电流互感器工作原理

电流互感器1、原理一次电流I１流过一次绕组，建立一次磁动势（N1I1），亦被称为一次安匝，其中N1为一次绕组的匝数；一次磁动势分为两部分，其中小一部分用于励磁，在铁心中产生磁通，另一部分用来平衡二次磁动势（N2I2），亦被称为二次安匝，其中N2为二次绕组的匝数。励磁电流设为I0，励磁磁动势（N1I0），亦被称为励磁安匝。平衡二次磁动势的这部分一次磁动势，其大小与二次磁动势相等，但方向相反。磁势平衡方程式如下：120121INININ在理想情况下，励磁电流为零，即互感器不消耗能量，则有12120ININ若用额定值表示，则1212NNININ其中1NI，2NI为一次、二次绕组额定电流。额定一次、二次电流之比为电流互感器额定电流比，12NNNIKIP11IP22IZB电流互感器工作原理0E211IN22IN22IN01IN电流互感器的等值电路如下图所示：Z1Z21I2I0IZM2UZB'1E2E根据电工原理，励磁电流在铁心中建立主磁通，它穿过一次、二次绕组的全部线匝。由于互感器铁心有磁滞和涡流损耗，励磁电流的一部分供给这些损耗，称为有功部分，另一部分用于励磁，称为无功部分。所以励磁电流与主磁通相差角，这个角称为铁损角。主磁通在二次绕组中感应出电动势2E，相位相差90（滞后）；则：222()BEIZZ式中Z2---二次绕组的内阻抗，Z2=R2+ｊＸ2ZB―――二次负荷，ZB＝RＢ+ｊＸＢ二次电流的相位滞后于二次感应电动势角。22arctanBBXXRR一次电流1I是（2I）和0I之和，一次电流与（2I）相差角。可见由于励磁电流0I的存在，一、二次电流在变换的大小和相位上都存在差别，这就是互感器的误差。特别要注意，电流互感器在运行中不允许开路，如果二次开路，二次电流2I为零，一次安匝全部用于励磁，铁心高度饱和，励磁磁通由正弦波变为平顶波，二次感应电动势变为峰值很高的尖顶波，对人身和设备将造成危害。二、电流互感器的分类1、分类分类说明按用途分保护用（用于机电保护和自动控制装置的电流互感器）测量用（测量电流和电能的电流互感器）按安装种类分户内式（一般额定电压不高于35kV）户外式（一般额定电压高于35kV）按绝缘介质分油绝缘（即油浸式电流互感器，电压可高达500kV）浇注绝缘（以环氧树脂浇注成型，多在35kV以下使用）一般干式绝缘（由普通绝缘材料包扎，经浸渍漆处理的，有塑料外壳和无塑料外壳的电流互感器，多数为低压电流互感器）瓷绝缘（多数已被浇注绝缘取代）气体绝缘（如SF6气体作为绝缘的，多用于高压和超高压）按结构形式分贯穿式：单匝、多匝贯穿式支柱式母线式：用于大电流场合，一次绕组只有一匝。套管式：安装在变压器或断路器套管的中间法兰处，主绝缘是套管，一次绕组是导电杆，一次绕组只有一匝正立式：二次绕组在下部，国内高压油浸式电流互感器常用结构。详见“白”P57倒立式：二次绕组在上部，一次绕组较短，瓷套较细，多用于SF6气体作为绝缘。2、电流互感器型号组成特殊使用环境代号电压等级设计序号产品型号字母下表为部分电流互感器型号代表字母表电流互感器型号代表字母及涵义分类涵义代表字母分类用途涵义代表字母用途电流互感器L绕组外绝缘介质变压器油空气（干式）气式瓷式浇注成型固体--GQC结构形式套管式（装入式）支柱式RZ线圈式贯穿式（复匝）贯穿式（单匝）母线型开合式倒立式链型QFDMKVA绝缘“壳”ZK结构特征及用途带保护级带保护级（暂“态”误差）BBT油保护方式带金属膨胀器不带金属膨胀器--N特殊使用环境代号主要有以下几种：GY----高原地区使用；W---污秽地区使用（W1、W2、W3对应污秽等级为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）；TA----干热带地区使用；TH----湿热带地区使用。三、电流互感器的电气特性1、术语A、额定电流：电流互感器的误差性能、发热性能和过流性能都是以额定电流为基数作出的相应规定的。对一、二次绕组而言，就是额定一、二次电流。电力系统额定二次电流一般为1A、5A。B、额定电流比：额定一、二次电流之比KN=12NNIIC、额定二次负荷；确定互感器的准确级所依据的二次负荷。通常以视在功率VA表示。SN=22NBIZ2、电流互感器的误差特性2．1误差的定义A、电流误差GB1208-87对电流误差的定义是211100%NKIII从电流互感器的原理知道，由于励磁电流的存在，二次电流乘以额定电流比总是小于实际一次电流，所以电流互感器的误差总是负值，只有采取了补偿以后，才可能出现正值电流误差。B、相位误差GB1208-87对相位误差的定义是：电流互感器的一次、二次电流相量的相位之差。从电流互感器相量图中可以看出，相位差是二次电流反转180后与一次电流的相角之差。二次电流相量反转180后超前于一次电流相量时，相位差为正值，通常以“分”或“厘弧度”表示。1弧度（rad）=100厘弧度（crad）=3438分特别注意相位差的定义只是在电流为正弦波形时是正确的。C、复合误差当电流互感器通过很大电流时，铁心的磁通密度很高，励磁电流的波形畸变，二次电流也不再是正弦波，这时需要引入复合误差的概念。GB1208-87对复合误差的定义是：在稳态时下列两个值之差的有效值为复合误差1）一次电流瞬时值2）二次电流瞬时值与额定电流比的乘积。复合误差以下式计算：221011001%()TNKiidtITD、仪表保安系数仪表保安系数是针对测量用电流互感器的。仪表保安系数是额定仪表保安电流与额定一次电流之比。额定仪表保安电流是二次负荷为额定负荷时复合电流小于10%的最小一次电流值。保护用和测量用电流互感器对复合误差的要求不同，保护用电流互感器在过流时要求复合误差误差要小，便于保护检测，而测量用电流互感器在过流时要求复合误差误差要大，便于保护二次仪表、电能表。2、2保护用电流互感器误差（详见“白”P55~58）GB1208-87对保护用电流互感器的误差要求如下：机电保护用电流互感器的误差极限准确级比值误差（%，额定一次电流时）角误差（额定一次电流时）复合误差（%，额定准确极限一次电流时）（）crad5P1601.8510P3----10随着高压、超高压和特高压电网的发展和电网传输容量加大，普通保护用电流互感器已经不能满足要求；提出保证暂态误差的电流互感器的概念。“暂态—保护”类电流互感器的铁心要求、误差极限要求如下表：类别铁心要求额定一次电流准确极限时误差比值误差（%）角误差（）角误差crad暂态误差（%）TPS低漏磁型互感器，闭合铁心，铁心剩磁未作规定。0.25-----TPX闭合铁心，铁心剩磁未作规定。0.25300.910TPY剩磁不超过饱和磁通10%的互感器，小气隙环型铁心。1601.810TPZ无剩磁互感器，大气隙11804.7-5.10环型铁心。82、3电流互感器的误差影响因素根据误差定义和相量图，误差计算公式如下：比值差：0111sin()100%INfIN相位差：0111cos()3440ININ转换成互感器的参数和负荷的关系上，则变为下面的公式：422211222()10sin()100%222()45()sin()100%BBIZZLfNSINZZLNS422211222()10cos()3440222()45()cos()3440BBIZZLNSINZZLNS式中I2-----二次电流Z2---二次绕组内阻抗（）ZB------二次负荷阻抗N2----二次绕组匝数L-----平均磁路长度（cm）S------铁心截面积（cm2）------铁心材料的磁导率（H/cm）I1N1----一次绕组安匝（A）电流互感器的误差影响因素主要有以下六项：A、电流对误差的影响B、绕组的匝数对误差的影响C、平均磁路长度对误差的影响D、铁心截面积对误差的影响E、铁心材料对误差的影响F、二次负荷对误差的影响2．3．1电流对误差的影响当电流增大时，铁心的磁密按比例增大，这是铁心的磁导率和损耗角也随着增大，根据误差计算公式看出分母增加，电流互感器误差随着减小。但Sin（+）增大，cos（+）减小，因此电流互感器误差减小的少，相位差减小的多。2．3．2绕组的匝数对误差的影响从公式中可以看出，误差与二次绕组的匝数的平方成反比，增加了二次绕组的匝数能够减小误差；但增加了二次绕组的匝数，同时增加了二次绕组的内阻抗，在一定程度上限制了误差的减小；根据21NNKN，同时也要增加一次绕组的匝数，从制造工艺和节省铜材的角度，一次绕组应尽量少，多采用单匝；这种设计但当一次电流较小时，误差迅速增大，有时无法满足准确度等级要求。2．3．3平均磁路长度对误差的影响减小平均磁路长度，误差随着减小；并且可以节省铁心材料。磁路长度取决于铁心窗口的大小，缩小铁心窗口的面积，可以缩短磁路长度，但要保证一次、二次绕组以及它们之间的绝缘。2．3．4铁心截面积对误差的影响铁心截面积与误差成反比，一般来讲，增加铁心截面积可以减小误差，但是铁心截面积增加同时，增加了磁路长度，同时增加了二次绕组的阻抗，这些都大大的限制了误差的减小。2．3．5铁心材料对误差的影响铁心的磁导率与误差成反比。提高铁心的磁导率，可以缩小铁心的尺寸。一般来讲，铁心材料愈好，铁心的尺寸亦愈小，互感器价格就低。用于电流互感器的铁心材料一般选高磁导率的材料.如坡莫合金、非晶、超微晶合金材料、微晶高导铁氧体簿和冷、热轧硅钢片等。2．3．6二次负荷对误差的影响从误差公式中可以看出，误差与二次负荷成一定的正比关系。实际上当二次负荷增大，铁心的磁密增大，铁心的磁导率也略有增大。所以互感器的误差所二次负荷的增大而增大。二次负荷的功率因数角增大，Sin（+）增大，cos（+）减小，因此二次负荷的功率因数角增大，比值差增大，相位差减小。2．4电流互感器的误差补偿（）204060801001205001000I1/I1N（%）f（%）由于存在励磁电流和铁心损耗，未作补偿的电流互感器的误差必然是负值，上图是未补偿的电流互感器的误差曲线，多数情况下，（+）不超过90，所以相位差为正值。为使电流互感器的误差向正方向变化，就必须采取补偿措施。下面介绍几种常用的补偿方法：A、整数匝补偿B、分数匝补偿C、磁分路补偿D、短路匝补偿E、磁分路短路匝补偿F、圆环磁分路电势补偿G、电容补偿2．4．1整数匝补偿（减匝补偿）根据电流互感器的磁动势平衡公式120121INININ，减少二次绕组的匝数，二次电流增加以维持磁动势平衡，这样达到电流误差向正方向变化的目的。减匝补偿的计算公式为：2100%bbNNfN式中Nb----补偿匝数，即二次绕组中减去的匝数；N2N----额定二次匝数。补偿后电流互感器的误差为f1=f+fb2．4．2分数匝补偿在整数匝补偿的方法补偿值过大时，可以采用分数匝补偿，分数匝补偿有两种：a、双铁心补偿或铁心穿孔补偿b、双线或多线并绕补偿双铁心实现分数匝补偿的原理是：电流互感器的铁心分成大小相同的两个，并在它们上面绕制二次绕组，其中有一匝只绕在一个铁心上，少绕绕组的铁心称之为辅助铁心；对整个铁心来讲，相当于少绕了半匝，这就得到半匝补偿。如果辅助铁心的截面积是整个铁心截面积的1/3，则得到三分之一补偿。分数匝补偿的误差计算公式是：21100%bbNSfNS式中Sb----辅助铁心的截面积；S----铁心的总截面积（两个铁心的截面积和）。双铁心制作电流互感器有时不方便，可以在铁心上穿孔的办法实现分数匝补偿。同样少绕绕组的那部分铁心为辅助铁心，它的截面积是整个铁心截面积的1/n，就得到1/n补偿。由于两个铁心的平均磁路长度不同，这种补偿的误差计算公式是：21100%bbNbSLfNSL式中Lb----辅助铁心的平均磁路长度；L----整个铁心的平均磁路长度。如果二次绕组采用完全相同的两根导线并