第二章-电流互感器原理

72第二章电流互感器原理电流互感器是一种专门用作变换电流的特种变压器。在正常工作条件下，其二次电流实质上与一次电流成正比，而且在连接方向正确时，二次电流对一次电流的相位差接近于零。电流互感器的工作原理示于图21。互感器的一次绕组串连在电力线路中，线路电流就是互感器的一次电流。互感器的二次绕组外部回路接有测量仪器、仪表或继电保护、自动控制装置。在图21中将这些串联的低电压装置的电流线圈阻抗以及连接线路的阻抗用一个集中的阻抗Zb表示。当线路电流，也就是互感器的一次电流变化时，互感器的二次电流也相应变化，把线路电流变化的信息传递给测量仪器、仪表和继电保护、自动控制装置。根据电力线路电压等级的不同，电流互感器的一、二次绕组之间设置有足够的绝缘，以保证所有低压设备与高电压相隔离。电力线路中的电流各不相同，通过电流互感器一、二次绕组匝数比的配置，可以将不同的线路电流变换成较小的标准电流值，一般是5A或1A，这样可以减小仪表和继电器的尺寸，简化其规格。所以说电流互感器的主要作用是：①给测量仪器、仪表或继电保护、控制装置传递信息；②使测量、保护和控制装置与高电压相隔离；③有利于测量仪器、仪表和继电保护、控制装置小型化、标准化。第一节基本工作原理1.磁动势和电动势平衡方程式从图21看出，当一次绕组流过电流1I时，由于电磁感应，在二次绕组中感应出电动势，在二次绕组外部回路接通的情况下，就有二次电流2I流通。此时的一次磁动势为一次电流1I与一次绕组匝数N1的乘积11NI，二次磁动势为二次电流2I与二次绕组匝数N2的乘积22NI。根据磁动势平衡原则，一次磁动势除平衡二次磁动势外，还有极小的一部分用于铁心励磁，产生主磁通m。因此可写出磁动势平衡方程式102211NININI，A(21)式中1I一次电流，A；2I二次电流，A；0I励磁电流，A；N1一次绕组匝数；图21电流互感器工作原理图1一次绕组2铁心3二次绕组4负荷2SS11IP1P22IS1S2Zb2U1U3214m73N2二次绕组匝数；式（21）还可写成01221INNII，A或者写成021III，A(22)在电流互感器中，通常又将电流与匝数的乘积称为安匝，11NI称为一次安匝，22NI称为二次安匝，10NI称为励磁安匝。从图21还可看出，一次绕组和二次绕组都有漏磁通，分别为S1和S2。由漏磁通感应的电势实际上就是绕组本身的电抗压降，再考虑绕组电阻压降，就可以和电压互感器一样写出电流互感器一次电动势平衡方程式1111S1R111jXRIEEEEU，V(23)式中1U一次绕组端电压，V；1E主磁通在一次绕组中感应出的电动势，V；R1一次绕组电阻，；X1一次绕组漏电抗，。它是由一次漏磁通S1而引起的。电流互感器二次电动势平衡方程式为22222jXRIUE，V式中2E二次绕组感应电动势，V；2U二次绕组端电压，V；R2二次绕组电阻，；X2二次绕组漏电抗，。它是由二次漏磁通S2而引起的。二次端电压为bb2b22jXRIZIU，V(24)式中Rb二次负荷电阻，；Xb二次负荷电抗，。电流互感器的磁动势平衡方程和电动势平衡方程与电压互感器是一样的，但是必须注意到，与线路阻抗相比，电流互感器的阻抗小到可以忽略不计，电流互感器一次电流的变化只取决于电力线路负载的变化，而与电流互感器的二次负荷无关。在一次电流已定的条件下改变电流互感器的二次负荷，为了维持磁动势平衡，二次端电压必定要相应变化以使二次电流不变。二次端电压的变化是靠二次感应电势的变化和感应此电动势的主磁通的变化而实现的，所以当二次负荷增加或降低时，铁心中的主磁通也相应增加或降低，从而一次感应电动势也增加或降低。为了维持电动势平衡，一次端电压必然要增加或降低。74在二次负荷一定的条件下，互感器的一次电流变化时，二次电流必然变化。当一次电流增加时，铁心中的主磁通增加，二次感应电动势增加使得二次电流增加，反之，若一次电流减小时，二次感应电动势减小，二次电流也相应减小。铁心主磁通变化所需之励磁电流将依铁心材料的磁化特性曲线而变化。简单说来，电流互感器的一次电流取决于一次线路，互感器二次负荷的变化只引起一次绕组端电压的变化，而不会引起一次电流的改变。这就是电流互感器的工作特点。所以在很多情况下可以把电流互感器看成是恒电流源。在分析电流互感器的误差特性时，我们注意的是一、二次电流的关系，而不考虑一次端电压的变化。假如在铁心中建立主磁通不需要励磁电流，则式（21）变成02211NINI，A从而得出1221NNII(25)这里的一次电流与二次电流之比称为电流比，二次匝数与一次匝数之比称为匝数比。式（25）说明电流互感器的电流比等于匝数比。当然这是在忽略掉很小的励磁电流的前提下成立的。将电流和匝数都用额定值表示，则额定电流比等于额定匝数比，即n12n2n1nnNNIIK(26)式中Kn额定电流比；I1n、I2n额定一次电流和额定二次电流，A；N1n、N2n额定一次匝数和额定二次匝数。2.电流互感器的相量图和等效电路图图22绘出了比较完整的电流互感器相量图。这个相量图是根据前面所述的工作原理绘出的，并将一次侧各量折算到二次侧，折算关系如下A,;A,n00n11KIIKIIV,;V,1n11n1EKEUKU,;,12n112n1XKXRKR因为在大多数情况下二次负荷是感性的，所以在图22中的二次电流2I滞后于二次绕组端电压2U一个功率因数角2。二次端电压2U则滞后于二次感应电动势2E一个角度。2I与2E之间的相位角用表示。根据电磁感应定律，2E滞后于主磁通m的角度为2。2U0m1U1I2I2I-0I1E-21EE11RI1XIj122RI22jXI2图22电流互感器相量图75励磁电流0I超前m一个铁心损耗角0。根据一次绕组电动势平衡关系，1E与一次绕组阻抗压降之和即得出一次绕组端电压1U。根据磁动势平衡关系，1I应是0I与2I之和，所以1I与2I之间相位差为。由图可见，由于0I的存在，2I的大小和相位都与1I有差异，这就是说电流互感器在电流变换过程中出现了误差。在实际工作中，我们注意的是二次电流随一次电流变化的关系，而不注意电流互感器一次绕组端电压的变化，因此常见的电流互感器相量图中通常都不绘出其一次绕组端电压相量。同样，在常见的电流互感器等效电路图中通常都不绘出其一次绕组阻抗。和绘制电压互感器的等效电路图一样，在绘制电流互感器的等效电路图时也按减极性原则，图23即是按此原则绘出的。图24为按减极性原则绘出的电流互感器相量图。第二节电流互感器的分类、基本术语和端子标志1.电流互感器分类电流互感器通常按下述方法分类。(1)按用途分a.测量用电流互感器。b.保护用电流互感器。(2)按装置种类分a.户内型电流互感器。b.户外型电流互感器。(3)按绝缘介质分a.干式绝缘。包括有塑料外壳（或瓷件）和无塑料外壳，由普通绝缘材料，经浸漆处理的电流互感器。当用瓷件作主绝缘时，也称为瓷绝缘。b.油绝缘。即油浸式电流互感器，其绝缘主要由纸绕包，并浸在绝缘油中。若在绝缘中配置有均压电容屏，通常又称为油纸电容型绝缘。c.浇注绝缘。其绝缘主要是绝缘树脂混合胶浇注经固化成型。XbX2R2Rb0X0R2I1I0I图23电流互感器的等效电路图图24电流互感器相量图m0I1I2I图25过电流保护动作时间：t1t2t3,t2=t3+t,t1=t2+t=t3+2tb2jXIb2RI22RI22jXI2E0276d.气体绝缘。绝缘主要是具有一定压力的绝缘气体，例如六氟化硫（SF6）气体。(4)按结构型式分电流互感器的结构型式多种多样，分类的方法也较多，这里只能简单加以介绍。a.按安装方式不同可分为贯穿式和支柱式。安装在墙壁孔、房顶洞或金属构架上兼作穿墙套管用的称为贯穿式电流互感器。安装在支持平面上有时也兼作支持绝缘子的称为支柱式电流互感器。b.按一次绕组型式可分为单匝式和多匝式。图25中的(a)、(b)、(c)三种结构均为单匝式。其中结构(a)本身不带一次绕组，所谓母线式和套管式都属于此种。电器设备的母线或套管的导电杆就是电流互感器的一次绕组。图25(b)是用导电杆（管）制成的一次绕组的单匝式电流互感器结构原理。图25(c)为一次绕组是U字形的结构。图25(d)和(e)为多匝式（有时也称为线圈式）电流互感器的结构原理。c.按变换的级数分，可分为单级式和串级式两种。图26为两级串级的电流互感器原理示意图。较大的一次电流经第一级变成合适的中间电流，再通过第二级变成标准的二次电流。这种结构的绝缘分为两级，磁路也分为两级，用于超高压或特大电流产品。d.按二次绕组装配位置分，可分为正立式和倒立式两种。在正立式结构中，二次绕组装在互感器下部，具有高压电位的一次绕组引到下部，并对二次绕组和其它地电位的零部件有足够的绝缘。而在倒立式结构中则是将具有地电位的二次绕组置于产品上部，二次绕组外部有足够的绝缘，使之与高压电位的一次绕组相隔离。e.按电流比分，可分为单电流比、多电流比以及复合电流比三种。一、二次绕组匝数固定，只能实现一种匝数比的电流互感器即为单电流比互感器。多电流比可以通过不同的方式得到，最常用的方法有以下几种：一次绕组分为多匝（或段），通过串、并联换接以使得在不同的一次电流下保持一次安匝不变，从而得到不同的电流比。二次绕组具有不同的中间抽头，使之与一次电流相对应，以得到不同的电流比。二次绕组匝数不变，但有多个匝数不同的一次绕组，一次绕组的匝数与一次电流相图26串级式电流互感器原理图第一级第二级P1P21S11S22S12S23S13S2图25电流互感器结构原理示意图(a)(b)(c)(d)(e)77对应，以保持一次安匝不变，从而得到不同的电流比。复合电流比。在高压电流互感器中，为了同时满足测量和各种不同的继电保护方式的需要，往往有好几个各自具有铁心的二次绕组，而要满足继电保护的要求，还要求各保护用二次绕组有不同的电流比。这种电流互感器就称为复合电流比电流互感器。2.电流互感器的基本术语先介绍几个最常用的电流互感器的基本名词术语，其它术语将在相应的章节中叙述。额定电流电流互感器的误差、发热以及过电流性能要求都是以额定电流为基准值做出相应规定的，因此额定电流是作为互感器性能基准的电流值。对一次绕组而言，就是额定一次电流。对二次绕组而言，就是额定二次电流。额定电流比和实际电流比额定一次电流与额定二次电流之比称为额定电流比。实际一次电流与实际二次电流之比称为实际电流比。由于电流互感器存在误差，额定电流比与实际电流比是不等的。国家标准GB12081997《电流互感器》规定的电流互感器的额定一次电流标准值为：10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、75A以及它们十进位倍数或小数。有下标线的是优先值。额定二次电流为1A或5A。负荷二次回路阻抗，用欧姆和功率因数表示。负荷通常也用视在功率伏安值表示，它是二次回路在规定的功率因数和额定二次电流下所汲取的。额定负荷确定互感器准确级所依据的负荷值。额定输出在额定二次电流及接有额定负荷的条件下，互感器所供给二次回路的视在功率值（在规定功率因数下以伏安表示）。额定输出的标准值为：2.5、5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100VA。若要将以伏安值表示的负荷值换算成以欧姆值表示时，可按下式计算22nbbISZ，式中Sb二次输出，VA；I2n额定二次电流，A；Zb以阻抗值表示的二次负荷，。准确级对互感器