互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

第四章電能計(jì)量技術(shù)第四章互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

第一節(jié)

電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

第二節(jié)

電壓互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理第三節(jié)

光電式互感器的結(jié)構(gòu)和原理

互感器的主要作用有：

（1）將高電壓變?yōu)榈碗妷海?00V），大電流變?yōu)樾‰娏鳎?A，1A）。（2）使測(cè)量二次回路與一次回路高電壓和大電流實(shí)施電氣隔離，以保證測(cè)量工作人員和儀表設(shè)備的安全。（3）采用互感器后可使儀表制造標(biāo)準(zhǔn)化，而不用按被測(cè)量電壓高低和電流大小來(lái)設(shè)計(jì)儀表。（4）取出零序電流、電壓分量供反應(yīng)接地故障的繼電保護(hù)裝置使用。

第四章互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

第一節(jié)電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

一、電流互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)二、電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理三、電流互感器的接線方式四、電流互感器的正確使用一、電流互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

（－）電流互感器分類

（1）電流互感器按用途可分為兩類：一是測(cè)量電流、功率和電能用的測(cè)量用互感器；二是繼電保護(hù)和自動(dòng)控制用的保護(hù)控制用互感器。

（2）根據(jù)一次繞組匝數(shù)可分為單匝式和多匝式（3）根據(jù)安裝地點(diǎn)可分為戶內(nèi)式和戶外式（4）根據(jù)絕緣方式可分為干式、澆注式、油浸式等。（5）根據(jù)電流互感器工作原理可分為電磁式、光電式、電子式等電流互感器。（二）電流互感器的型號(hào)規(guī)定目前，國(guó)產(chǎn)電流互感器型號(hào)編排方法規(guī)定如下：一、電流互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品型號(hào)均以漢語(yǔ)拼音字母表示，字母含義及排列順序見(jiàn)表4-l所示一、電流互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)（三）電流互感器的主要參數(shù)

1．額定電流變比

額定電流變比是指一次額定電流與二次額定電流之比,額定電流比一般用不約分的分?jǐn)?shù)形式表示。額定電流，就是在這個(gè)電流下，互感器可以長(zhǎng)期運(yùn)行而不會(huì)因發(fā)熱損壞。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)額定電流時(shí)，叫作過(guò)負(fù)載。

2．準(zhǔn)確度等級(jí)國(guó)產(chǎn)電流互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、3.0、5.0、0.2S級(jí)及0.5S級(jí)。一、電流互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)3．額定容量

電流互感器的額定容量，就是額定二次電流I2e通過(guò)二次額定負(fù)載Z2e時(shí)所消耗的視在功率S2e。4．額定電壓

是指一次繞組長(zhǎng)期能夠承受的最大電壓（有效值），它只是說(shuō)明電流互感器的絕緣強(qiáng)度，而和電流互感器額定容量沒(méi)有任何關(guān)系。

一、電流互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)5．極性標(biāo)志（1）一次繞組首端標(biāo)為L(zhǎng)1，末端標(biāo)為L(zhǎng)2。當(dāng)一次繞組帶有抽頭時(shí)，首端標(biāo)為L(zhǎng)1，自第一個(gè)抽頭起依次標(biāo)為L(zhǎng)2，L3……（2）二次繞組首端標(biāo)為K1，末端標(biāo)為K2。當(dāng)二次繞組帶有中間抽頭時(shí)，首端標(biāo)為K1，自第一個(gè)抽頭起以下依次標(biāo)志為K2，K3……一、電流互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)（3）對(duì)于具有多個(gè)二次繞組的電流互感器，應(yīng)分別在各個(gè)二次繞組的出線端標(biāo)志“K”前加注數(shù)字，如1K1，1K2，1K3……；2K1，2K2，2K3……（4）標(biāo)志符號(hào)的排列應(yīng)當(dāng)使一次電流自L1端流向L2端時(shí)，二次電流自K1流出，經(jīng)外部回路流回到K2。一、電流互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)二、電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

（一）電流互感器的結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)與普通變壓器相似，由兩個(gè)繞制在閉合鐵芯上彼此絕緣的繞組（一次繞組和二次繞組）所組成，其匝數(shù)分別為N1和N2，如圖4-2所示。一次繞組與被測(cè)電路串聯(lián)，二次繞組與各種測(cè)量?jī)x表或繼電器的電流線圈相串聯(lián)。

電力系統(tǒng)中，經(jīng)常將大電流I1變?yōu)樾‰娏鱅2進(jìn)行測(cè)量，所以二次繞組的匝數(shù)N2多于一次繞組的匝數(shù)N1。電流互感器的二次額定電流一般為5A，也有1A和0.5A的。電流互感器在電氣圖中文字符號(hào)用TA表示。二、電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理（二）工作原理和特性電流互感器的工作原理與普通變壓器的工作原理基本相同。即理想電流互感器兩側(cè)的額定電流大小和它們的繞組匝數(shù)成反比，并且等于常數(shù)KI。

二、電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

電流互感器的基本工作原理、結(jié)構(gòu)型式與普通變壓器相似，但是電流互感器的工作狀態(tài)與普通變壓器有顯著的區(qū)別：

（1）電流互感器的一次電流（I1）取決于一次電路的電壓和阻抗,與電流互感器的二次負(fù)載無(wú)關(guān)。（2）電流互感器二次電路所消耗的功率隨二次電路阻抗的增加而增大，即S2＝I22eZb。（3）電流互感器工作狀態(tài)接近于短路狀態(tài)。二、電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理（三）電流互感器的誤差特性電流互感器鐵芯和繞組中存在損耗，所以，實(shí)際電流互感器存在著誤差。圖4-3是電流互感器的簡(jiǎn)化相量圖

二、電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理由相量圖4-3中得到，二次安匝數(shù)旋轉(zhuǎn)180o（即-）與一次安匝數(shù)相量相比較，其大小不等，相位也不同，即存在著兩種誤差，分別稱為比值誤差和相角誤差。比值誤差簡(jiǎn)稱比差，用fI表示。它等于二、電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理相位角誤差簡(jiǎn)稱角差。它是旋轉(zhuǎn)180o后的二次磁動(dòng)勢(shì)安匝數(shù)與一次磁動(dòng)勢(shì)安匝數(shù)之間的相位差，用δI表示從相量圖4-3中可求出比差與角差的公式,因?yàn)棣腎很小，所以認(rèn)為OB＝OC＝I1N1，其中

因?yàn)锳C＝OC－OA＝I1N1－I2N2，所以二、電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

電流互感器的比差與角差的大小與勵(lì)磁電流I10、負(fù)載功率因數(shù)φ2、損耗角θ有關(guān)。

二、電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理三、電流互感器的接線方式

1．兩相星形（V形）連接優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)省導(dǎo)線。

（2）能利用接線方法取得第三相電流，一般為B相電流。缺點(diǎn)：（1）現(xiàn)場(chǎng)用單相方法校驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)際二次負(fù)載與運(yùn)行時(shí)不一致，有時(shí)必須要采用三相方法（或其他類似方法），給校驗(yàn)工作帶來(lái)一些困難。（2）由于有可能其中一相極性接反，公共線電流變成差電流，使錯(cuò)誤接線機(jī)率相對(duì)地較多一些。2．分相連接

優(yōu)點(diǎn)：（1）現(xiàn)場(chǎng)用單相方法校驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行時(shí)負(fù)載相同。（2）錯(cuò)誤接線機(jī)率相對(duì)地少些。缺點(diǎn):增加了一根導(dǎo)線。三、電流互感器的接線方式3．三相星形（Y形）連接這種接線方法不允許斷開(kāi)公開(kāi)接線，否則影響計(jì)量精度（因?yàn)榱阈螂娏鳑](méi)有通路）。

三、電流互感器的接線方式四、電流互感器的正確使用

1．電流互感器的選擇

（1）額定電壓的選擇

電流互感器的額定電壓必須滿足下列條件:Ux≤Ue

（2）額定變比的選擇

長(zhǎng)期通過(guò)電流互感器的最大工作電流應(yīng)小于或等于互感器一次額定電流，即Ix≤I1e，但不宜使互感器經(jīng)常工作在額定一次電流的1／3以下。（3）準(zhǔn)確度等級(jí)的選擇

在發(fā)電廠、變電站、電力用戶運(yùn)行中的電能計(jì)量裝置按其所計(jì)量的電量不同和計(jì)量對(duì)象的重要程度分五類（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）進(jìn)行管理。對(duì)Ⅰ、Ⅱ類計(jì)量對(duì)象互感器應(yīng)采用0.2級(jí)，對(duì)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類計(jì)量對(duì)象互感器應(yīng)采用0.5級(jí)，0.1級(jí)以上互感器，主要用于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精密測(cè)量或用來(lái)校驗(yàn)低等級(jí)的電流互感器。四、電流互感器的正確使用（4）額定容量的選擇與計(jì)算

電流互感器的額定容量S2e＝I22eZb，Zb為互感器二次額定負(fù)載阻抗。接入互感器的二次負(fù)載容量S2應(yīng)滿足0.25S2e≤S2≤S2e二次負(fù)載容量的計(jì)算主要決定于負(fù)載阻抗Zb的計(jì)算。Zb包括表計(jì)阻抗Zm、接頭的接觸電阻Rk（一般取0.01～0.5Ω）以及導(dǎo)線電阻。導(dǎo)線的計(jì)算長(zhǎng)度決定于測(cè)量?jī)x表與電流互感器的電氣距離和電流互感器的連接方式。四、電流互感器的正確使用1）分相連接時(shí)二次負(fù)載阻抗的計(jì)算。導(dǎo)線電阻RL前面的系數(shù)K稱為接線系數(shù)，在這里K＝2

四、電流互感器的正確使用2）二相星形連接時(shí)二次負(fù)載阻抗的計(jì)算。從圖4-6中看出，A相電流互感器的二次電壓為所以電流互感器二次負(fù)載為其中K＝四、電流互感器的正確使用3）三相星形連接時(shí)二次負(fù)載阻抗的計(jì)算。

同理分析，可得到Zb＝Zm＋RL＋RK

，其中K＝1，設(shè)三相電流平衡，所以IN＝0

四、電流互感器的正確使用

2．使用電流互感器應(yīng)注意的問(wèn)題（1）運(yùn)行中的電流互感器二次繞組不允許開(kāi)路。（2）電流互感器繞組應(yīng)按減極性連接。（3）電流互感器二次側(cè)應(yīng)可靠接地。

四、電流互感器的正確使用第二節(jié)電壓互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

一、電壓互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)二、工作原理三、電壓互感器的正確使用四、電壓互感器二次負(fù)載的計(jì)算

一、電壓互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

（－）電壓互感器的分類1．按用途分類

按用途分為測(cè)量用電壓互感器和保護(hù)用電壓互感器，這兩種電壓互感器，又可分為單相電壓互感器和三相電壓互感器。

2．根據(jù)安裝地點(diǎn)分類按安裝地點(diǎn)分為戶內(nèi)型電壓互感器和戶外型電壓互感器。

3．根據(jù)電壓變換原理分類（1）電磁式電壓互感器，以電磁感應(yīng)來(lái)變換電壓；（2）電容式電壓互感器，以電容分壓來(lái)變換電壓；（3）光電式電壓互感器，以光電元件來(lái)變換電壓。4．根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分類（l）單級(jí)式電壓互感器，一次繞組和二次繞組均繞在同一個(gè)鐵芯柱上。（2）串級(jí)式電壓互感器，一次繞組分成匝數(shù)相同的幾段，各段串聯(lián)起來(lái)，一端子連接高壓電路，另一端子接地。一、電壓互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)（二）電壓互感器的型號(hào)規(guī)定目前，國(guó)產(chǎn)電壓互感器型號(hào)編排方法如下：

電壓互感器在特殊使用環(huán)境的代號(hào)，主要有以下幾種：CY一船舶用；GY一高原地區(qū)用；W一污穢地區(qū)用；AT—干熱帶地區(qū)用；TH一濕熱帶地區(qū)用。一、電壓互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

電壓互感器型號(hào)中的字母，都用漢語(yǔ)拼音字母表示，字母排列順序及其對(duì)應(yīng)符號(hào)含義如表4-3所示。一、電壓互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)（三）電壓互感器的主要參數(shù)1．繞組的額定電壓

額定一次電壓是指可以長(zhǎng)期加在一次繞組上的電壓，其值應(yīng)與我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)定的“額定電壓”系列相一致。額定二次電壓，我國(guó)規(guī)定接在三相系統(tǒng)中相線與相線之間的單相電壓互感器為100V，對(duì)于接在三相系統(tǒng)相與地間的單相電壓互感器，為V。

一、電壓互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

2．額定電壓變比

額定電壓變比為額定一次電壓與額定二次電壓之比，一般用不約分的分?jǐn)?shù)形式表示。3．額定二次負(fù)載

電壓互感器的額定二次負(fù)載，為確定準(zhǔn)確度等級(jí)所依據(jù)的二次負(fù)載導(dǎo)納（或阻抗）值。

一、電壓互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

4．準(zhǔn)確度等級(jí)

國(guó)產(chǎn)電壓互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、3.0、5.0級(jí)。用戶電能計(jì)量裝置通常采用0.2級(jí)和0.5級(jí)電壓互感器

5．極性標(biāo)志為了保證測(cè)量及校驗(yàn)工作的接線正確，電壓互感器一次及二次繞組的端子應(yīng)標(biāo)明極性標(biāo)志。電壓互感器一次繞組接線端子用大寫(xiě)字母A、B、C、N表示，二次繞組接線端子用小寫(xiě)字母a、b、c、n表示。一、電壓互感器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)二、工作原理（一）工作原理電壓互感器的工作原理、結(jié)構(gòu)和接線方式與普通變壓器相似，同樣是由相互絕緣的一次、二次繞組繞在公共的閉合鐵芯上組成，如圖4-14所示。其主要區(qū)別是二者容量不同，且電壓互感器是在接近空載的狀態(tài)下工作。電壓互感器將高電壓變?yōu)榈碗妷汗╇娊o儀表，所以它的一次匝數(shù)N1多，二次匝數(shù)N2少。一次繞組與被測(cè)電壓并聯(lián)，二次繞組與各種測(cè)量?jī)x表或繼電器的電壓線圈相并聯(lián)。電壓互感器在電氣圖中文字符號(hào)用TV表示。

電壓互感器T形等值電路圖和相量圖如圖4-15和圖4-16所示

二、工作原理電壓互感器存在著比差和角差比差用表示，它等于

相角差簡(jiǎn)稱角差，是指一次電壓與旋轉(zhuǎn)180o后二次電壓相量間的相位差，用δU表示，單位為“′”（分）。當(dāng)旋轉(zhuǎn)后的二次電壓超前于一次電壓相量時(shí)，角差為正值；反之，角差為負(fù)值。

Uf二、工作原理三、電壓互感器的正確使用

1．電壓互感器的選擇

（l）額定電壓的選擇。電壓互感器的額定電壓是指加在三相電壓互感器一次繞組上的線電壓，選擇時(shí)，應(yīng)滿足下式（2）準(zhǔn)確度等級(jí)的選擇。電壓互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)選擇與電流互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)選擇相同。

（3）接線方式的選擇。電壓互感器的接線方式有多種，計(jì)量有功電能和無(wú)功電能時(shí)，常用圖4-22和圖4-23兩種接線方式。三、電壓互感器的正確使用（4）額定容量的選擇。按照二次負(fù)載取用的總視在功率S選擇電壓互感器的額定容量Se，公式為0.25Se＜S＜Se電壓互感器每相的二次負(fù)載并不一定相等，因此應(yīng)按最大一相取用的負(fù)載功率來(lái)考慮選擇。三、電壓互感器的正確使用2．使