第8单元互感器的作用特性和电流互感器(前半部分)

第8单元第四章互感器互感器包括电流互感器和电压互感器，是一次系统和二次系统之间的联络元件，将一次侧的高电压、大电流变成二次侧标准的低电压（100V或3/100V）和小电流（5A或1A），用以分别向测量仪表、继电器的电压线圈和电流线圈供电，使二次电路正确反映一次系统的正常运行和故障情况。目前，互感器常用电磁式和电容式。第一节互感器的作用及工作特性一、互感器与系统的连接互感器是一种特殊的变压器，其基本结构与变压器相同并按变压器原理工作。其一、二次绕组与系统的连接方式如图4-1所示。电压互感器一次绕组并接于电网，二次绕组与测量仪表或继电器电压线圈并联。A1与a2同名，X1与x2同名。电流互感器一次绕组串接于电网（与支路负载串联）二次绕组与测量仪表或继电器的电流线圈相串联。L1与K1同名，L2与K2同名。功率型测量仪表与保护继电器及自动调节励磁装置的工作与输入电压电流相位有关。二、互感器的作用1.将一次回路的高电压和大电流变为二次回路的标准值。通常电压互感器二次绕组额定电压为100V或3100V。电流互感器二次绕组额定电流一般为5A或1A。2.使低电压的二次系统与高电压的一次系统实施电气隔离，且互感器二次侧接地，保证了人身和设备的安全。互感器二次绕组接地的目的在于当发生一、二次绕组击穿时降低二次系统的对地电位，接地电阻愈小，对低电位愈低，从而保证人身安全，因此将其称为保护接地。三相电压互感器一次绕组接成星形后中性点接地，其目的在于使一、二绕组的每一相均反应电网各相的对地电压从而反应接地短路故障，因此将该接地称为工作接地。3.取得零序电流、电压分量供反应接地故障的继电保护装置使用。支路的零序电流)(310CBAIIII，因此将三相电流互感器二次绕组并联，使其输出总电流为三相电流之和即得到一次电网的零序电流。如将一次电路（例如电缆电路）的三相穿过一个铁芯，则绕于该芯上的二次绕组输出零序电流。电网对地电压的零序分量CNBNANCNBNANUUUUUUU,,),(310为三相对地电压。见图4-22（d）、(e)。能做接地监视的电压互感器有两个二次绕组：第一副绕组接成星形供一般测量、保护使用，提供线电压和相电压。第二副绕组（又称辅助绕组）三相首尾相连组成开口三角形反应三相对地电压之和，即对地电压的零序分量。三、互感器的工作特性电流互感器与电压互感器由于接入电网的方式、匝数比（21NNKN）及二次负载阻抗的不同，而具有不同的工作特性。（一）、电流互感器的工作特性1.正常运行时，二次绕组近似于短路工作状态。2.一次电流的大小决定于一次负载电流，与二次电流大小无关。3.运行中的电流互感器二次回路不允许开路。否则会在开路的两端产生高电压危及人身设备安全，或使电流互感器发热。4.正常运行时，由于二次绕组的阻抗很小，一次电流所产生的磁动势大部分被二次电流产生的磁动势所补偿，总磁通密度不大，二次绕组感应的电动势也不大，一般不会超过几十伏。当二次回路开路时，阻抗无限增大，二次电流变为零，二次绕组磁动势也变为零，而一次绕组电流又不随二次开路而变小，失去了二次绕组磁动势的补偿作用，一次磁动势很大，全部用于励磁，合成磁通突然增大很多很多倍，使铁芯的磁路高度饱和，此时一次电流全部变成了励磁电流，在二次绕组中产生很高的电动势，其峰值可达几千伏甚至上万伏，威胁人身安全或造成仪表、保护装置、互感器二次绝缘损坏。另外，由于磁路的高度饱和，使磁感应强度骤然增大，铁芯中磁滞和涡流损耗急剧上升，会引起铁芯过热甚至烧毁电流互感器。所以运行中当需要检修、校验二次仪表时，必须先将电流互感器二次绕组或回路短接，再进行拆卸操作。5.电流互感器的一次电流变化范围很大。6.电流互感器的结构应满足热稳定和电动稳定的要求。（二）、电压互感器的工作特性1.正常运行时，电压互感器二次绕组近似工作在开路状态。2.电压互感器一次侧电压决定于一次电力网的电压，不受二次负载的影响。3.运行中的电压互感器二次侧绕组不允许短路。电压互感器二次侧所通过的电流由二次回路阻抗的大小来决定，当二次侧短路时，将产生很大的短路电流损坏电压互感器。为了保护电压互感器，一般在二次侧出口处安装些熔断器或快速自动空气开关，用于过载和短路保护。在可能的情况下，原边也应装设熔断器以保护高压电网不因互感器高压绕组或引线故障危及一次系统的安全。第二节电流互感器一、电流互感器的工作原理电流互感器由闭合的铁芯和绕组组成。图4-2是电流互感器的工作原理图。一次绕组的匝数较少，串接在需要测量电流的回路中，因此它经常有回路的全部电流流过；二次绕组的匝数较多，串接在测量仪表或继电保护回路里。电流互感器在工作时，它的二次回路始终是闭合的，正常工作时接近短路，并且它的一次电流与二次回路阻抗无关。当一次绕组中通过一次电流1I时，产生磁动势11NI,大部分被二次电流所产生的磁动势22NI所平衡，只有小部分磁动势10NI（叫总磁动势）产生的磁通0在二磁绕组内产生感应电动势，以负担阻抗很小的二次回路内的有功和无功损耗。在理想的电流互感器其中，如果假定空载电流00I，则总磁动势010NI，根据能量守恒定律，一次绕组磁动势等于二次绕组磁动势，即2211NINI(4-1)也可写为iKNNII1221(4-2)电流互感器的电流与它的匝数成反比，一次电流对二次电流的比值21II称为电流互感器的电流比（我们用iK代表电流比）。当知道二次电流时，乘上电流比就可以求出一次电流，这时二次电流的相量与一次电流的相量相差1800。二、电流互感器测量误差及影响误差的运行因素实际上电流互感器工作时，要消耗一定能量（铁芯励磁，铁芯发热和磁滞损耗），因此空载电流0I和它所产生的总磁化力不能忽略，方程式（4-1）改为下式方为正确102211NININI(4-3)然而在设计和制造电流互感器时采取了一些减少能量损耗的措施（如增加一次安匝，增大铁芯截面，减少铁芯磁路的平均长度和采用高导磁系数的材料等），使总磁化力所占比重大大降低，结果使得导出的理想电流互感器的关系式（4-1）和式（4-2）具有实用意义。不过电流互感器所产生的能量损耗仍会在工作中反映出来，使电流互感器出现了误差，降低了准确度。电流互感器的等值电路和向量图，如图4-3所示。向量图中以二次电流为基准，画在第一象限水平轴上，即的初相角为00。二次电压对2I超前2角（二次负荷功率因数角），2E超前2I一个角（二次总阻抗角）,铁芯磁通超前2E900，励磁磁势10NI对超前角（铁芯损耗角）。由式（4-3）和向量图可以看出：一次电流1I与2IkN在数值和相位上都有差异，即测量结果有误差，通常用电流误差和角误差来表示。这两种误差的定义如下：（一）、电流误差（又称比差）电流误差if：电流互感器实际测量出来的电流2IKi与实际一次电流1I之差，占1I的百分数，即(%)100112IIIKfii（4-4）（二）、角误差（角差）角误差i：旋转1800的二次电流2I与一次电流1I之间的夹角。规定2I超前于1I时，i为正，反之为负。（三）、电流互感器运行工况对误差的影响由式（4-8）和式（4-9）可见，电流互感器误差与一次磁势11NI、励磁磁势10NI、二次阻抗角及铁芯损耗角有关。影响电流互感器误差的因素除此之外还有以下因素：1.一次电流1I的影响当一次电流数倍于额定电流（即发生短路时），误差随I1增加而加大。2.二次负荷阻抗及功率因数对误差的影响当二次负荷功率因数角2增加时，2E与2I之间的角增加，由式（4-14）和式（4-15）可见，当增加时，if增大，而i减小。反之，2减小时，if减小，而i增大。3.电流互感器二次线圈开路当lZ2=,即二次线圈开路，电流互感器由正常短路工作状态变为开路状态，02I,励磁磁势由正常为数甚小的10NI骤增为11NI，二次侧感应出很高的电势，对人身和设备都是极有害的。由于磁感应强度骤增，铁芯损耗大增，此外，在铁芯中还会产生剩磁使互感器误差增大。会引起铁芯和绕组过热。