电流互感器的工作原理

电流互感器的工作原理在供用电的线路中，电流大小相差悬殊，从几安培到几万安培不等。为便于仪器、仪表的测量，需要转换为比较统一的电流，另外供用电线路上的电压都比较高，如直接测量对仪器、仪表和人都是非常危险的。为此设计的电流互感器就起到变流和电气隔离的作用。指针式电流显示仪表大部分是安培级，所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的(如5A等)，而计算机的采样的信号一般为毫安级(0～5V、4～20mA等)。为此采用微型电流互感器(二次电流为毫安级)作为电流互感器与计算机采样信号之问的桥梁，进行电流的二次变换。电流互感器由一次线圈、二次线圈、铁心、绝缘支撑及出线端子等组成。电流互感器的铁心由硅钢片叠制而成，其一次线圈与主电路串联，且通过被测电流I1，它在铁心内产生交变磁通，使二次线圈感应出相应的二次电流I2(其额定电流为5A)。如将励磁损耗忽略不计，则I1n1=I2n2，其中n1和n2分别为一、二次线圈的匝数。电流互感器的变流比K=I1/I2=n2/n1。由于电流互感器的一次线圈连接在主电路中，所以一次线圈对地必须采取与一次线路电压相适应的绝缘材料，以确保二次回路与人身的安全。二次回路由电流互感器的二次线圈、仪表以及继电器的电流线圈串联组成。电流互感器大致可分为两类，测量用电流互感器和保护用电流互感器。检定互感器所需设备检定电流互感器所需基本设备包括：1、互感器校验仪：测量标准互感器和被试互感器间的误差，显示工作电流。2、标准电流互感器：互感器检定中用作标准器，精度一般比被测高两个等级以上，设计有多个变比抽头，适应不同互感器的检定。3、升流器：与调压器配合，匹配产生各种需要的测试电流。其容量、造价随电流增加而增加。4、负载箱：模拟被测互感器的实际工作状态。5、调压器：用于调节测试电流，一般与保护和开关等安装在一个操作台内，分粗调和细调两个调压器，以满足调节细度。在额定电流2500A以下测量时，可以用10KVA通用的调压器组合制作，更大电流须特殊制作，一般需要30~60KVA。6、大电流连接电缆：连接几百、几千安培电流，电缆价格不能忽视。检定电压互感器所需基本设备包括：1、互感器校验仪：测量标准互感器和被试互感器间的误差，显示工作电流。2、标准电压互感器：互感器检定中用作标准器，精度一般比被测高两个等级以上，设计有多个变比抽头，适应不同互感器的检定。3、升压器：与调压器配合，匹配产生各种需要的测试电压，其容量、造价随电压增加而增加。4、负载箱：模拟被测互感器的实际工作状态。5、调压器：用于调节测试电压，一般与保护和开关等安装在一个操作台内，分粗调和细调两个调压器，以满足调节细度。一般用10KVA通用的调压器组合制作即可。电压互感器的故障分析电压互感器实际上就是一种容量很小的降压变压器，其工作原理、构造及连接方式都与电力变压器相同。正常运行时，应有均匀的稍微的嗡嗡声，运行异常时常伴有噪声及其它现象：(1)电压互感器'电压互感器响声异常：若系统出现谐振或馈线单相接地故障，电压互感器'电压互感器会出现较高的“哼哼”声。如其内部出现劈啪声或其他噪声，则说明内部故障。(2)高压熔断器熔体，接连熔断2-3次。(3)电压互感器'电压互感器因内部故障过热，（如匝间短路、铁芯短路）产生高温，使其油位急聚上升，并由于膨胀作用产生漏油。(4)电压互感器'电压互感器内发生臭味或冒烟，说明其连接部位松动或互感器高压侧绝缘损伤等。(5)绕组与外壳之间或引线与外壳之间有火花放电，说明绕组内部绝缘损坏或连接部位接触不良。(6)电压互感器'电压互感器因密封件老化而引起严重漏油故障等。电流互感器知识简介互感器'电流互感器知识简介为了保证电力系统安全经济运行,必须对电力设备的运行情况进行监视和测量.但一般的测量和保护装置不能直接接入一次高压设备,而需要将一次系统的高电压和大电流按比例变换成低电压和小电流,供给测量仪表和保护装置使用.执行这些变换任务的设备,最常见的就是我们通常所说的互感器.进行电压转换的是电压互感器(voltagetransformer),而进行电流转换的互感器为互感器'电流互感器(currenttransformer),简称为CT.本文将讨论互感器'电流互感器的相关基本知识.1.互感器'电流互感器的基本原理1.1互感器'电流互感器的基本等值电路如图1所示.图1互感器'电流互感器基本等值电路图中,Es—二次感应电势,Us—二次负荷电压,Ip—一次电流,Ip/Kn—二次全电流,Is—二次电流,Ie—励磁电流,N1—一次绕组匝数,N2—二次绕组匝数,Kn—匝数比,Kn=N2/N1,Xct—二次绕组电抗(低漏磁互感器可忽略),Rct—二次绕组电阻,Zb—二次负荷阻抗(包括二次设备及连接导线),Ze—励磁阻抗.互感器'电流互感器的一次绕组和二次绕组绕在同一个磁路闭合的铁心上.如果一次绕组中有电流流过,将在二次绕组中感应出相应的电动势.在二次绕组为通路时,则在二次绕组中产生电流.此电流在铁心中产生的磁通趋于抵消一次绕组中电流产生的磁通.在理想条件下,互感器'电流互感器两侧的励磁安匝相等,二次电流与一次电流之比等于一次绕组与二次绕组匝数比。即：IpN1=IsN2Is＝Ip×N1/N2=Ip/Kn1.2.互感器'电流互感器极性标注互感器'电流互感器采用减极性标注的方法，即同时从一二次绕组的同极性段通入相同方向的电流时，它们在铁芯中产生的磁通方向相同。当从一次绕组的极性端通入电流时，二次绕组中感应出的电流从极性端流出，以极性端为参考，一二次电流方向相反，因此称为减极性标准。由于电流方向相反，且铁心中合成磁通为零。因此得下式：N1Ip-N2Is=0(本来励磁安匝的和为零，但考虑到两个电流的流动方向相对于极性端不同，因此两者为减的关系)。推出：Is=N1/N2*Ip可见，一二次电流的方向是一致的，是同相位的，因此我们可以用二次电流来表示一次电流（考虑变比折算）。这正是减极性标注的优点。1.3.互感器'电流互感器的误差在理想条件下，互感器'电流互感器二次电流Is＝Ip/Kn，不存在误差。但实际上不论在幅值上（考虑变比折算）和角度上，一二次电流都存在差异。这一点我们可以在图1中看到。实际流入互感器二次负载的电流Is＝Ip/Kn－Ie，其中Ie为励磁电流，即建立磁场所需的工作电流。这样在电流幅值上就出现了误差。正常运行时励磁阻抗很大，励磁电流很小，因此误差不是很大经常可以被忽略。但在互感器饱和时，励磁阻抗会变小，励磁电流增大，使误差变大。考虑到励磁阻抗一般被作为电抗性质处理，而二次负载一般为阻抗性质，因此在二次感应电势Es的作用下，Is和Ie不同相位，因此造成了一次电流Ip＝Is＋Ie与二次电流Is存在角度误差δ，且角误差与二次负载性质有关。图2表示了二次负载为纯阻性的情况。。图中，二次感应电势Es领先铁芯中磁通Фm90度。可以近似认为励磁电流Ie与Фm同相。Es加在Xct、Rct、Zb上产生二次电流Is。Is与Ie合成Ip。可见，图中Is与Ip不同相位，两者夹角即为角度误差。对互感器误差的要求一般为，幅值误差小于10％，角度误差小于7度。1.4.互感器'电流互感器的简单分类根据用途互感器'电流互感器一般可分为保护用和计量用两种。两者的区别在于计量用互感器的精度要相对较高，另外计量用互感器也更容易饱和，以防止发生系统故障时大的短路电流造成计量表计的损坏。根据对暂态饱和问题的不同处理方法，保护用互感器'电流互感器又可分为P类和TP类。P（protection，保护）类互感器'电流互感器不特殊考虑暂态饱和问题，仅按通过互感器的最大稳态短路电流选用互感器，可以允许出现一定的稳态饱和，而对暂态饱和引起的误差主要由保护装置本身采取措施防止可能出现的错误动作行为（误动或拒动）。TP（transientprotection，暂态保护）类互感器'电流互感器要求在最严重的暂态条件下不饱和，互感器误差在规定范围内，以保证保护装置的正确动作。对于其它类型的互感器，比如光互感器，电子式互感器'电流互感器等实际应用还很少，因此这里不作介绍。2.互感器'电流互感器的饱和前面我们讲到互感器'电流互感器的误差主要是由励磁电流Ie引起的。正常运行时由于励磁阻抗较大，因此Ie很小，以至于这种误差是可以忽略的。但当CT饱和时，饱和程度越严重，励磁阻抗越小，励磁电流极大的增大，使互感器的误差成倍的增大，影响保护的正确动作。最严重时会使一次电流全部变成励磁电流，造成二次电流为零的情况。引起互感器饱和的原因一般为电流过大或电流中含有大量的非周期分量，这两种情况都是发生在事故情况下的，这时本来要求保护正确动作快速切除故障，但如果互感器饱和就很容易造成误差过大引起保护的不正确动作，进一步影响系统安全。因此对于互感器'电流互感器饱和的问题我们必须认真对待。互感器的饱和问题如果进行详细分析是非常复杂的，因此这里仅进行定性分析。所谓互感器的饱和，实际上讲的是互感器铁心的饱和。我们知道互感器之所以能传变电流，就是因为一次电流在铁芯中产生了磁通，进而在缠绕在同一铁芯中上的二次绕组中产生电动势U＝4.44f*N*B*S×10-8。式中f为系统频率，HZ；N为二次绕组匝数；S为铁芯截面积，m2；B为铁芯中的磁通密度。如果此时二次回路为通路，则将产生二次电流，完成电流在一二次绕组中的传变。而当铁芯中的磁通密度达到饱和点后，B随励磁电流或是磁场强度的变化趋于不明显。也就是说在N,S,f确定的情况下，二次感应电势将基本维持不变，因此二次电流也将基本不变，一二次电流按比例传变的特性改变了。我们知道互感器的饱和的实质是铁芯中的磁通密度B过大，超过了饱和点造成的。而铁芯中磁通的多少决定于建立该磁通的电流的大小，也就是励磁电流Ie的大小。当Ie过大引起磁通密度过大，将使铁芯趋于饱和。而此时互感器的励磁阻抗会显著下降，从而造成励磁电流的再增大，于是又进一步加剧了磁通的增加和铁芯的饱和，这其实是一个恶性循环的过程。从图1中我们可以看到，Xe的减小和Ie的增加，将表现为互感器误差的增大，以至于影响正常的工作。铁芯的饱和我们可以一般可以分成两种情况来了解。其一是稳态饱和，其二为暂态饱和。对于稳态饱和，我们可以借助图一进行分析。在图中我们可以知道，Ie和二次电流Is是按比例分流的关系。我们假设励磁阻抗Ze不变。当一次电流由于发生事故等原因增大时，Ie也必然会按比例增大，于是铁芯磁通增加。如果一次电流过大，也会引起Ie的过大，从而又会走入上面我们所说的那种循环里去，进而造成互感器饱和。暂态饱和，是指发生在故障暂态过程中，由暂态分量引起的互感器饱和。我们知道，任何故障发生时，电气量都不是突变的。故障量的出现必然会伴随着或多或少的非周期分量。而非周期分量，特别是故障电流中的直流分量是不能在互感器一二次间传变的。这些电流量将全部作为励磁电流出现。因此当事故发生时伴有较大的暂态分量时，也会造成励磁电流的增大，从而造成互感器饱和。3.互感器'电流互感器的误差分析和计算当我们知道互感器'电流互感器的误差主要是由于励磁电流Ie引起的之后，就有必要根据实际运行情况来检验所使用的互感器'电流互感器的误差是否符合要求。互感器的误差包括角度误差和幅值误差。就继电保护专业而言，角度误差的测量过于繁复且实际情况下误差也极少出现超标的情况，我们更关注的是幅值的误差。我们一般要求一次电流Ip等于保护安装处可能的最大短路电流时，幅值误差小于等于10％，这也就说我们平时所说的10％误差分析中的要求。根据一般的电路原理我们可知，在图一中，为满足10％误差的要求（Ie小于等于10％的Ip/Kn），则必须保证励磁阻抗Ze大于等于9倍的二次回路总负载阻抗（Xct＋Rct＋Zb）。因此为了进行10％误差分析，我们必须知道保护安装处的最大短路电流、对应于该电流的互感器励磁阻抗值和互感器'电流互感器的二次回路总负载阻抗。下面我们分别进行讨论。3.1.励磁阻抗的测量励磁阻抗的测量试验就是我们平时所说的伏安特性试验，试验一般以图二所示的互感器简化