即电流互感器和电压互感器的结构

本章重点讲述测量用互感器，即电流互感器和电压互感器的结构、工作原理以及误差特性，并介绍了电流互感器和电压互感器的接线方式以及在使用中的注意事项等。对二次导线有源压降补偿的原理和使用以及电压断相计时仪的接线和使用作为选修内容进行了讲述。概述第四章测量用互感器第四章测量用互感器第一节电流互感器第二节电压互感器第三节二次导线有源压降补偿的原理和应用电压断相计时仪的界限和使用第一节电流互感器电流互感器由两个绕制在闭合铁芯上、彼此绝缘的绕组所组成。工作时，一次绕组与被测电路串联，二次绕组与仪表、继电器的电流线圈相串联，形成一个回路。由于这些电流线圈的内阻很小，因此电流互感器的二次侧接近于短路状态。二次绕组的额定电流一般为5A,也有1A和5A的。图4-1电流互感器原理结构图和接线图（a）原理结构图（b）接线图一、电流互感器的工作原理电流互感器的工作原理与普通变压器的工作原理基本相同。根据磁势平衡原理可以得到：忽略铁芯中的能量损耗理想电流互感器的一次电流I1等于仪表测得的二次电流I2乘以电流互感器的额定变比。第一节电流互感器一、电流互感器的工作原理正常工作时,电流互感器的工作状态和普通变压器的区别：最主要的区别是电流互感器的一次电流不随二次的负载变化,它仅取决于一次电路的电压和阻抗；电流互感器二次电路所消耗的功率随二次电路阻抗的增加而增加；因为接到二次电路都是些内阻很小的仪表,如电流表以及电能表的电流线圈等,所以其工作状态接近于短路状态。第一节电流互感器二、电流互感器的误差特性（一）电流互感器的比差和角差励磁安匝不为零，一次磁势安匝数不等于二次磁势安匝数。电流互感器存在着误差。电流互感器二次绕组的感应电动势滞后铁芯中磁通约900。忽略二次绕组的漏阻抗压降，认为。次回路负载的功率因数角为第一节电流互感器图4-2电流互感器的简化相量图二、电流互感器的误差特性二次安匝数旋转1800后（即）与一次安匝数相比较，大小不等，相位也不同，存在着两种误差，分别称之为比值误差和相角误差。比值误差简称比差，用公式表示为：第一节电流互感器二、电流互感器的误差特性相角误差简称角差，即二次安匝数旋转1800后（即）与一次安匝数之间的相位差，用表示，通常用“‘”(分)作为计量单位。电流互感器的比差和角差不仅与励磁电流有关，还与负载功率因数损耗角有关第一节电流互感器二、电流互感器的误差特性（二）电流互感器误差受工作条件的影响：1.一次电流的影响当电流互感器工作在小电流时，由于硅钢片磁化曲线的非线性影响，其初始的磁通密度较低，因而导磁率小，引起的误差增大。所以在选择电流互感器容量时，不能选得过大，以避免在小电流下运行。电流互感器误差与一次电流百分数的关系，称为电流特性。第一节电流互感器电流特性2.二次负载Zb的影响二次负载阻抗Zb增加时，由于一次电流I1不变，并假设负载功率因数不变，则二次电流I2减小。故比差及角差增大第一节电流互感器二次负载特性负载功率因数特性二、电流互感器的误差特性3.电源频率的影响频率降低时，将使减小，影响误差。电流互感器误差与频率的关系如图。第一节电流互感器频率特性二、电流互感器的误差特性二、电流互感器的误差特性第一节电流互感器表4-1电流互感器的误差特性相对与额定值的变化变比误差相角误差电流特性一次电流减小时-+负载特性负载减小时+-负载功率因数特性负载功率因数向迟后变化--电源频率变化频率降低时-+剩磁影响去磁时+-注:表中“+”号表示向正的方向变化;“-”号表示向负的方向变化。三、电流互感器误差的补偿方法为了减小误差，提高电流互感器测量的准确度，最有效的方法是尽可能的减小励磁电流I10。I10的大小取决于铁芯的材质、尺寸、线圈匝数以及二次负载的特性和大小。铁芯的导磁率越高，铁芯损耗越小，则励磁电流越小。缩短导磁体的长度，并增大铁芯的截面积，使磁阻减小，也能减小励磁电流。三种人工调节误差的方法：匝数补偿法二次绕组并联附加阻抗元件附加磁场第一节电流互感器三、电流互感器误差的补偿方法1.匝数补偿法改变二次绕组匝数，就可以改变电流互感器的电流变比。如将二次绕组匝数减少，使二次电流相应增大，补偿了励磁电流引起的负的比差。第一节电流互感器由于电流互感器往往要求补偿的比差不大，增加一匝时，比差调整范围太大，可采用分数匝补偿。图4-4分数匝补偿法三、电流互感器误差的补偿方法2.二次绕组并联附加阻抗元件改变电流互感器的负载，就改变了二次电流I2的大小和相位的关系，就可以改变电流互感器的误差。第一节电流互感器图4-5电流互感器二次并联附加阻抗（a）接线原理图（b）并联一般阻抗（c）并联电容元件（d）并联电感元件三、电流互感器误差的补偿方法3.附加磁场采用附加磁场法，人为地使铁芯磁化到相当于最大导磁率的程度。这时若要产生一定的磁通，励磁安匝数就可以相对减小，从而使误差降低。第一节电流互感器图4-6圆环磁分路补偿原理线路四、电流互感器的接线方式第一节电流互感器二相星形（V形）接线三相星形（Y形）接线五、电流互感器的选择和正确使用第一节电流互感器一、电流互感器的选择1.额定电压选择Ux≤UNUx—电流互感器安装处的工作电压UN—电流互感器的额定电压2.额定变比的选择长期通过电流互感器的最大工作电流应小于或等于互感器一次额定电流，最好使电流互感器在额定电流附近运行。五、电流互感器的选择和正确使用3.准确度等级的选择依据电流互感器在额定工作条件下所产生的比值误差，规定了准确度等级。装设在线路、变压器、发电厂的电能表、用户计费电能表及所有测量仪表，一般均应选择准确度等级不低于0.5级的电流互感器。对于计量发电机发出的电能及用电量大的用户，应采用准确度不低于0.2级的电流互感器。0.1级以上的电流互感器，主要用于实验室进行精密的测量或者作为标准互感器，用来校验低准确度等级的电流互感器。第一节电流互感器五、电流互感器的选择和正确使用4.额定容量的选择而I2N一般为5A，所以二次负载容量S2主要取决于表计的阻抗、接头接触电阻以及导线电阻第一节电流互感器五、电流互感器的选择和正确使用第一节电流互感器例4-1某用户用作电能计量的电流互感器为LGF型，其额定容量S2N=15VA，二次回路接有电流表、功率表、有功电能表。互感器至主控制室的铜导线40m，电流互感器采用V形接线。试确定其二次导线的截面积。仪表名称电流互感器二次负载（VA）A相C相电流表30有功功率表0.750.75无功功率表0.750.75有功电能表1.51.5共计6.03.0解已知电流互感器二次负载容量的分配情况如表4-3所示.表4-3电流互感器二次负载容量的分配情况五、电流互感器的选择和正确使用第一节电流互感器最大一相负载容量为6.0VA，所以以此来选定二次导线截面。取接触电阻RK=0.1Ω。所以选用截面为6mm2的铜导线五、电流互感器的选择和正确使用（二）使用电流互感器时应注意的问题1.运行中的电流互感器二次侧严禁开路根据磁势平衡方程式,二次侧开路,一次电流完全成为励磁电流,致使铁芯磁通急剧增加。磁通密度由正常时的0.06~0.1T急剧增大到1.4~1.8T，于是感应电动势很高。此时二次绕组将会出现峰值达数千伏的高压，会危及人身安全、损坏仪表和互感器二次绕组的绝缘。此外，铁芯磁通密度增大，铁芯损耗也增大，从而使电流互感器的铁芯和绕组严重发热而烧坏。第一节电流互感器（二）使用电流互感器时应注意的问题第一节电流互感器2.电流互感器绕组应按减极性连接电流互感器一次绕组以及二次绕组的端子上有极性标志。从电流互感器一次绕组和二次绕组的同级性端子（L1、K1、L2、K2）来看，电流I1和I2的方向是相反的。3.电流互感器二次侧应可靠接地为防止由于电流互感器一次绕组与二次绕组之间的绝缘击穿时，二次回路串入高压而危及人身安全和损坏设备，二次回路必须设置保护接地，而且只允许有一个接地点，在接近电流互感器端子的箱内，经端子接地。五、电流互感器的选择和正确使用第二节电压互感器工作时，一次绕组与被测电压并联，二次绕组与仪表、继电器的电压线圈相并联，形成一个回路由于电压线圈的内阻很大，电压互感器在接近于空载的状态下工作。正常情况下，电压互感器三个线电压都是100V。图4-8电压互感器的原理结构图和接线图（a）原理结构图（b）接线图一、工作原理和误差特性第二节电压互感器将电压互感器二次绕组阻抗折算到一次侧后，可以得到T形等值电路图和相量图：图4-9电压互感器T形等值电路图图4-10电压互感器相量图一、工作原理和误差特性第二节电压互感器忽略励磁电流和负载电流在一、二次绕组中产生的压降，得到：这是理想电压互感器的电压变比，称为额定变比，即理想的电压互感器一次绕组电压U1与二次绕组电压U2的比值是个常数，等于一次绕组和二次绕组的匝数比。一、工作原理和误差特性第二节电压互感器实际上，电压互感器存在着铁损和铜损，绕组中会产生阻抗压降。比值误差简称比差。比差fU等于折算到一次回路的二次电压与实际一次电压的差值相角误差简称角差δU，是指一次电压与旋转1800后二次电压之间的相位差，单位为“’”（分）一、工作原理和误差特性第二节电压互感器电压互感器铁芯材料导磁率和铁芯结构影响励磁电流的大小,铁芯结构还影响线圈的匝数及长度。电压互感器的比差和角差受励磁电流，一、二次绕组阻抗以及二次负载的大小和功率因数的影响。图4-11误差与二次负载的关系（a）比差特性（b）角差特性一、工作原理和误差特性第二节电压互感器提高电压互感器的测量精度，减少误差的方法：选择合适的材料更重要的是减小绕组的电阻。采用附加绕组补偿法图4-12附加绕组补偿法原理接线图二、电压互感器的接线方式第二节电压互感器图4-13电压互感器接线方式图（a）V形接线（b）Y形接线三、电压互感器的选择和正确使用第二节电压互感器1.额定电压的选择2.准确度等级的选择电能计量用的电压互感器，应选用0.2级或0.5级。3.额定容量的选择SPhmax—二次负载最大一相消耗的视在功率，VASNPh—电压互感器每相额定容量，VA使用电压互感器时应注意的问题：第二节电压互感器按要求的相序进行接线，防止接错极性，否则将引起某一相电压升高√3倍，可能烧坏电压互感器。电压互感器二次侧应可靠接地，以保证人身和仪表安全。电压互感器二次侧严禁短路。四、电压互感器的二次负载的估算电压互感器的误差受二次负载的影响很大，为了保证测量的准确度，二次负载的容量必须给予估算。电压互感器接线方式的不同以及负载接线方式的不同，二次负载估算的公式也不相同。现以三相Yy形接线方式的电压互感器和形接线方式的负载连接为例，估算其二次容量。第二节电压互感器四、电压互感器的二次负载的估算第二节电压互感器已知与a相互感器有关的负载容量Sab,Sac及相应电流图4-14电压互感器为Yy形接线方式，负载为接线方式（a）接线图（b）相量图四、电压互感器的二次负载的估算第二节电压互感器若负载的伏安数Sab、Sac代替相应的电流Iab、Iac，则四、电压互感器的二次负载的估算第二节电压互感器例4-2已知发电机的测量回路用的电压互感器采用Yy形连接，负载为V形连接。回路中有功功率表两只#无功功率表一只，有功电能表一只，电压表一只。测量仪表的技术数据如表4-6所示仪表名称消耗功（VA）有功功率表0.751无功功率表0.751有功电能表1.50.38频率表21电压表51表4-6测量仪表的技术数据试计算电压互感器的二次容量。第二节电压互感器四、电压互感器的二次负载的估算（解）电压互感器各相的负载分配如表4-7所示表4-7电压互感器各相的负载分配情况仪表名称数量AB相BC相Pab（W）Qab（Var）Pcb（W）Qcb（Var）有功功率表22×0.75=1.502×0.75=1.50无功功率表10.7500.750有功电能表11.5×0.38=0.571.5×0.925=1.390.751.39频率表10020电压表15000合计7.821.394.821.39第二节电压互感器四、电压互感