電流互感器基本原理

1、電流互感器原理及特性試驗(yàn)一. 電流互感器基本原理為保證電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,需要對(duì)電力系統(tǒng)及其中各電力設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,以便對(duì)其進(jìn)行必要的計(jì)量、監(jiān)控和保護(hù)。通常的測(cè)量和保護(hù)裝置不能直接接到高電壓大電流的電力回路上, 需將這些高電平的電力參數(shù)按比例變換成低電平的參數(shù)或信號(hào),以供給測(cè)量儀器、儀表、繼電保護(hù)和其他類似電器使用。進(jìn)行這種變換的變壓器,通常稱為互感器或儀用變壓器?；ジ衅髯鳛橐环N特殊的變壓器,其特性與一般變壓器有類似之處,但也有其特定的性能要求。電流互感器(current transformer)簡(jiǎn)稱CT,是將一次回路的大電流成正比的變換為二次小電流以供給測(cè)量儀器儀表繼電保護(hù)及其

2、他類似電器。電流互感器的基本電路如圖1-1 。電流互感器的一次繞組和二次繞組繞在同一閉合的鐵心上,如果一次繞組帶電而二次繞組開路,互感器成為一個(gè)帶鐵心的電抗器。一次繞組中的電壓降等于鐵心磁通在該繞組中引起的電動(dòng)勢(shì), 鐵心磁通也在二次繞組中感應(yīng)出相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。如果二次繞組的回路通過一個(gè)阻抗形成閉合回路，則二次回路中將產(chǎn)生一個(gè)電流，此電流在鐵心中產(chǎn)生磁通趨向于抵消一次繞組產(chǎn)生的磁通。忽略誤差時(shí)，二次回路電流與一次回路電流之比值等于一次繞組匝數(shù)與二次繞組匝數(shù)之比。電流互感器的用途是實(shí)現(xiàn)被測(cè)電流值的變換，與普通變壓器不同的是其輸出容量很小。一般不超過數(shù)十伏安。一組電流互感器通常有多個(gè)鐵心，即具有多個(gè)繞

3、組，提供不同的用途。中壓的（如10KV級(jí)）某些類型互感器可能只有13個(gè)二次繞組。而超高壓的電流互感器的二次繞組可多達(dá)68個(gè)。電流互感器的一次繞組通常串接于被測(cè)量的一次電路中,二次繞組通過導(dǎo)線或電纜串接儀表及繼電保護(hù)等二次設(shè)備。電流互感器二次電流在正常運(yùn)行及規(guī)定的故障條件下,應(yīng)與一次電流成正比,其比值和相位不超過規(guī)定值。電流互感器的額定一次電流和額定二次電流是作為互感器性能基準(zhǔn)的一次電流和二次電流。電流互感器按其用途和性能特點(diǎn)可分為兩大類:一類是測(cè)量用電流互感器,主要在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)將相應(yīng)電路的電流變換供給測(cè)量儀表積分儀表和其他類似電器,用于狀態(tài)監(jiān)視記錄和電能計(jì)量等用途。另一類是保護(hù)用互感器

4、,主要在電力系統(tǒng)非正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下,將相應(yīng)電路的電流變換供給繼電保護(hù)裝置和其他類似電器,以便啟動(dòng)有關(guān)設(shè)備清除故障,也可實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)視和錄波。測(cè)量用和保護(hù)用兩類電流互感器的工作范圍和性能差別很大一般不能共用。但可組裝在一組電流互感器內(nèi),由不同的鐵心和二次繞組分別實(shí)現(xiàn)測(cè)量和保護(hù)功能。二 .電流互感器技術(shù)參數(shù)及意義實(shí)際一次電流Ip 實(shí)際一次電流方均根值（有效值）；額定一次電流Ipn 作為電流互感器性能基準(zhǔn)的一次電流值，是長期連續(xù)正常運(yùn)行一次電流值；國標(biāo) GB1208-1997規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)值）：10 12.5 15 20 25 30 40 50 60 75A以及它們十進(jìn)制倍數(shù)或小數(shù)，一般

5、 10-500kV電流互感器額定一次電流50-2500A, 用于100-600MW大型發(fā)電機(jī)10-20kV出線側(cè)的電流互感器一次電流可達(dá)到6000-25000A。額定儀表限值一次電流IPL 測(cè)量用電流互感器在二次負(fù)荷等于額定負(fù)荷，且復(fù)合誤差等于或大于10%時(shí)的最小一次電流值。儀表保安系數(shù)FS 測(cè)量用電流互感器額定儀表限值一次電流IPL對(duì)額定一次電流Ipn之比，標(biāo)準(zhǔn)值為5和10。額定準(zhǔn)確限值一次電流Ipal 保護(hù)用電流互感器在穩(wěn)態(tài)情況能滿足復(fù)合誤差要求的最大一次電流值； 準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf(或ALF) 保護(hù)用電流互感器額定準(zhǔn)確限值一次電流Ipal與額定一次電流Ipn之比，Kalf = Ipal

6、 /Ipn；標(biāo)準(zhǔn)值：5 10 15 20 30 ，產(chǎn)品樣本中最大可達(dá)到40。測(cè)量用電流互感器二次極限感應(yīng)電勢(shì) 儀表保安系數(shù)FS、二次額定電流及額定負(fù)荷與二次繞組阻抗的相量和乘積。保護(hù)用電流互感器二次極限感應(yīng)電勢(shì) 由準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf(或ALF) 、二次額定電流及額定負(fù)荷與二次繞組阻抗的相量和乘積。實(shí)際二次電流Is 測(cè)量條件下通過的實(shí)際二次電流方均根值（有效值）；額定二次電流Isn 作為電流互感器性能基準(zhǔn)的二次電流值，是長期連續(xù)正常運(yùn)行二次電流值； 額定電流比Kn kn= Ipn/ Isn;負(fù)荷 二次回路阻抗，用歐姆和功率因數(shù)表示。負(fù)荷通常以視在功率伏安值表示，它是在規(guī)定功率因數(shù)及額定二次電流

7、下所汲取的。額定負(fù)荷 確定互感器準(zhǔn)確等級(jí)所依據(jù)的負(fù)荷值。額定輸出 在額定二次電流及接有額定負(fù)荷條件下，互感器所供給二次回路的視在功率值（在規(guī)定功率因數(shù)下以伏安表示）。標(biāo)準(zhǔn)值為：2.5 5 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100 VA。電流誤差(比誤差)I I= （kn Is- Ip）/ Ip×100% ； 復(fù)合誤差c 穩(wěn)態(tài)條件下一次電流瞬時(shí)值ip與二次電流瞬時(shí)值is乘以Kn兩者之差的方均根值， 準(zhǔn)確等級(jí) 對(duì)電流互感器所給定的等級(jí)，互感器在規(guī)定使用條件下的誤差應(yīng)在規(guī)定限度內(nèi)。對(duì)于測(cè)量用電流互感器，以額定一次電流情況下互感器二次側(cè)接入額定負(fù)荷(VA)時(shí)的二次電流誤差

8、限值為互感器的準(zhǔn)確等級(jí)，（例如15VA0.2級(jí) 、30VA 0.5級(jí)等）。標(biāo)準(zhǔn)值為：0.1 0.2 0.5 1 3 5。對(duì)于保護(hù)用電流互感器，以保護(hù)用互感器類型（P、PR、PX和TPS、TPX、TPY、TPZ等）、額定準(zhǔn)確限值一次電流下的復(fù)合誤差值、Kalf(或ALF) 準(zhǔn)確限值系數(shù)、 額定輸出（VA）等參數(shù)標(biāo)注準(zhǔn)確等級(jí)（例如：30VA 5P10、15VA 10P20等） 標(biāo)準(zhǔn)值為：5P 10P勵(lì)磁電流Ie 在一次繞組和其他繞組開路的情況下，以額定頻率的正弦波電壓時(shí)駕馭二次接線端子時(shí)，二次繞組所汲取的電流方均根值。三、電流互感器試驗(yàn)電流互感器試驗(yàn)分為出廠試驗(yàn)、交接驗(yàn)收試驗(yàn)、大修試驗(yàn)、預(yù)防性試驗(yàn)

9、。按試驗(yàn)性質(zhì)和要求分為絕緣試驗(yàn)和特性試驗(yàn)。電流互感器特性試驗(yàn)項(xiàng)目包括：a. 測(cè)量二次繞組的直流電阻；b. 極性試驗(yàn)；c. 變比試驗(yàn)；d. 伏安特性試驗(yàn)。1.測(cè)量二次繞組的直流電阻：電流互感器的二次繞組直流電阻較小，應(yīng)使用雙臂電橋測(cè)試比較準(zhǔn)確。也可采用直流壓降法，通入直流電流，測(cè)量電流、電壓計(jì)算求得?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一般不要求測(cè)試。但是如果需要根據(jù)伏安特性繪制誤差特性曲線，使用到二次繞組直流電阻值。如果沒有互感器的出廠測(cè)試值，就要在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試二次繞組的直流電阻值。 2.極性試驗(yàn)：極性試驗(yàn)的目的是為了檢查一、二次繞組之間的極性關(guān)系是否正確。電流互感器一、二次繞組規(guī)定為減極性。所謂減極性，就是當(dāng)從一側(cè)繞組的參

10、考正極性端通入交流電流時(shí)，同時(shí)在另一側(cè)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，如果另一側(cè)繞組外部端子接有負(fù)載或短接，將有電流從另一側(cè)繞組的參考極性端流出，由非極性端返回。兩側(cè)繞組電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)相減。極性試驗(yàn)的方法一般采用直流法，試驗(yàn)接線如圖3。圖2圖3中電源E一般使用1.5-3V干電池，試驗(yàn)時(shí)加在匝數(shù)少的繞組側(cè)，匝數(shù)多的繞組側(cè)接一個(gè)直流電壓表，電壓表的量程根據(jù)兩側(cè)繞組匝數(shù)比確定，匝數(shù)比越大，量程選的越大。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，如果電壓表V指針正偏轉(zhuǎn)，兩側(cè)繞組的極性關(guān)系為減極性，指針反偏轉(zhuǎn)為加極性。 3變比試驗(yàn)： 變比試驗(yàn)的目的是為了檢查電流互感器的實(shí)際變流比是否于額定變流比相否，也稱為誤差試驗(yàn)。理想的電流互感

11、器應(yīng)當(dāng)是一、二次側(cè)電流值按額定變流比變換，相位一致。由于二次繞組端子接有負(fù)荷阻抗，需要施加一定的端電壓，產(chǎn)生端電壓需要一部分勵(lì)磁電流，使得從二次繞組端子流出的電流與理想變換電流有一定的誤差。分析誤差的電流互感器的等值電路和相量圖如圖3。圖3中Ip/kn為按額定變流比變換的理想變換電流，Ie為產(chǎn)生端電壓Us所需的勵(lì)磁電流，Is為二次繞組流出的實(shí)際電流。通過相量圖可以看出，由于Ie的存在，使得Is與Ip/kn之間的幅值和相位均出現(xiàn)了誤差。其中幅值差稱為比誤差I(lǐng) I= （kn Is- Ip）/ Ip×100%相位差稱為角誤差對(duì)于計(jì)量專用的準(zhǔn)確等級(jí)為0.2或0.5級(jí)電流互感器，對(duì)額定電流情況

12、下的變流比誤差要求很高，比誤差、角誤差都需要測(cè)試，一般采用電橋原理的互感器校驗(yàn)儀，由計(jì)量人員測(cè)試，測(cè)試要求比較高。 對(duì)于保護(hù)用電流互感器，對(duì)額定電流情況下的變流比誤差要求不太高，一般只測(cè)試比誤差，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)只要求做核對(duì)性測(cè)試，無明顯差別即可?，F(xiàn)場(chǎng)核對(duì)性變比測(cè)試的接線原理圖如圖4圖4 圖4中T1為調(diào)壓器，用來將交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)可調(diào)的電壓。T2為升流變壓器（簡(jiǎn)稱升流器），用來將調(diào)壓器輸出的高壓（相對(duì)于低壓側(cè)）小電流，轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪捍箅娏?。TAn為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器,一般比被試互感器準(zhǔn)確等級(jí)高1-2個(gè)等級(jí)。Tax為被試電流互感器。A1、A2為便攜式0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電流表。試驗(yàn)時(shí)升流器輸出與TAn、Tax一次繞組

13、串聯(lián)連接，TAn、Tax二次繞組分別接A1、A2，TAn額定變比與TAx額定變比相同。調(diào)整T1輸出電壓，A1、A2有電流指示，對(duì)比A1、A2讀數(shù)應(yīng)接近。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備容量，一次電流要求升到被試電流互感器的20100%額定值。當(dāng)被試電流互感器一次電流低于50%額定值時(shí)，試驗(yàn)誤差允許大于額定電流時(shí)的誤差限值。4伏安特性試驗(yàn);伏安特性是確定電流互感器在故障電流情況下變流比誤差的一個(gè)主要特性。對(duì)于保護(hù)用電流互感器，用準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf(或ALF)確定當(dāng)故障時(shí)復(fù)合變流比誤差等于10%額定變流比時(shí)一次故障電流與額定電流倍數(shù)，確保通入保護(hù)裝置的二次故障電流誤差不超過10%。對(duì)于測(cè)量用電流互感器，用儀表

14、保安系數(shù)FS確定當(dāng)故障時(shí)復(fù)合變流比誤差等于大于10%額定變流比時(shí)一次故障電流與額定電流倍數(shù)，確保通入測(cè)量儀器儀表的故障電流不致于過大而損壞，F(xiàn)S比Kalf低得多。電流互感器在故障電流下變比誤差增大，是由于電流互感器鐵心飽和使得勵(lì)磁電流增大造成的，該勵(lì)磁電流存在于一次繞組中，通過等值可變換到二次繞組側(cè)，圖3中的Ie就是從一次繞組變換來的一次勵(lì)磁電流。在故障電流下，與二次電流在負(fù)荷阻抗上的電壓降US對(duì)應(yīng)的二次繞組內(nèi)感電動(dòng)勢(shì)ES, 確定了對(duì)應(yīng)的二次繞組勵(lì)磁電流Ie。用伏安特性試驗(yàn)可間接求得Ie與 ES的對(duì)應(yīng)關(guān)系，伏安特性試驗(yàn)的接線原理如圖5。圖5試驗(yàn)時(shí)電流互感器TAx一次繞組開路，二次繞組施加交流試

15、驗(yàn)電壓,逐點(diǎn)讀取試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流，通入的電流電壓不超過制造廠技術(shù)條件的規(guī)定為準(zhǔn)，當(dāng)電流增大而電壓變化不大時(shí)，說明鐵心已經(jīng)飽和，應(yīng)停止試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出伏安特性。內(nèi)感電勢(shì)Es可以從試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得：Es=U-IeZctU-IeRct，Rct可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)求得。T2為升壓變壓器，當(dāng)試驗(yàn)電壓超過T1輸出最大值時(shí)實(shí)用，試驗(yàn)電壓低于T1輸出最大值時(shí)可不用。準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf(或ALF)是對(duì)應(yīng)于二次繞組接額定負(fù)荷情況下，電流互感器復(fù)合誤差等10%（或5%）額定變流比時(shí)一次實(shí)際電流與額定一次電流的比值。如果二次負(fù)荷與額定值不相符，對(duì)應(yīng)10%（5%）誤差值的一次實(shí)際電流與額定一次電流的比值也不同。用mct表

16、示在確保10%（5%）誤差值情況下一次實(shí)際電流與額定一次電流的比值與二次負(fù)荷阻抗Zb變化關(guān)系特性參數(shù)，繪制mct與Zb關(guān)系曲線，稱為10%（5%）誤差曲線。由圖3（a）可知：Es=Us+Is(Rct+jXct+Rb+jXb) 由于Xct、Xb與Rct、 Rb相比較小，實(shí)用時(shí)可以忽略，則 Es=Us+Is(Rct +Rb)由試驗(yàn)得到的Ie和Es,通過計(jì)算可求得mct與Rb關(guān)系曲線，對(duì)應(yīng)10%誤差，當(dāng)二次額定電流5A時(shí)， m=ip/5*n n 變比 折算成Ie：勵(lì)磁電流當(dāng)二次額定電流1A時(shí)，mct=10Ie 對(duì)應(yīng)5%誤差， 當(dāng)二次額定電流5A時(shí)， 當(dāng)二次額定電流為1A時(shí)， mct=20Ie按伏安特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出伏安特性曲線Ue=f(