯迴路不會回到原點。留下的殘餘磁通可以達到 60-80% 的飽和磁通密度 在標準矽鋼片芯中。.

2.斷路器中斷：
當斷路器在電流零點附近中斷故障電流時，一次電流的突然停止會使磁芯離開磁滯迴路上的某一點，而該點並非原點。由此產生的剩餘電流取決於中斷時的瞬間磁通量。.

3.變壓器通電和浪湧：
透過 CT 為電源變壓器通電時，CT 磁芯會受到變壓器的浪湧電流影響 - 這是一種嚴重扭曲的直流偏壓波形，會驅動 CT 磁芯沿著非對稱的磁化路徑運行，並留下大量殘餘磁通。.

4.直流測試和注入：
使用直流電流源進行二次注入測試 (包括不正確應用的絕緣電阻測試)，可能會使磁芯沿著單向路徑磁化，留下與故障事件相當的剩餘磁水平。.

5. 地磁誘導電流³:
在高緯度裝置中，地磁干擾會在一段長時間內緩慢磁化 CT 磁芯，在沒有任何可辨識故障事件的情況下產生剩磁。.

芯材的殘餘特性

核心材料	剩餘因子 $K_r$	強制力 $H_c$	飽和通量 $B_{sat}$	剩餘風險等級
穀物導向 矽鋼4 (GOES)	60 - 80%	低-中	1.8 - 2.0 T	高
冷軋無取向鋼材	50 - 70%	中型	1.6 - 1.8 T	高
鎳鐵合金 (Permalloy 50)	40 - 60%	非常低	0.75 - 1.0 T	中型
非晶金屬合金	20 - 40%	低	1.2 - 1.5 T	低-中
奈晶合金	5 - 15%	非常低	1.2 - 1.3 T	非常低
氣隙核心（TPZ 級）	<1%	不適用（差距主導）	有效 0.3-0.5 T	微不足道

的 剩餘因子 $K_r$ 是 IEC 61869-2 中定義的標準度量：

$K_r = \frac{B_r}{B_{sat}}\times 100$

A $K_r$ 的 75% 表示在飽和事件發生後，磁芯總磁通容量的 75% 已經在下一個故障開始前被佔用。只有 25% 的磁芯餘量仍然可用。.

Remanence 如何減少可用流量淨空並加速飽和？

剩餘磁通的工程結果非常簡單：它縮短了磁心目前工作點與飽和膝點之間的距離。每減少一韋伯的殘餘磁通量，就少了一韋伯可用於容納下一個故障瞬態。但全面的影響比這種靜態減少更深 - 殘餘磁通與直流偏移的互動方式，可以使原本足夠的 CT 完全不足。🔬

流量淨空等式

直流偏移故障期間的總磁通需求必須在磁芯的 可用通量空間:

$\text{Available Headroom} = \Phi_{sat} - \Phi_{residual} = B_{sat}\times A_c \times (1 - K_r)$

地點 $A_c$ 是磁芯截面積。故障期間所需的磁通量為：

$\Phi_{required} = \frac{K_{td}\times I_{f_secondary}\times (R_{ct} + R_b)}{4.44 \times f \times N}$

用於 CT 以避免飽和：

$\Phi_{required}\leq \Phi_{sat}\times (1 - K_r)$

這個不等式揭示了剩餘電壓和所需膝點電壓之間的直接乘法關係。磁芯具有 $K_r = 75$ 需要一個膝點電壓 高出 4 倍 要達到等效的飽和抗擾度，需要比相同的磁芯具有零剩餘電流。.

飽和時間是剩餘量的函數

再殘留對操作最重要的影響是它對 飽和時間 ($T_{sat}$) - 從故障開始到 CT 二次輸出變得明顯失真所花費的時間。對於以 1-3 個週期運作的高速保護繼電器而言，即使只是略微減少 $T_{sat}$ 可能意味著正確操作與失敗之間的差異。.

剩餘度 ($K_r$)	可用淨空	飽和時間（典型值，X/R=20）	保護影響
0% (消磁)	100% 的 $B_{sat}$	3 - 5 循環	繼電器操作正常
30%	70% 的 $B_{sat}$	2 - 3 循環	邊緣 - 繼電器可能會運作
60%	40% 的 $B_{sat}$	1 - 2 循環	高風險 - 繼電器可能故障
75%	25% 的 $B_{sat}$	<1 循環	臨界 - 在繼電器回應之前達到飽和
90%	10% 的 $B_{sat}$	<0.5 循環	災難性 - CT 對於保護毫無用處

自動關閉方案中的剩餘時間

自動關閉方案是保護工程中最嚴峻的再殘留挑戰。一連串的事件造成了複雜的再殘留問題：

1. 第一個錯誤： 直流偏移驅動磁芯飽和 → 故障清除 → 復歸 $B_{r1}$ 遺骸
2. 死區時間 (0.3-1.0 秒)： 自發退磁時間不足
3. 自動關閉通電： 湧入電流會在 $B_{r1}$
4. 第二個故障（如果持續）： 直流偏移現在作用於已經帶有 $B_{r1}+ text{浪湧剩餘電流｝$

標準 GOES 磁心經過兩次斷層關閉週期後的累積剩餘磁可接近 85-90% 的 $B_{sat}$ - 使 CT 在第二次故障電流達到峰值之前就達到功能飽和。.

客戶故事： 一位名叫 James 的保護工程師在澳洲昆士蘭的 132kV 輸電變電站工作，他報告在一條有暫態故障歷史的饋線上進行自動重閉動作期間，母線差動保護重複發生故障。事故後的分析顯示，由於累積的剩餘電流，P 類 CT（針對對稱故障等級正確指定）在第二次重新關閉嘗試的半個週期內進入飽和狀態。Bepto 提供了 TPY 級替代 CT，其奈米晶核 ($K_r < 8$)，完全消除了剩餘電流累積的問題。該保護方案在隨後的六次自動關閉事件中均正常運行，沒有發生一次錯誤操作。✅

如何根據剩餘電流性能要求來指定和選擇 CT？

剩餘電流規格不是從以前的專案中複製出來的單一數字 - 它是特定於保護功能的要求，必須從每個 CT 應用的操作條件中衍生出來。以下是使其正確的結構化框架。📐

步驟 1：確認保護功能及其殘餘敏感度

不同的保護功能對於剩餘電流誘發的飽和有根本不同的容忍度：

保護功能	殘餘靈敏度	最低 CT 等級	最大值 $K_r$
過電流繼電器 (50/51) - 延遲時間	低	P 級	未指定
過電流繼電器 (50/51) - 瞬間	中型	P 類或 PX 類	<60%
接地故障繼電器 (51N)	低-中	P 級	未指定
變壓器差分 (87T)	高	類別 PX 或 TPY	<30%
母線差分 (87B)	非常高	類別 TPZ	<1%
距離接力 (21)	高	類別 TPY	<10%
自動關閉計劃	非常高	等級 PR 或 TPY	<10%
發電機差速器 (87G)	非常高	類別 TPY	<10%

步驟 2：計算 Remanence 調整後的膝點電壓

標準 $V_k$ 必須修改計算方式，以計入剩餘量：

$V_{k_adjusted} = \frac{V_{k_base}}{1 - K_r}$

地點 $V_{k_base}$ 是在沒有剩餘電流的情況下計算出來的膝點電壓。對於具有 $K_r = 0.75$:

$V_{k_adjusted} = \frac{V_{k_base}}{0.25} = 4 \times V_{k_base}$

所需的膝點電壓增加了四倍，這說明了為什麼剩餘電壓規格不能被視為次要的問題。.

步驟 3：選擇核心材料以符合殘餘要求

• $K_r$ 未指定（延時過電流）： 標準 GOES 核心，P 級 - 具成本效益且足夠
• $K_r < 30$ (變壓器差分）： 鎳鐵合金或非晶金屬核心，Class PX 或 TPY
• $K_r < 10$ (距離、自動關閉、電源差動）： 奈米結晶合金核心，Class TPY
• $K_r < 1$ (母線保護、超高速）： 氣隙式磁芯，TPZ 級

步驟 4：驗證環境適合性

• 熱帶裝置 (>35°C 環境溫度)： 驗證磁芯材料的熱穩定性 - 奈米晶體磁芯可保持 $K_r$ 效能高達 120°C；標準 GOES 核心在 80°C 以上會降低效能
• 震動環境（工業機械、牽引）： 機械振動會隨著時間的推移使磁芯部分消磁，降低剩磁 - 這對性能有利，但必須確認不會影響校準。
• 高污染或沿海地區： 確認 IP65 外殼與密封端子盒，以防止濕氣侵入加速絕緣老化

客戶故事： Maria 是義大利米蘭一家開關製造商的採購主管，當時她正在為一個風力發電場的併網項目準備一批 24kV 室內開關。保護工程師指定 TPY 等級 CT 具有 $K_r < 10$ 用於饋線差動保護。三家相互競爭的供應商提供了帶有 GOES 磁芯的標準 PX 類 CT ($K_r \approx 70$)，聲稱它們符合 「TPY 等效 」要求。Bepto 提供出廠認證的奈米晶核 TPY 級 CT。 $K_r = 6.5$, 以及完整的 IEC 61869-2 瞬態性能測試報告。客戶的獨立測試機構只接受符合要求的 Bepto 文件。Maria 的交貨時程表得到了保障，而且該專案第一次就通過了電網規範符合性測試。💡

如何測量、消除和監控服務中的殘餘流量？

剩餘電流管理是一門積極、持續的工程學科，而非一次性的調試任務。此處描述的程序應作為標準作法嵌入變電站的維護計畫中，尤其是高速保護方案中的 CT。.

在現場測量殘餘流量

直接測量殘餘通量需要專門設備，但實際的間接評估可透過以下方式進行 磁化曲線比較法:

1. 在二次端子上施加不斷增加的 AC 電壓 (一次開路)
2. 記錄從零到膝點以上的 V-I 激發曲線
3. 比較測量曲線與原始試運行基線
4. 明顯的膝點移向較低的電壓 - 或在給定電壓下激勵電流增加 - 表示存在顯著的殘餘磁通量

更直接的方法是使用 磁通計 連接至繞在 CT 磁芯上的搜索線圈，但這需要磁芯通道，而大多數已安裝的 CT 都不具備此功能。.

消磁程序

交流退磁（首選方法）：

1. 連接變數 自動變壓器⁵ 至 CT 二次端子（一次開路）。
2. 逐漸增加交流電壓至約 $1.2 \times V_k$ 以確保核心完全飽和
3. 在至少 30 秒的時間內，緩慢且持續地將電壓降至零
4. 逐漸縮小的遲滯迴圈迫使核心逐漸縮小，並向原點靠攏。
5. 重新測量磁化曲線，確認其與原始基線相符。

直流消磁（替代方案）：
施加一系列交替極性的直流電流脈衝且振幅逐漸降低，最後以零為結束。此方法不如交流退磁可靠，需要小心控制以避免引入新的剩磁。.

安裝與維護清單

1. 調試前消磁 - 通電前必須先消磁，以消除運輸和出廠測試時的剩磁
2. 故障後退磁 - 在任何有明顯直流偏移的近端故障發生後，必須進行此操作；切勿將此操作延遲至下一次預定停電時進行
3. 自動關閉後消磁 - 在任何涉及持續性故障的自動關閉順序之後，將保護區內的所有 CT 消磁，然後重新投入使用
4. 年度磁化曲線驗證 - 與高速保護方案中所有 CT 的調試基線進行比較
5. DC 測試後消磁 - 進行任何直流注入測試、絕緣電阻測試或一次注入測試後，請務必進行退磁。

常見維護錯誤

• 假設剩餘效力會自然消散 - 不會；製造正確的 CT 磁芯中的殘餘磁通量可以無限期地存在，而無需主動退磁。
• 僅使用直流電流退磁 - 直流退磁不可靠，可能使磁芯處於部分磁化狀態；交流退磁是唯一能保證返回磁滯迴圈原點的方法。
• 輕微」故障後跳過退磁 - 任何可量度直流偏移的故障都會留下剩磁；故障電流的大小並不決定是否需要退磁
• 退磁後未能重新驗證磁化曲線 - 沒有後續曲線驗證的退磁，無法在工程上保證程序是有效的
• 對所有 CT 等級使用相同的退磁程序 - TPZ 級氣隙式磁芯所需的程序與實心磁芯 TPY 級裝置不同；務必遵循製造商的特定消磁指示

建議保養時間表

活動	觸發器	建議間隔
完全退磁 + 曲線驗證	調試	一次，在首次通電前
故障後退磁	任何近距離故障事件	下次停電時立即
關閉後消磁	持續故障自動關閉	返回服務之前
例行磁化曲線檢查	定期維護	每 3-5 年
完全二次射出 + 負載測量	變電站大停電	每 10 年

總結

殘餘磁通量是對 CT 性能的一種無聲、無形和累積性威脅 - 它會隨著每次故障事件、每次切換操作和每次直流測試而增加，同時不會留下任何外部跡象表明磁芯的可用淨空已受到損害。了解剩餘電流的形成，指定正確的 $K_r$ 限制每種保護功能、選擇符合應用程式瞬態需求的磁芯材料，以及維持積極的退磁計畫，這四項原則讓您的保護系統在整個使用壽命中都能發揮設計效能。. 主動管理剩餘電壓，您的 CT 就能在您的保護方案最需要的時候提供精確的二次信號。. 🔒

關於電流互感器殘餘磁通的常見問題

1. 瞭解用於電力系統元件的磁芯材料的基本磁性質。. ↩

2. 探索磁性材料內原子層級的排列如何造成磁滯和剩磁。. ↩

3. 瞭解造成輸電線路中准直流電流的大氣和太陽事件。. ↩

4. 檢視晶粒導向電工鋼的技術特性與飽和極限。. ↩

5. 詳細說明使用可變電壓變壓器進行測試的操作和安全注意事項。. ↩