电流互感器

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简介
电流互感器原理 
是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。
工作原理
在发电、变电、输电、配电和用电的线路中电流大小悬殊，从几安到几万安都有。为便于测量、保护和控制需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压一般都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到电流变换和电气隔离作用 
。
对于指针式的电流表，电流互感器的二次电流大多数是安培级的（如5A等）。对于数字化仪表，采样的信号一般为毫安级（0-5V、4-20mA等）。微型电流互感器二次电流为毫安级，主要起大互感器与采样之间的桥梁作用。
微型电流互感器也有人称之为“仪用电流互感器”。（“仪用电流互感器”有一层含义是在实验室使用的多电流比精密电流互感器，一般用于扩大仪表量程。）
电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作，变压器变换的是电压而电流互感器变换的是电流罢了。电流互感器接被测电流的绕组（匝数为N1），称为一次绕组（或原边绕组、初级绕组）；接测量仪表的绕组（匝数为N2）称为二次绕组（或副边绕组、次级绕组）。
电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比K。电流互感器在额定电流下工作时的电流比叫电流互感器额定电流比，用Kn表示。
Kn=I1n/I2n
电流互感器（Current transformer 简称CT）的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。
参数说明
一、电流互感器型号 
：
第一字母：L—电流互感器
第二字母：A—穿墙式；Z—支柱式；M—母线式；D—单匝贯穿式；V—结构倒置式；J—零序
接地检测用；W—抗污秽；R—绕组裸露式
第三字母：Z—环氧树脂浇注式；C—瓷绝缘；Q—气体绝缘介质；W—与微机保护专用
第四字母：B—带保护级；C—差动保护；D—D级；Q—加强型；J—加强型ZG
第五数字：电压等级 产品序号
二、 主要技术要求
2.1 额定容量：额定二次电流通过二次额定负荷时所消耗的视在功率。额定容量可以用视在功率V.A表示，也可以用二次额定负荷阻抗Ω表示。
2.2 一次额定电流：允许通过电流互感器一次绕组的用电负荷电流。用于电力系统的电流互感器一次额定电流为5～25000A，用于试验设备的精密电流互感器为 0.1～50000A。电流互感器可在一次额定电流下长期运行，负荷电流超过额定电流值时叫做过负荷，电流互感器长期过负荷运行，会烧坏绕组或减少使用寿命。
2.3 二次额定电流：允许通过电流互感器二次绕组的一次感应电流。
2.4 额定电流比（变比）：一次额定电流与二次额定电流之比。
2.5 额定电压：一次绕组长期对地能够承受的最大电压（有效值以kV为单位），应不低于所接线路的额定相电压。电流互感器的额定电压分为0.5，3，6，10，35，110，220，330，500kV等几种电压等级。
2.6 10%倍数：在指定的二次负荷和任意功率因数下，电流互感器的电流误差为－10%时，一次电流对其额定值的倍数。10%倍数是与继电保护有关的技术指标。
2.7 准确度等级：表示互感器本身误差（比差和角差）的等级。电流互感器的准确度等级分为0.001～1多种级别，与原来相比准确度提高很大。用于发电厂、变电站、用电单位配电控制盘上的电气仪表一般采用0.5级或0.2级；用于设备、线路的继电保护一般不低于1级；用于电能计量时，视被测负荷容量或用电量多少依据规程要求来选择（见第一讲）。
2.8 比差：互感器的误差包括比差和角差两部分。比值误差简称比差，一般用符号f表示，它等于实际的二次电流与折算到二次侧的一次电流的差值，与折算到二次侧的一次电流的比值，以百分数表示。
2.9 角差：相角误差简称角差，一般用符号δ表示，它是旋转180°后的二次电流向量与一次电流向量之间的相位差。规定二次电流向量超前于一次电流向量δ为正值，反之为负值，用分（’）为计算单位。
2.10 热稳定及动稳定倍数：电力系统故障时，电流互感器受到由于短路电流引起的巨大电流的热效应和电动力作用，电流互感器应该有能够承受而不致受到破坏的能力，这种承受的能力用热稳定和动稳定倍数表示。热稳定倍数是指热稳定电流1s内不致使电流互感器的发热超过允许限度的电流与电流互感器的额定电流之比。动稳定倍数是电流互感器所能承受的最大电流瞬时值与其额定电流之比。
类型区分
按用途分类
按照用途不同，电流互感器大致可分为两类 
：
测量用电流互感器（或电流互感器的测量绕组）：在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息。
保护用电流互感器（或电流互感器的保护绕组）：在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。
1、测量用电流互感器
在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（中国规定电流互感器的二次额定为5A或1A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。
正常工作时互感器二次侧处于近似短路状态，输出电压很低。在运行中如果二次绕组开路或一次绕组流过异常电流（如雷电流、谐振过电流、电容充电电流、电感启动电流等），都会在二次侧产生数千伏甚至上万伏的过电压。这不仅给二次系统绝缘造成危害，还会使互感器过激而烧损，甚至危及运行人员的生命安全。
1次侧只有1到几匝，导线截面积大，串入被测电路。2次侧匝数多，导线细，与阻抗较小的仪表(电流表/功率表的电流线圈）构成闭路。
电流互感器的运行情况相当于2次侧短路的变压器，忽略励磁电流，安匝数相等I1N1=I2N2
电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比I1/I2=N2/N1=k。
励磁电流是误差的主要根源。
测量用电流互感器的精度等级0.2/0.5/1/3,1表示变比误差不超过±1%，另外还有0.2S和0.5S级。
2、保护用电流互感器
保护用电流互感器分为：1.过负荷保护电流互感器，2.差动保护电流互感器，3.接地保护电流互感器（零序电流互感器）
保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电
路，以保护供电系统的安全。保护用电流互感器的工作条件与测量用电流互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。保护用互感器主要要求：1.绝缘可靠，2.足够大的准确限值系数，3.足够的热稳定性和动稳定性。
保护用互感器在额定负荷下能够满足准确级的要求最大一次电流叫额定准确限值一次电流。准确限值系数就是额定准确限值一次电流与额定一次电流比。当一次电流足够大时铁芯就会饱和起不到反映一次电流的作用，准确限值系数就是表示这种特性。保护用互感器准确等级5P、10P，表示在额定准确限值一次电流时的允许电流误差为1%、3%，其复合误差分别为5%、10%
线路发生故障时的冲击电流产生热和电磁力，保护用电流互感器必须承受。二次绕组短路情况下，电流互感器在一秒内能承受而无损伤的一次电流有效值，称额定短时热电流。二次绕组短路情况下，电流互感器能承受而无损伤的一次电流峰值，称额定动稳定电流。
保护用电流互感器的精度等级5P/10P ，10P标示复合误差不超过10%。
按绝缘介质分类
1、干式电流互感器 
：由普通绝缘材料经浸漆处理作为绝缘。
2、浇注式电流互感器：用环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型的电流互感器。
3、油浸式电流互感器：由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，一般为户外型。
4、气体绝缘电流互感器：主绝缘由气体构成。
按安装方式分类
1、贯穿式电流互感器 
：用来穿过屏板或墙壁的电流互感器。
2、支柱式电流互感器：安装在平面或支柱上，兼做一次电路导体支柱用的电流互感器。
3、套管式电流互感器：没有一次导体和一次绝缘，直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器。
4：母线式电流互感器：没有一次导体但有一次绝缘，直接套装在母线上使用的一种电流互感器。
按原理分类
1、电磁式电流互感器：根据电磁感应原理实现电流变换的电流互感器。
2、电子式电流互感器 
：
例如 （1）光学电流互感器是指采用光学器件作被测电流传感器，光学器件由光学玻璃、全光纤等构成。
（2）空心线圈电流互感器。又称为Rogowski线圈式电流互感器。空心线圈往往由漆包线均匀绕制在环形骨架上制成，骨架采用塑料、陶瓷等非铁磁材料，其相对磁导率与空气的相对磁导率相同，这是空心线圈有别于带铁心的电流互感器的一个显著特征。
（3）铁心线圈式低功率电流互感器（LPCT）。它是传统电磁式电流互感器的一种发展。其按照高阻抗电阻设计，在非常高的一次电流下，饱和特性得到改善，扩大了测量范围，降低了功率消耗，可以无饱和的高准确度测量高达短路电流的过电流、全偏移短路电流，测量和保护可共用一个铁心线圈式低功率电流互感器，其输出为电压信号。
两者的使用发展方向
由于电磁式电流互感器存在的易饱和、非线性及频带窄等问题，电子式电流互感器逐渐兴起。电子式电流互感器一般具有抗磁饱和、低功耗、宽频带等优点。
国内具有代表性的电子式互感器有AnyWay变频电压传感器、AnyWay变频电流传感器和AnyWay变频功率传感器，其中，AnyWay变频功率传感器属于电压、电流组合式互感器。
该互感器的主要特点如下：
1、采用前端数字化技术，光纤传输，电磁兼容性好。
2、幅频特性和相频特性好，在宽幅值、频率、相位范围内均可获得较高的测量精度。
3、属于数字式传感器，二次仪表不会引入误差，传感器误差就是系统误差。
选择依据
额定电压
电流互感器额定电压应大于装设点线路额定电压 
。
变比
应根据一次负荷计算电流IC选择电流互感器变比。电流互感器一次侧额定电流标准比（如20、30、40、50、75、100、150、2×a/C）等多种规格，二次侧额定电流通常为1A或5A。其中2×a/C表示同一台产品有两种电流比，通过改变产品的连接片接线方式实现，当串联时，电流比为a/c，并联时电流比为2×a/C。一般情况下，计量用电流互感器变流比的选择应使其一次额定电流I1n不小于线路中的负荷电流（即计算IC）。如线路中负荷计算电流为350A，则电流互感器的变流比应选择400/5。保护用的电流互感器为保证其准确度要求，可以将变比选得大一些。
准确级
应根据测量准确度 
要求选择电流互感器的准确级并进行校验。下表为不同准确级电流互感器的误差限值：
准确级选择的原则：计费计量用的电流互感器其准确级不低于0．5级；用于监视各进出线回路中负荷电流大小的电流表应选用1．0—3．0级电流互感器。为了保证准确度误差不超过规定值，一般还校验电流互感器二次负荷（伏安），互感器二次负荷S2不大于额定负荷S2n，所选准确度才能得到保证。准确度校验公式：S2≤S2n。
二次回路的负荷l：取决于二次回路的阻抗Z2的值，则：
S2=I2n2︱Z2︱≈I2n2（∑︱Zi︱+ RWl+RXC）
或S2V1≈∑Si+I2n2（RWl+RXC）
式中，Si、Zi为二次回路中的仪表、继电器线圈的额定负荷和阻抗，RXC为二次回路中所有接头、触点的接触电阻，一般取0．1Ω，RWL为二次回路导线电阻，
计算公式化为：RWL=LC/（r×S）。
式中，r为导线的导电率，铜线r=53m/（Ωmm2），铝线r=32m（Ωmm2），S为导线截面积（mm2），LC为导线的计算长度（m）。设互感器到仪表单向长度为L1，
则：
L1互感器为星形接
LC=L1两相V形接线
2L1一相式接线
继电保护用的电流互感器的准确度常用的有5P和l0P。保护级的准确度是以额定准确限值一次电流下的
最大复合误差ε%来标称的（如5P对应的ε%=5%）。所谓额定准确限值一次电流即一次电流为额定一次电流的倍数（n=I1/I1n），也称为额定准确限值系数。即要求保护用的电流互感器在可能出现的范围内，其最大复合误差不超过ε%值。
电流互感器ε%误差曲线校验步骤：
⑴按照保护装置类型计算流过电流互感器的一次电流倍数
⑵根据电流互感器的型号、变比和一次电流倍数，在10%误差曲线上确定电流互感器的允许二次负荷
⑶按照对电流互感器二次负荷最严重的短路类型，计算电流互感器的实际二次负荷
⑷比较实际二次负荷与允许二次负荷。如实际二次负荷小于允许二次负荷，表示电流互感器的误差不超过10%误差：
1）增大连接导线截面或缩短连接导线长度，以减小实际二次负荷
2）选择比较大的电流互感器，减小一次电流倍数，增大允许二次负荷
3）将电流互感器的二次绕组串联起来，使允许二次负荷增大一倍。
动、热稳定度
需校验电流互感器的动稳定度和热稳定度 
，厂家的产品技术参数中都给出了动稳定倍数Kes和热稳定倍数Kt，因此按下列公式分别校验动稳定和热定度即可。
1）动稳定度校验Kes×I1N≥iSh
2）热稳定度校验（KtI1n)2t≥I⑶∞tima
式中，t为热稳定电流时间。
额定容量
电流互感器二次额定容量要大于实际二次负载，实际二次负载应为25～100%二次额定容量。容量决定二次侧负载阻抗，负载阻抗又影响测量或控制精度。负载阻抗主要受测量仪表和继电器线圈电阻、电抗及接线接触电阻、二次连接导线电阻的影响。
使用注意事项
使用原则
1）电流互感器的接线应遵守串联原则 
：即一次绕阻应与被测电路串联，而二次绕阻则与所有仪表负载串联
2）按被测电流大小，选择合适的变比，否则误差将增大。同时，二次侧一端必须接地，以防绝缘一旦损坏时，一次侧高压窜入二次低压侧，造成人身和设备事故
3）二次侧绝对不允许开路，因一旦开路，一次侧电流I1全部成为磁化电流，引起φm和E2骤增，造成铁心过度饱和磁化，发热严重乃至烧毁线圈；同时，磁路过度饱和磁化后，使误差增大。电流互感器在正常工作时，二次侧与测量仪表和继电器等电流线圈串联使用，测量仪表和继电器等电流线圈阻抗很小，二次侧近似于短路。CT二次电流的大小由一次电流决定，二次电流产生的磁势，是平衡一次电流的磁势的。若突然使其开路，则励磁电动势由数值很小的值骤变为很大的值，铁芯中的磁通呈现严重饱和的平顶波，因此二次侧绕组将在磁通过零时感应出很高的尖顶波，其值可达到数千甚至上万伏，危及工作人员的安全及仪表的绝缘性能。
另外，二次侧开路使二次侧电压达几百伏，一旦触及将造成触电事故。因此，电流互感器二次侧都备有短路开关，防止二次侧开路。在使用过程中，二次侧一旦开路应马上撤掉电路负载，然后，再停电处理。一切处理好后方可再用。
4）为了满足测量仪表、继电保护、断路器失灵判断和故障滤波等装置的需要，在发电机、变压器、出线、母线分段断路器、母线断路器、旁路断路器等回路中均设2～8个二次绕阻的电流互感器。
5）对于保护用电流互感器的装设地点应按尽量消除主保护装置的不保护区来设置。例如：若有两组电流互感器，且位置允许时，应设在断路器两侧，使断路器处于交叉保护范围之中
6）为了防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧
7）为了减轻发电机内部故障时的损伤，用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧。为了便于分析和在发电机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的电流互感器宜装在发电机中性点侧。
接线方式
电流互感器的接线方式按其所接负载的运行要求确定。最常用的接线方式为单相、三相星形和不完全星形三种，分别如图4a、图4b和图4c。
额定变比和误差：电流互感器的额定变比KN指电流互感器的额定电流比。即：KN=I1N/I2N
电流互感器原边电流在一定范围内变动时，一般规定为10～120%I1N，副边电流应按比例变化，而且原、副边电压（或电流）应该同相位。但由于互感器存在内阻抗、励磁电流和损耗等因素而使比值及相位出现误差，分别称为比差和角差。
比差为经折算后的二次电流与一次电流量值大小之差对后者之比，即fI 为电流互感器的比差。当KNI2>I1时，比差为正，反之为负。
对于没有采取补偿措施的电流互感器，比差为负值，角差为正值，比差的绝对值和角差均随电流增大而减小。
采用补偿的办法可以减小互感器的误差。一般通过在互感器上加绕附加绕组或增添附加铁心，以及接入相应的电阻、电感、电容元件来补偿。常用的补偿法有匝数补偿、分数匝补偿、小铁心补偿、并联电容补偿等。
校验方法
在进行电流互感器误差试验之前，通常需要检查极性和退磁等试验。
极性检查
电流互感器一次绕组标志为P1、P2，二次绕组标志为S1、S2。若P1、S1是同名端，则这种标志叫减极性。一次电流从P1进，二次电流从S1出。极性检查很简单，除了可以在互感器校验仪上进行检查外，还可以使用直流检查法。
退磁检查
电流互感器在电流突然下降的情况下，互感器铁芯可能产生剩磁。如电流互感器在大电流情况下突然切断电源、二次绕组突然开路等。互感器铁芯有剩磁，使铁芯磁导率下降，影响互感器性能。长期使用后的互感器都应该退磁。互感器检验前也要退磁。退磁就是通过一次或二次绕组以交变的励磁电流，给铁芯以交变的磁场。从0开始逐渐加大交变的磁场(励磁电流)使铁芯达到饱和状态，然后再慢慢减小励磁电流到零，以消除剩磁。
对于电流互感器退磁，一次绕组开路，二次绕组通以工频电流，从零开始逐渐增加到一定的电流值(该电流值与互感器的设计测量上限有关，一般为额定电流的20-50%左右。可以这样判断，如果电流突然急剧变大，此时表示铁芯以进入磁饱和阶段)。然后再将电流缓慢降为零，如此重复2-3次。在断开电源前，应将一次绕组短接，才断开电源。铁芯退磁完成。此方法称开路退磁法。对于有些电流互感器，由于二次绕组的匝数都比较多。若采用开路退磁法，开路的绕组可能产生高电压。因此可以在二次绕组接上较大的电阻(额定阻抗的10-20倍)。一次绕组通以电流，从零渐变到互感器一次绕组的允许的最大电流，再渐变到零，如此重复2-3次。由于接有负载铁芯可能不能完全退磁。由于一次绕组的最大电流有限制，过大的话可能烧坏一次绕组。如果接有负载的二次绕组产生电压不是过高的话，可以加大二次绕组的负载电阻。这样可以提高退磁效果。
准确度检查
互感器误差试验一般采用被测互感器与标准互感器进行比较，两互感器的二次电流差即为被测互感器误差。此种检验方法称比较法。标准互感器要求比被测互感器高出二个等级，此时标准互感器误差可忽略不计。若标准互感器比被测互感器只高一个等级，此时试验结果误差应考虑加上标准互感器误差。
被测互感器与标准互感器的二次电流差一般采用互感器校验仪进行量。直接从互感器校验仪上读出比值差fx(%)，相位差δx(’)。由于互感器校验仪测的是被测互感器与标准互感器电流差与二次电流的比值，所以对互感器校验仪的要求不高。要能校验什么等级的互感器，基本由标准互感器决定。
标准互感器是互感器校验系统的关键核心。对被测互感器进行校验，除了标准互感器、互感器校验仪还要有给互感器提供一次电流的升流器，可以调节升流器电流的调压器，及负载。 
注意事项
电流互感器 - 使用注意事项电流互感器 
运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流，使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。因此，电流互感器副边回路中不许接熔断器，也不允许在运行时未经旁路就拆下电流表、继电器等设备。
电流互感器运行时，副边不允许开路。原因如下：
⒈电流互感器一次被测电流磁势I1N1在铁芯产生磁通Φ1
⒉电流互感器二次测量仪表电流磁势I2N2在铁芯产生磁通Φ2
⒊电流互感器铁芯合磁通：Φ = Φ1 + Φ2
⒋因为Φ1.Φ2方向相反，大小相等，互相抵消，所以 Φ = 0
⒌若二次开路，即 I2 = 0 ，则：Φ = Φ1，电流互感器铁芯磁通很强，饱和，铁心发热，烧坏绝缘，产生漏电
⒍若二次开路，即 I2 = 0 ，则：Φ = Φ1，Φ在电流互感器二次线圈N2中产生很高的感生电势e，在电流互感器二次线圈两端形成高压，危及操作人员生命安全
⒎电流互感器二次线圈一端接地，就是为了防止高压危险而采取的保护措施。
常见故障
电流互感器的常见故障往往与制造缺陷有关，具体如下：
1)电流互感器的绝缘很厚，有的绝缘包绕松散，绝缘层间有皱折，加之真空处理不良，浸渍不完全而造成含气空腔，从而易引起局部放电故障 
。
2)电容屏尺寸与排列不符合设计要求，甚至少放电容屏，电容极板不光滑平整，甚至错位或断裂，使其均压特性破坏。因此，当局部固体绝缘沿面的电场强度达到一定数值时，就会造成局部放电。
上述局部放电的直接后果是使绝缘油裂解，在绝缘层间生成大量的x腊，介损增大。这种放电是有累积效应的，任其发展下去，油中气体分析将可能出现电弧放电的特征。
3)由于绝缘材料不清洁或含湿高，可能在其表面产生沿面放电。这种情况多见于一次端子引线沿垫块表面放电。
4)某些连接松动或金属件电位悬浮将导致火花放电，例如一次绕组支持螺母松动，造成一次绕组屏蔽铝箔电位悬浮，末屏引线接触或焊接不良甚至断线，均会引起此类故障。
5) -次连接夹板、螺栓、螺母松动，末屏接地螺母松动，抽头紧固螺母松动等，均可能使接触电阻增大，从而导致局部过热故障。此外，现场维护管理不当也应引起重视。例如，互感器进水受潮，虽然可能与制造厂的密封结构和密封材料有关，但是，也有维护管理的问题。一般来说，现场真空脱气不充分或者检修时不进行真空干燥，致使油中溶解气体易饱和或油纸绝缘中残存气泡和含湿较高。所有这些，都将给设备留下安全隐患。 


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