互感器的结构和工作原理

1互感器的结构和工作原理电力系统要安全经济运行，必须装设一些测量仪表，以测量电路中各种电气量，如电压、电流、功率、电能等。我们经常还会遇到测量要求较高电压和较大电流的各种电气量。为了更方便更正确地获得这种被测量的数值，必须使用互感器。互感器的主要作用有：（1）将高电压变为低电压（100V），大电流变为小电流（5A）。（2）使测量二次回路与一次回路高压和大电流实施电气隔离，以保证测量工作人员和仪表设备的安全。（3）采用互感器后可使仪表制造标准化，而不用按被测量电压高低和电流大小来设计仪表。（4）取出零序电流、电压分量供反应接地故障的继电保护装置使用。第一节电流互感器的结构和工作原理一、电流互感器的主要技术数据（－）电流互感器分类目前，电流互感器的分类按不同情况划分如下：（1）电流互感器按用途可分为两类：一是测量电流、功率和电能用的测量用互感器；二是继电保护和自动控制用的保护控制用互感器。（2）根据一次绕组匝数可分为单匝式和多匝式，如图4-1所示。单匝式又分为贯穿型和母线型两种。贯穿型互感器本身装有单根铜管或铜杆作为一次绕组；母线型互感器则本身未装一次绕组，而是在铁芯中留出一次绕组穿越的空隙，施工时以母线穿过空隙作为一次绕组。通常油断路器和变压器套管上的装入式电流互感器就是一种专用母线型互感器。（α）（b）（c）图4-1电流互感器的结构原理（α）单匝式；（b）多匝式；（c）具有两个铁芯式（3）根据安装地点可分为户内式和户外式。（4）根据绝缘方式可分为干式，浇注式，油浸式等。干式用绝缘胶浸渍，适用于作为低压户内的电流互感器；浇注式用环氧树脂作绝缘，浇注成型；油浸式多为户外型。（5）根据电流互感器工作原理可分为电磁式、光电式、磁光式、无线电式电流互2感器。（二）电流互感器的型号规定目前，国产电流互感器型号编排方法规定如下：产品型号均以汉语拼音字母表示，字母含义及排列顺序见表5-l。表4-1电流互感器型号字母含义第一个字母第二个字母第三个字母第四个字母第五个字母字母含义字母含义字母含义字母含义字母含义L电流互感器A穿墙式C瓷绝缘B保护级D差动保护B支持式G改进的D差动保护C瓷箱式J树脂浇注J加大容量D单匝式K塑料外壳Q加“强”式F多匝式L电容式绝缘Z浇注绝缘J接地保护M母线式M母线式P中频Q线圈式S速饱和R装入式W户外式Y低压的Z浇注绝缘Z支柱式（三）电流互感器的主要参数1．额定电流变比额定电流变比是指一次额定电流与二次额定电流之比（有时简称电流比）。额定电流比一般用不约分的分数形式表示，如一次额定电流I1e和二次额定电流I2e分别为100、5A，则KI＝I1e/I2e＝100/5所谓额定电流，就是在这个电流下，互感器可以长期运行而不会因发热损坏。当负载电流超过额定电流时，叫作过负载。如果互感器长期过负载运行，会把它的绕组烧坏或缩短绝缘材料的寿命。2．准确度等级由于电流互感器存在着一定的误差，因此根据电流互感器允许误差划分互感器的准确度等级。国产电流互感器的准确度等级有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2．0.5、1.0、3.0、5.0、0.2S级及0.5S级。30.1级以上电流互感器，主要用于试验室进行精密测量，或者作为标准用来检验低等级的互感器，也可以与标准仪表配合，用来检验仪表，所以也叫作标准电流互感器。用户电能计量装置通常采用0.2级和0.5级电流互感器，对于某些特殊要求（希望电能表在0.05～6A之间，即额定电流5A的1％～120％之间的某一电流下能作准确测量）可采用0.2S级和0.5S级的电流互感器。3．额定容量电流互感器的额定容量，就是额定二次电流I2e通过二次额定负载Z2e时所消耗的视在功率S2e，所以S2e＝I2e2Z2e一般情况I2e＝5A，因此，S2e＝52Z2e＝25Z2e，额定容量也可以用额定负载阻抗Z2e表示。电流互感器在使用中，二次连接线及仪表电流线圈的总阻抗，不能超过铭牌上规定的额定容量且不低于1／4额定容量时，才能保证它的准确度。制造厂铭牌标定的额定二次负载通常用额定容量表示，其输出标准值有2.5、5、10、15、25、30、50、60、80、100V·A等。4．额定电压电流互感器的额定电压，是指一次绕组长期对地能够承受的最大电压（有效值）。它只是说明电流互感器的绝缘强度，而和电流互感器额定容量没有任何关系。它标在电流互感器型号后面。例如LCW－35，其中“35”是指额定电压，它以kV为单位。5．极性标志为了保证测量及校验工作的接线正确，电流互感器一次和二次绕组的端子应标明极性标志。（1）一次绕组首端标为L1，末端标为L2。当多量限一次绕组带有抽头时，首端标为L1，自第一个抽头起依次标为L2，L3……。（2）二次绕组首端标为K1，末端标为K2。当二次绕组带有中间抽头时，首端标为K1，自第一个抽头起以下依次标志为K2，K3……。（3）对于具有多个二次绕组的电流互感器，应分别在各个二次绕组的出线端标志“K”前加注数字，如1K1，1K2，1K3……；2K1，2K2，2K3……。（4）标志符号的排列应当使一次电流自L1端流向L2端时，二次电流自K1流出，经外部回路流回到K2。从电流互感器一次绕组和二次绕组的同极性端子来看，电流I1、I2的方向是相反的，这样的极性关系称为减极性，反之称为加极性。电流互感器一般都按减极性表示。二、电流互感器的结构和工作原理（一）电流互感器的结构目前，电力系统中使用的电流互感器一般为电磁式，其基本结构与一般变压器相似，由两个绕制在闭合铁芯上、彼此绝缘的绕组（一次绕组和二次绕组）所组成，其匝数分别为N1和N2，如图4-2所示。一次绕组与被测电路串联，二次绕组与各种测量仪表或继电器的电流线圈相串联。4电力系统中，经常将大电流I1变为小电流I2进行测量，所以二次绕组的匝数N2大于一次绕组的匝数N1。电流互感器的二次额定电流一般为5A，也有1A和0.5A的。电流互感器在电气图中文字符号用TA表示。（α）（b）图4-2电流互感器原理结构图和接线图（α）原理结构图；（b）接线图（二）工作原理和特性电流互感器的工作原理与一般变压器的工作原理基本相同。当一次绕组中有电流1I通过时，一次绕组的磁动势11I产生的磁通绝大部分通过铁芯而闭合，从而在二次绕组中感应出电动势2E。如果二次绕组接有负载，那么二次绕组中就有电流2I通过，有电流就有磁动势，所以二次绕组中由磁动势22I产生磁通，这个磁通绝大部分也是经过铁芯而闭合。因此铁芯中的磁通是由一、二次绕组的磁动势共同产生的合成磁通，称为主磁通。根据磁动势平衡原理可以得到1102211III（4-1）式中110I——励磁磁动势。如果忽略铁芯中各种损耗，可认为010I，则02211II2211NINI（4-2）这是理想电流互感器的一个很重要的关系式，即一次磁动势安匝等于二次磁动势安匝，且相位相反。进一步化简式（4-2），得到51221ee（4-3）即理想电流互感器两侧的额定电流大小和它们的绕组匝数成反比，并且等于常数KI，称为电流互感器的额定变比。电流互感器的基本工作原理、结构型式与普通变压器相似，但是电流互感器的工作状态与普通变压器有显著的区别：（1）电流互感器的一次电流（I1）取决于一次电路的电压和阻抗，与电流互感器的二次负载无关，即当二次负载变化时，例如多串几只电流表或少串几只电流表，不能改变其一次电流值的大小。（2）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大，即S2＝I22eZb。（3）电流互感器二次电路的负载阻抗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。普通电流互感器的铁芯通常制成芯式，材料是优质硅钢片。为了减小涡流损耗，片与片之间彼此绝缘。准确度级别高的实验室用电流互感器铁芯是用坡莫合金制成，其截面为环形，这种合金具有较高的起始导磁率以及很小的损耗。（三）电流互感器的误差特性及补偿方法前面提出的理想电流互感器实际是不存在的，即励磁安匝101I不为零，一次磁动势安匝数不等于二次磁动势安匝数，在铁芯和绕组中存在损耗，所以，实际电流互感器是存在着误差。图4-3是电流互感器的简化相量图，电流互感器二次绕组的感应电动势2E迟后铁芯中磁通约90o。忽略二次绕组的漏阻抗压降，认为22EU，二次回路负载的功率因数角为φ2。由相量图4-3中得到，二次安匝数22I旋转180o后（即﹣22I）与一次安匝数的相量11I相比较，其大小不等，相位也不同，即存在着两种误差，分别称为比值误差和相角误差。6图4-3电流互感器的简化相量图比值误差简称比差，用fI表示。它等于%100%100%100112111122KKKKf（4-4）式中I1——实际的一次电流；I2——实际的二次电流；KI′——实际的电流变比；KI——额定电流变比。由式（4-4）可知，实际的二次电流乘以额定变比KI后，如果大于一次电流，比差为正值。反之，则为负值。相位角误差简称角差。它是旋转180o后的二次磁动势安匝数22I与一次磁动势安匝数11I之间的相位差，用δI表示，通常用“′”（分）作为计算单位。若22I超前11I，角差为正值；若迟后，角差为负值。从相量图4-3中可求出比差与角差的公式，因为δI很小，所以认为OB＝OC＝I1N1，其中)sin()](90cos[21102110NINIACo因为AC＝OC－OA＝I1N1－I2N2，所以%100)sin(%100)sin(%1002110112110111122f（4-5）式（4-5）中的负号表示I2N2小于I1N1，即比差一般情况下为负值；θ为电流铁芯中的损耗角；φ2为电流互感器二次负载的功率因数角。7又因为11211011211011)cos()](90sin[sinoBC通常δI很小，可以认为sinδI＝δI8343)cos(21110（4-6）因为δI的单位为“′”，所以将度化为分的公式是834360180。在三角形ABC中，若将AB以I10/I1取代，则I10/I1的垂直分量相当于角差δI，水平分量相当于比差fI。式（4-5）和式（4-6）表明：电流互感器的比差与角差的大小与励磁电流I10、负载功率因数φ2、损耗角θ有关。互感器误差还受到工作条件的影响：（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μ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。图4-4（a）示出了误差与一次电流（图中以百分数表示）的关系，称为电流特性。图4-4电流互感器的误差特性8（α）电流特性；（b）二次负载特性；（c）负载功率因数特性；（d）频率特性（2）二次负载的影响。二次负载阻抗Zb增加（如多接几只仪表），由于一次电流I1不变（即I1N1不变），当Zb增加时（设负载功率因数cosφ2不变），则二次电流I2（即I2N2）减小，根据磁动势平衡方程1102211III，则110I增加，因而比差及角差增大。当二次负载功率因数角φ2增加时，比差fI增大，见式（4-5），而角差δI减小，见式（4-6）；反之亦然。但此部分比差和角差的变化很小，在实用中对准确度等级低的互感器而言可以忽略不计。电流互感器误差与负载变化之间的关系如图4-4（b）和（c）所示。（3）电源频率的影响。式（4-5）和式（4-6）是在频率为50HZ下求得的。频率降低时，将使φ2等减小，影响误差。其相互关系如图4-4（d）所示。根据上述情况，电流互感器误差特性变化可归纳于表4-2中。表4-2电流互感器误差特性相对于额定值的变化比差角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