第四章 互感器的结构和工作原理

第四章互感器的结构和工作原理第一节电流互感器的结构和工作原理第二节电压互感器的结构和工作原理第三节光电式互感器的结构和原理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电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二、电流互感器的结构和工作原理三、电流互感器的接线方式四、电流互感器的正确使用五、各种类型的电流互感器一、电流互感器的主要技术数据（－）电流互感器分类（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（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。（5）根据电流互感器工作原理可分为电磁式、光电式、电子式等电流互感器。一、电流互感器的主要技术数据（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：一、电流互感器的主要技术数据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4-l所示一、电流互感器的主要技术数据（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。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。2．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。一、电流互感器的主要技术数据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S2e4．额定电压是指一次绕组长期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。一、电流互感器的主要技术数据5．极性标志（1）一次绕组首端标为L1，末端标为L2。当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……一、电流互感器的主要技术数据（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。一、电流互感器的主要技术数据二、电流互感器的结构和工作原理（一）电流互感器的结构基本结构与普通变压器相似，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。•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多于一次绕组的匝数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。二、电流互感器的结构和工作原理（二）工作原理和特性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。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。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：1221ee二、电流互感器的结构和工作原理（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。二、电流互感器的结构和工作原理（三）电流互感器的误差特性电流互感器铁芯和绕组中存在损耗，所以，实际电流互感器存在着误差。图4-3是电流互感器的简化相量图二、电流互感器的结构和工作原理由相量图4-3中得到，二次安匝数i2N2旋转180o（即-i2N2）与一次安匝数i1N1的相量相比较，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。比值误差简称比差，用fI表示。它等于%100%100%100112111122KKKKf二、电流互感器的结构和工作原理相位角误差简称角差。它是旋转180o后的二次磁动势安匝数与一次磁动势安匝数之间的相位差，用δI表示从相量图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，其中因为AC＝OC－OA＝I1N1－I2N2，所以%100)sin(%100)sin(%1002110112110111122f)sin()](90cos[21102110NINIACo二、电流互感器的结构和工作原理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。112110112110)cos()](90sin[sinoOBBC二、电流互感器的结构和工作原理三、电流互感器的接线方式1．两相星形（V形）连接优点：（1）节省导线。（2）能利用接线方法取得第三相电流，一般为B相电流。缺点：（1）现场用单相方法校验时，由于实际二次负载与运行时不一致，有时必须要采用三相方法（或其他类似方法），给校验工作带来一些困难。（2）由于有可能其中一相极性接反，公共线电流变成差电流，使错误接线机率相对地较多一些。三、电流互感器的接线方式2．分相连接优点是：（1）现场用单相方法校验与实际运行时负载相同。（2）错误接线机率相对地少些。缺点是:增加了一根导线。三、电流互感器的接线方式3．三相星形（Y形）连接这种接线方法不允许断开公开接线，否则影响计量精度（因为零序电流没有通路）。三、电流互感器的接线方式四、电流互感器的正确使用1．电流互感器的选择（1）额定电压的选择电流互感器的额定电压必须满足下列件:Ux≤Ue（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，即Ix≤I1e，但不宜使互感器经常工作在额定一次电流的1／3以下。（3）准确度等级的选择在发电厂、变电站、电力用户运行中的电能计量装置按其所计量的电量不同和计量对象的重要程度分五类（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）进行管理。对Ⅰ、Ⅱ类计量对象互感器应采用0.2级，对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类计量对象互感器应采用0.5级，0.1级以上互感器，主要用于实验室进行精密测量或用来校验低等级的电流互感器。四、电流互感器的正确使用（4）额定容量的选择与计算•电流互感器的额定容量S2e＝I22eZb，Zb为互感器二次额定负载阻抗。接入互感器的二次负载容量S2应满足0.25S2e≤S2≤S2e•由于电流互感器二次额定电流I2e已标准化，一般为5A。所以二次负载容量的计算主要决定于负载阻抗Zb的计算。Zb包括表计阻抗Zm、接头的接触电阻Rk（一般取0.01～0.5Ω）以及导线电阻。•负载阻抗中前二者为确定值，唯有导线电阻为不定值。导线的计算长度决定于测量仪表与电流互感器的电气距离和电流互感器的连接方式。四、电流互感器的正确使用1）分相连接时二次负载阻抗的计算。导线电阻RL前面的系数K称为接线系数，在这里K＝2LkmLkmbRRZKRRZZ2四、电流互感器的正确使用2）二相星形连接时二次负载阻抗的计算。从图4-6中看出，A相电流互感器的二次电压为所以电流互感器二次负载为其中K＝bakaLjamakaLbamaLbkLmaaZIRIReIZIRIRIIZIRIRRZIU0303)()(kLmRRZIUZ3223四、电流互感器的正确使用3）三相星形连接时二次负载阻抗的计算。同理分析，可得到Zb＝Zm＋RL＋RK其中K＝1，设三相电流平衡，所以IN＝0四、电流互感器的正确使用2．使用电流互感器应注意的问题（1）运行中的电流互感器二次绕组不允许开路。（2）电流互感器绕组应按减极性连接。（3）电流互感器二次侧应可靠接地。四、电流互感器的正确使用第二节电压互感器的结构和工作原理一、电压互感器的主要技术数据二、工作原理三、电压互感器的正确使用四、电压互感器二次负载的计算一、电压互感器的主要技术数据（－）电压互感器的分类1．按用途分类按用途分为测量用电压互感器和保护用电压互感器，这两种电压互感器，又可分为单相电压互感器和三相电压互感器。2．根据安装地点分类按安装地点分为户内型电压互感器和户外型电压互感器。3．根据电压变换原理分类（1）电磁式电压互感器，以电磁感应来变换电压；（2）电容式电压互感器，以电容分压来变换电压；（3）光电式电压互感器，以光电元件来变换电压。一、电压互感器的主要技术数据4．根据结构不同分类（l）单级式电压互感器，一次绕组和二次绕组均绕在同一个铁芯柱上。（2）串级式电压互感器，一次绕组分成匝数相同的几段，各段串联起来，一端子连接高压电路，另一端子接地。一、电压互感器的主要技术数据（二）电压互感器的型号规定目前，国产电压互感器型号编排方法如下：电压互感器在特殊使用环境的代号，主要有以下几种：CY一船舶用；GY一高原地区用；W一污秽地区用；AT—干热带地区用；TH一湿热带地区用。一、电压互感器的主要技术数据电压互感器型号中的字母，都用汉语拼音字母表示，字母排列顺序及其对应符号含义如表4-3所示。一、电压互感器的主要技术数据（三）电压互感器的主要参数1．绕组的额定电压额定一次电压是指可以长期加在一次绕组上的电压，其值应与我国电力系统规定的“额定电压”系列相一致。额定二次电压，我国规定接在三相系统中相线与相线之间的单相电压互感器为100V，对于接在三相系统相与地间的单相电压互感器，为V。3/100一、电压互感器的主要技术数据2．额定电压变比额定电压变比为额定一次电压与额定二次电压之比，一般用不约分的分数形式表示3．额定二次负载电压互感器的额定二次负载，为确定准确度等级所依据的二次负载导纳（或阻抗）值。一、电压互感器的主要技术数据4．准确度等级国产电压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级。用户电能计量装置通常采用0.2级和0.5级电压互感器5．极性标志为了保证测量及校验工作的接线正确，电压互感器一次及二次绕组的端子应标明极性标志。电压互感器一次绕组接线端子用大写字母A、B、C、N表示，二次绕组接线端子用小写字母α、b、c、n表示。一、电压互感器的主要技术数据二、工作原理（一）工作原理电压互感器的工作原理、结构和接线方式与普通变压器相似，同样是由相互绝缘的一次、二次绕组绕在公共的闭合铁芯上组成，如图4-14所示。其主要区别是二者容量不同，且电压互感器是在接近空载的状态下工作。电压互感器将高电压变为低电压供电给仪表，所以它的一次匝数N1多，二次匝数N2少。一次绕组与被测电压并联，二次绕组与各种测量仪表或继电器的电压线圈相并联。电压互感器在电气图中文字符号用TV表示。电压互感器T形等值电路图和相量图如图4-15和图4-16所示二、工作原理电压互感器存在着比差和角差•比差用表示，它等于•相角差简称角差，是指一次电压与旋转180o后二次电压相量间的相位差，用δU表示，单位为“′”（分）。当旋转后的二次电压超前于一次电压相量时，角