【收藏版】电流互感器结构及原理

1、从基本结构和工作原理来说，互感器就是一种特殊的变压器。电流互感器一次绕组匝数很少（有的型式的电流互感器还没有一侧绕组，利用穿过其铁心的一次电路作为一次绕组，相当于匝数为1），且一次绕组相当粗；而二次绕组匝数较多，导体较细。工作时，一次绕组串接在电路中，而二次绕组则与仪表、继电器等的电流线圈想串联，形成一个闭合回路。由于这些电流线圈阻抗很小，因此电流互感器工作时二次回路接近于短路状态。（二次绕组的额定值一般为5A）关于选取，一般按照工作地点的条件（温度、湿度等）、额定电压、一次电流、二次电流（一般为5A）、准确度等级条件进行选择，病校验其短路动稳定度和热稳定度。必须注意：电流互感器的准确度等级与

2、其二次负荷容量有关。互感器二次负荷不得大于其准确度等级所限定的额定二次负荷。结线方案：A、一相式结线，通常用于负荷平衡的三相电路如低压动力线路中，供测量电流或接过负荷保护装置用。B、两相V形结线，在中性点不接地的三相三线制系统中，广泛用于测量三相电流、电能及作过流继电保护用。C、两相电流差结线，适用于中性点不接地的三相三线制系统中，供作电流继电保护用。D、三相星形结线，三个电流线圈正好反应各相的电流，广泛用于三相不平衡的三相四线制系统如TN系统中，也用在三相可能不平衡的三相三线制系统中。使用注意事项：1、电流互感器在工作时，二次侧不得开路2、电流互感器的二次侧有一端必须接地3、电流互感器在连接

3、时，要注意其端子的极性一、电流互感器结构原理1普通电流互感器结构原理 电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流()通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流()；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路，见图1。图1普通电流互感器结构原理图由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数，I1N1=I2N2，电流互感器额定电流比：。电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于

4、一个短路运行的变压器。2穿心式电流互感器结构原理穿心式电流互感器其本身结构不设一次绕组，载流(负荷电流)导线由L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的圆形(或其他形状)铁心起一次绕组作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路，见图2。图2穿心式电流互感器结构原理图由于穿心式电流互感器不设一次绕组，其变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定，穿心匝数越多，变比越小；反之，穿心匝数越少，变比越大，额定电流比：。式中I1穿心一匝时一次额定电流；n穿心匝数。3特殊型号电流互感器3.1 多抽头电流互感器。这种型号的电流互感器，一次绕组不变，在绕制二次绕

5、组时，增加几个抽头，以获得多个不同变比。它具有一个铁心和一个匝数固定的一次绕组，其二次绕组用绝缘铜线绕在套装于铁心上的绝缘筒上，将不同变比的二次绕组抽头引出，接在接线端子座上，每个抽头设置各自的接线端子，这样就形成了多个变比，见图3。图3多抽头电流互感器原理图例如二次绕组增加两个抽头，K1、K2为100/5，K1、K3为75/5，K3、K4为50/5等。此种电流互感器的优点是可以根据负荷电流变比，调换二次接线端子的接线来改变变比，而不需要更换电流互感器，给使用提供了方便。3.2 不同变比电流互感器。这种型号的电流互感器具有同一个铁心和一次绕组，而二次绕组则分为两个匝数不同、各自独立的绕组，以满

6、足同一负荷电流情况下不同变比、不同准确度等级的需要，见图4。图4不同变比电流互感器原理图例如在同一负荷情况下，为了保证电能计量准确，要求变比较小一些(以满足负荷电流在一次额定值的2/3左右)，准确度等级高一些(如1K1、1K2为200/5、0.2级)；而用电设备的继电保护，考虑到故障电流的保护系数较大，则要求变比较大一些，准确度等级可以稍低一点(如2K1、2K2为300/5、1级)。3.3 一次绕组可调，二次多绕组电流互感器。这种电流互感器的特点是变比量程多，而且可以变更，多见于高压电流互感器。其一次绕组分为两段，分别穿过互感器的铁心，二次绕组分为两个带抽头的、不同准确度等级的独立绕组。一次绕

7、组与装置在互感器外侧的连接片连接，通过变更连接片的位置，使一次绕组形成串联或并联接线，从而改变一次绕组的匝数，以获得不同的变比。带抽头的二次绕组自身分为两个不同变比和不同准确度等级的绕组，随着一次绕组连接片位置的变更，一次绕组匝数相应改变，其变比也随之改变，这样就形成了多量程的变比，见图5(图中虚线为电流互感器一次绕组外侧的连接片)。带抽头的二次独立绕组的不同变比和不同准确度等级，可以分别应用于电能计量、指示仪表、变送器、继电保护等，以满足各自不同的使用要求。例如当电流互感器一次绕组串联时(图5a)，1K1、1K2，1K2、1K3，2K1、2K2，2K2、2K3为300/5，1K1、1K3，2

8、K1、2K3为150/5；当电流互感器一次绕组并联时(图55b)，1K1、1K2，1K2、1K3，2K1、2K2，2K2、2K3为600/5，1K1、1K3，2K1、2K3为300/5。其接线图和准确度等级标准在铭牌上或使用说明书中。(a)一次串联(两匝)(b)一次并联(一匝)图5一次绕组匝数可调、二次多绕组的电流互感器原理图3.4 组合式电流电压互感器。组合式互感器由电流互感器和电压互感器组合而成，多安装于高压计量箱、柜，用作计量电能或用作用电设备继电保护装置的电源。组合式电流电压互感器是将两台或三台电流互感器的一次、二次绕组及铁心和电压互感器的一、二次绕组及铁心，固定在钢体构架上，浸入装有

9、变压器油的箱体内，其一、二次绕组出线均引出，接在箱体外的高、低压瓷瓶上，形成绝缘、封闭的整体。一次侧与供电线路连接，二次侧与计量装置或继电保护装置连接。根据不同的需要，组合式电流电压互感器分为V/V接线和Y/Y接线两种，以计量三相负荷平衡或不平衡时的电能，见图6(a)、(b)。(a)两台电流互感器和电压互感器V/V接线(b)三台电流互感器和电压互感器Y/Y接图6 组合式电流电压互感器原理图二、电流互感器使用注意事项1.极性连接要正确。电流互感器一般按减极性标注，如果极性连接不正确，就会影响计量，甚至在同一线路有多台电流互感器并联时，全造成短路事故。2.二次回路应设保护性接地点，并可靠连接。为防

10、止一、二次绕组之间绝 缘击穿后高电压窜入低压侧危及人身和仪表安全，电流互感器二次侧应设保护性接地点，接地点只允许接一个，一般将靠近电流互感器的箱体端子接地。3.运行中二次绕组不允许开路。否则会导致以下严重后果：（1）二次侧出现高电压，危及人身和仪表安全；（2）出现过热，可能烧坏绕组；（3）增大计量误差。4.用于电能计量的电流互感器二次回路，不应再接继电保护装置和自动装置等，以防互相影响。低压计量型电流互感器品种及选型方法2011-1-27 来源： 上海安科瑞电气股份有限公司营销部 进入该公司展台 1、概述计量型电流互感器专用于工业计量，与电能表配套使用，计量准确可靠。2、国内主要品牌及型号国内

11、生产低压计量型电流互感器厂家、型号品牌繁多，主要常见的产品有：上海安科瑞AKH-0.66G系列计量型电流互感器，即AKH-0.66G-30*30I、AKH-0.66G-40I、AKH-0.66G-60I、AKH-0.66G-60II、AKH-0.66G-80I、AKH-0.66G-80II、AKH-0.66G-100II等等。3、主要技术指标(以安科瑞AKH-0.66G为例) 计量CT一次电流5-2000A，二次电流5A，1A 额定工作电压AC0.66kV(等效AC0.69kV，GB/T156-2007) 额定频率50-60Hz 环境温度-3070，最高耐温120 海拔高度3000m 工频耐压

12、3000V/1min 50Hz 用于没有雨雪直接侵袭，无严重污染及剧烈震动的场所4、选型说明 文章链接：工控网(百站) /Tech_news/Detail/66425.html计量用电流互感器选型电能计量装置主要由电能表、计量用电压互感器、电流互感器及二次回路等部分组成，电流互感器是能计量装置的重要组成部分，现介绍计量用电流互感器的选择原则和使用注意事项。 1 选择的原则 1.1额定电压的确定 电流互感器的额定电压UN应与被测线路的电压UL相适应，即UNUL。 1.2额定变比的确定 通常根据电流互感器所接一次负荷来确定额定一次电流I1，即: I1=P1/

13、UNcos 式中UN电流互感器的额定电压，kV; P1电流互感器所接的一次电力负荷，kVA; cos平均功率因数，一般按cos=0.8计算。 为保证计量的准确度，选择时应保证正常运行时的一次电流为其额定值的60%左右，至少不得低于30%。 电流互感器的额定变比则由额定一次电流与额定二次电流的比值决定。 1.3额定二次负荷的确定 互感器若接入的二次负荷超过额定二次负荷时，其准确度等级将下降。为保证计量的准确性，一般要求电流互感器的二次负荷S2必须在额定二次负荷S2N的25%100%范围内，即: 0.25S2NS2S2N 1.4额定功率因数的确定 计量用电流互感器额定二次负荷的功率因数应为0.81

14、.0。 1.5准确度等级的确定 根据电能计量装置技术管理规程（DL/T448-2000）规定，运行中的电能计量装置按其所计量电能量的多少和计量对象的重要程度，分为I、II、III、IV、V五类，不同类别的电能计量装置对电流互感器准确度等级的要求也不同 电流互感器的配置 1.6互感器的接线方式 计量用电流互感器接线方式的选择，与电网中性点的接地方式有关，当为非有效接地系统时，应采用两相电流互感器，当为有效接地系统时，应采用三相电流互感器，一般地，作为计费用的电能计量装置的电流互感器应接成分相接线（即采用二相四线或三相六线的接线方式），作为非计费用的电能计量装置的电流互感器可采用二相三线或三相线的

15、接线方式，各种接线方式如下图所示: 1.7互感器二次回路导线的确定 由于电流互感器二次回路导线的阻抗是二次负荷阻抗的一部分，直接影响着电流互感器的误差，因而哪二次回路连接导线的长度一定时，其截面积需要进行计算确定。 一般计量用互感器要求一次电流要经常运行在20%-100%之间.这样它的二次电流一般不会超过5A,请教各位老师如果测得它的二次电流为6A的话,那它的计量还准吗?如果不准的话那是多计量了还是少计量了呢? 计量用电流互感器一般要求准确级在0.2s级以上。 电流互感器检测的标准： 五个点：1%；%5；20%；100%；120%。 所以，可以肯定的说，6A的点是准确的。计量用电流互感器一般要

16、求准确级在0.2s级以上。 应该是445KVA吧？也就是千伏安，代表主变容量，PT就是电压互感器，10KV/100V 就是指互感器的一次侧即高压侧额定电压为10KV，二次侧即低压侧（接入仪表侧）额定电压为100V，100V是通用的标准电压。CT是电流互感器，30/5A 是指一次侧额定电流三十安时二次侧电流是5安，5安是通用的标准电流。电力部门给你们装表时都要经过基本计算，不会瞎装的，有一公式：主变容量（445KVA）等于根号3倍的高压侧额定电压（10KV）和额定电流的乘机。反算过来，电流约25.7安，躲过主变励磁涌流，选30安是正确合适的，如果选用CT-50/5A 的互感器，你想想看，是不是对

17、于你发电方就不合适了？再选大点儿，你就白白的发吧，电表可能就不转了。所以作为计量，发电方互感器越小越好. 电流互感器结构原理1普通电流互感器结构原理电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流()通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流()；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路，见图51。图51普通电流互感器结构原理图由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数，I1N1=I2N2，电流互

18、感器额定电流比：。电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一个短路运行的变压器。2穿心式电流互感器结构原理穿心式电流互感器其本身结构不设一次绕组，载流(负荷电流)导线由L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的圆形(或其他形状)铁心起一次绕组作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路，见图52。图52穿心式电流互感器结构原理图由于穿心式电流互感器不设一次绕组，其变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定，穿心匝数越多，变比越小；反之，穿心匝数越少，变比越大，额定电流比：。式中I1穿心一匝时一次额定电流；n穿心匝数。3特殊型

19、号电流互感器3.1多抽头电流互感器。这种型号的电流互感器，一次绕组不变，在绕制二次绕组时，增加几个抽头，以获得多个不同变比。它具有一个铁心和一个匝数固定的一次绕组，其二次绕组用绝缘铜线绕在套装于铁心上的绝缘筒上，将不同变比的二次绕组抽头引出，接在接线端子座上，每个抽头设置各自的接线端子，这样就形成了多个变比，见图53。图53多抽头电流互感器原理图例如二次绕组增加两个抽头，K1、K2为100/5，K1、K3为75/5，K1、K4为50/5等。此种电流互感器的优点是可以根据负荷电流变比，调换二次接线端子的接线来改变变比，而不需要更换电流互感器，给使用提供了方便。3.2不同变比电流互感器。这种型号的

20、电流互感器具有同一个铁心和一次绕组，而二次绕组则分为两个匝数不同、各自独立的绕组，以满足同一负荷电流情况下不同变比、不同准确度等级的需要，见图54。图54不同变比电流互感器原理图例如在同一负荷情况下，为了保证电能计量准确，要求变比较小一些(以满足负荷电流在一次额定值的2/3左右)，准确度等级高一些(如1K1、1K2为200/5、0.2级)；而用电设备的继电保护，考虑到故障电流的保护系数较大，则要求变比较大一些，准确度等级可以稍低一点(如2K1、2K2为300/5、1级)。3.3一次绕组可调，二次多绕组电流互感器。这种电流互感器的特点是变比量程多，而且可以变更，多见于高压电流互感器。其一次绕组分

21、为两段，分别穿过互感器的铁心，二次绕组分为两个带抽头的、不同准确度等级的独立绕组。一次绕组与装置在互感器外侧的连接片连接，通过变更连接片的位置，使一次绕组形成串联或并联接线，从而改变一次绕组的匝数，以获得不同的变比。带抽头的二次绕组自身分为两个不同变比和不同准确度等级的绕组，随着一次绕组连接片位置的变更，一次绕组匝数相应改变，其变比也随之改变，这样就形成了多量程的变比，见图55(图中虚线为电流互感器一次绕组外侧的连接片)。带抽头的二次独立绕组的不同变比和不同准确度等级，可以分别应用于电能计量、指示仪表、变送器、继电保护等，以满足各自不同的使用要求。例如当电流互感器一次绕组串联时(图55a)，1

22、K1、1K2，1K2、1K3，2K1、2K2，2K2、2K3为300/5，1K1、1K3，2K1、2K3为150/5；当电流互感器一次绕组并联时(图55b)，1K1、1K2，1K2、1K3，2K1、2K2，2K2、2K3为600/5，1K1、1K3，2K1、2K3为300/5。其接线图和准确度等级标准在铭牌上或使用说明书中。(a)一次串联(两匝)(b)一次并联(一匝)图55一次绕组匝数可调、二次多绕组的电流互感器原理图3.4组合式电流电压互感器。组合式互感器由电流互感器和电压互感器(详细内容本讲第四节介绍)组合而成，多安装于高压计量箱、柜，用作计量电能或用作用电设备继电保护装置的电源。组合式电

23、流电压互感器是将两台或三台电流互感器的一次、二次绕组及铁心和电压互感器的一、二次绕组及铁心，固定在钢体构架上，浸入装有变压器油的箱体内，其一、二次绕组出线均引出，接在箱体外的高、低压瓷瓶上，形成绝缘、封闭的整体。一次侧与供电线路连接，二次侧与计量装置或继电保护装置连接。根据不同的需要，组合式电流电压互感器分为V/V接线和Y/Y接线两种，以计量三相负荷平衡或不平衡时的电能，见图56(a)、(b)。(a)两台电流互感器和电压互感器V/V接线(b)三台电流互感器和电压互感器Y/Y接线图56组合式电流电压互感器怎样测量电流互感器的极性电流互感器在交接及大修前后应进行极性试验，以防在接线时将极性弄错，造

24、成在继电保护回路上和计量回路中引起保护装置错误动作和不能够正确的进行测量，所以必须在投运前做极性试验。 测量电流互感器的极性的方法很多，我们在工作时常采用的有以下三种试验方法：直流法；交流法；仪器法。 1直流法 见图1。用1.53V干电池将其正极接于互感器的一次线圈L1，L2接负极，互感器的二次侧K1接毫安表正极，负极接K2，接好线后，将K合上毫安表指针正偏，拉开后毫安表指针负偏，说明互感器接在电池正极上的端头与接在毫安表正端的端头为同极性，即L1、K1为同极性即互感器为减极性。如指针摆动与上述相反为加极性。 图1直流法测电流互感器极性 2交流法 见图2，将电流互感器一、二次线圈的L2和二次侧

25、K2用导线连接起来，在二次侧通以15V的交流电压(用小量程)，用10V以下的电压表测量U2及U3的数值若U3=U1-U2为减极性。 图2交流法测电流互感器极性 U3=U1+U2为加极性。注意：在试验过程中尽量使通入电压低一些，以免电流太大损坏线圈，为了读数清楚电压表尽量选择小一些，变流比在5以下时采用交流法测量比较简单准确，对变流比超过10的互感器不要采用这种方法进行测量，因为U2的数值较小U3与U1的数值接近，电压表的读数不易区别大小，所以在测量时不好辨别，一般不宜采用此法测量极性。 3仪表法 一般的互感器校验仪都有极性指示器，在测量电流互感器误差之前仪器可预先检查极性，若指示器没有指示则说

26、明被试电流互感器极性正确(减极性)。电流互感器原理一， 电流互感器基本原理：电流互感器(Current Transformer)简称CT，利用电磁感应，能将一次回路的大电流成正比的变换为二次小电流以供给测量仪器仪表。1， 电磁单元先看一个简单的环路，在一半径为r的线圈内通上电流I，如下图：I根据安培环路定律，电流通过螺旋管所产生的磁感应强度为：即：B2r=0IN， (0为真空磁导率)也即： 由此可见：磁感应强度的强弱，和电流、线圈匝数成正比，和线圈半径成反比。此时的磁通量为线圈两端感应电势为： 2， 理想电流互感器而对于电流互感器，其基本电路如下：IU对于一次侧回路，一次侧磁感应强度为：对时间

27、取导数，即可看到磁感应强度的变化速度与电流的变化速度成正比。此时一次侧线圈上的的感应电势为： 磁感应强度的变化会在二次侧回路感应出相应的感生电动势e2，此电动势所产的磁感应强度方向总是与一次侧所电流所产生的磁感应强度方向相反，相互抵消：对于理想互感器，没有任何损耗，也没有内阻和负载电阻的情况下，由能量守恒定律可知，两边功率相等，即：将各参数代入，可得：化简得：故： 即一、二次侧电流之比与线圈匝数成反比。3， 电流互感器的比差但显然，互感器会有内阻，以及要接上取样电阻，如下图：此时：将各参数代入，化简：故： 注：u=ur*u0，ur相对磁导率，u0真空磁导率。当Zct+Zb趋于零时，即为理想互感

28、器。由上式可知，越接近零，则Is的变比误差越小，故要减小此误差，可增加二次侧线圈Ns、铁芯截面积S、增加磁导率u、以及减少二次侧阻抗。由上式可推出变比误差为： （1）4， 电流互感器的角差在取样电阻Zb上测得到电压Ub，则此时测得的电流为Ub/Rb：注：，f为电流频率。将此式化为向量图如下：iZct/ZbwL/ZbIs从上可见，电流向量的夹角 （1）可见L越大，则这个夹角会越大，这个夹角，称之为电流互感器的角差。对于电能计量：P=UI*cos，(为U，I向量间的夹角)；当为零时，则此时U，I向量间无任何角差，即P=UI；例如：设一电流互感器Zct=Zb=20ohm，L=10mH，S=10(cm

29、)2，Np=2500匝，铁芯半径r=1cm，u=80000uo则代入(1)(2)式，可得：比差约为：6角差为：5.4电压互感器：工作原理：其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。 电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。 测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压（如电力系统的线电压），可以单相使用，也可以用两台接成V-V形作三相使用。实验室用的电压互感器往往是原边多抽

30、头的，以适应测量不同电压的需要。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈，称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形，开口三角形的两引出端与接地保护继电器的电压线圈联接。 正常运行时，电力系统的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时，中性点出现位移，开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用。上图中两个尖尖一个接电压，一个接地，就形成了一次绕组，类似变压器，再有二次绕组接出来即可以。对于三个单相的电压互感器来说，每一相一端都接地，就形成了三相星型连接方式，这个接地就是PT的一次接地，即工作接地，主要作用是将中性点电位统一拉到地电位

31、。使对地相对电压能准确统一的测量。二次绕组必须接地，是安全接地，即：为防止高低电压绕组间绝缘击穿造成设备和人身事故，二次侧必须接地。电磁式电压互感器电容式电压互感器为了获得理想的电压源，在网络中串入非线性补偿电感线圈L；为抗干扰，减少互感器开口三角形绕组的不平衡电压，提高零序保护装置的灵敏度，增设一个高频阻断线圈L，为了抑制谐振的产生，常在互感器二次侧接入D阻尼器。某电厂PT接线图：从图中可以看出在高压侧接有高压熔断器即为保险，具有反时限电流保护的特性，即当通过的电流很大时，它会快速熔断，当电流较小时，不熔断。熔断器是用来保护电压互感器的，当电压互感器出现故障时，电流会增大，当故障电流大到一定

32、程度时，熔断器就会因过流而熔断，从而使电路断路，电压互感器与系统隔离，从而保护了电压互感器，也保护了系统，防止发生更大的事故。上图中，铜排直接接IPB，发电机的出口母线。由于PT直接接到发电机出口母线上，当PT无论是一次侧还是二次侧绝缘击穿或者PT出问题，会直接引起导致母线故障，从而引起定子接地保护动作等。电流互感器普通电流互感器结构原理 电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流；二次绕组的匝数

33、(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路，见下图。由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数，I1N1=I2N2，电流互感器额定电流比：。电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一个短路运行的变压器。穿心式电流互感器结构原理穿心式电流互感器其本身结构不设一次绕组，载流(负荷电流)导线由L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的圆形(或其他形状)铁心起一次绕组作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路，见下图。由于穿心式电流互感器不设一次绕组，其变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定，穿

34、心匝数越多，变比越小；反之，穿心匝数越少，变比越大，额定电流比：。式中I1：穿心一匝时一次额定电流；n：穿心匝数。某电厂电流互感器结构示意图CT内部绕组绝缘出现问题图片拆开图 电子式电流互感器的总体结构与基本原理2.1 引言电流互感器是电力系统中计量和继保所需的重要设备，新型的电子式电流互感器以无磁饱和，测量精度高，响应频带宽等突出的优点而成为研究的热点，根据高压侧部分是否需要供电，电子式电流互感器（ECT）可分为有源电子式电流互感器和无源电子式电流互感器。本章就电子式电流互感器的工作原理，总体架构，以及在实用化过程中存在的问题作了分析和探讨。2.2 电子式电流互感器的总体结构根据国际电工委员

35、会提出的标准（IEC60044-8），电子式电流互感器（ECT）的通用框图如图 2.1 所示，一次电流传感器产生与一次端子通过电流相对应的信号，它是一种电气、电子、光学或其他装置。一次转换器将来自一次电流传感器的信号转换成适合于传输系统的信号。传输系统用于一次部件和二次部件之间传输信号的短距或长距耦合装置。依据所采用的技术，传输系统也可用以传送功率。二次转换器将来自传输系统的信号转换成正比于一次端子电流的信号量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于模拟输出型 ECT，二次转换器直接供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于数字输出型电子式互感器，二次转换器通常接至合并单元再输出至二次

36、设备。电子式电流互感器可分为无源型和有源型两大类，前者基于光学传感技术，一般是基于法拉第（Faraday）效应等磁光变换原理， 这类互感器直接用光进行信息变换和传输，与高电压电路完全隔离，具有不受电磁干扰，测量范围大，响应频带宽，体积小及便于数字传输等优点，其特点是在高压侧部分无需电源，故称为无源电子式电流互感器；后者基于电磁感应原理，如采用无铁心的 Rogoswki线圈，这类电子式电流互感器与常规电流互感器较相似，但体积小，暂态响应好，可靠性高，可以直接以模拟量形式输出，也可将信号数字化后用光纤技术进行信息传送，这样大大简化了互感器的绝缘结构，适用于高电压系统，这类电子式电流互感器的特点是高

37、压侧有电子电路，需要有电源对其供电。故称为有源电子式电流互感器。2.3 无源型电子式电流互感器的工作原理及其结构光在传播过程中，如果在垂直于光传播方向的平面内，光矢量始终沿一个固定的方向振动，就称这种光为线偏振光。磁场能使本来不具有旋光性的物质产生旋光性即当一束线偏振光穿过无旋性介质时，如果在介质中沿光的传播方向施加一个外磁场，光通过介质后，光的振动面就会转过一个角度，这种现象被称为磁致旋光效应或法拉第效应。对于给定的介质，振动面的转角与介质的长度 L及磁场强度H 成正比：? ?VHL 。（2.1）其中，比例系数V 叫做费尔德（Verdet）常数，由介质和光波波长决定。磁致旋光效应的旋转方向仅

38、与磁场方向有关，与光线传播方向的正逆无关，这种磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象是不同的。光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方向相反而相互抵消，但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，因此，磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程。目前研究较多、实用化程度较高的无源型 ECT 是基于法拉弟磁光效应原理的电流互感器，即利用法拉弟效应测量光在光纤或磁光物质中传播时受附近电流所产生的磁场的影响而使光的极化方向发生偏转的原理来测量磁场强度，进而测量电流。基于法拉弟磁光效应的电子式电流互感器的示意图如图2.2所示。无源型ECT 的特点是系统的线性度好，灵敏度高，绝缘性能好，其难点是精度

39、和稳定性受温度、振动的影响较大。基于法拉弟效应的 ECT 根据传感头光学结构的不同，又可分为块状玻璃式、全光纤式、集磁环式等几种，如图2.3所示。块状玻璃型 ECT 中光源经调制与极化变成偏振光，通过光纤引入到具有法拉弟效应的磁光材料中，光在其内多次反射并被电流产生的同方向的磁场调制，再通过另一条光纤输入到光电探测器中21，经电子电路处理后完成信号的探测。选取传感材料时要考虑光学特性，运行范围，稳定性等因素，通常选取 Verdet 常数大，温度系数小的磁光材料，以提高传感器的灵敏度和温度稳定性。全光纤型ECT 中传感和信号传输部分均采用光纤，利用光纤作为磁光材料。将光纤缠绕在被测电流导线外面，

40、光源产生的激光通过起偏器变成线性偏振光，然后进入光纤，线性偏振光经过光纤线圈后再经过检偏器分析，然后用光检测器检测偏转角? ，即可换算出电流。这种结构的无源 ECT 的优点是结构简单，成本低，受附近其他磁场的影响小，可用多绕圈数的方法来提高其灵敏度。主要缺点是光纤绕制时其截面上所受的应力不均匀、扭曲、内部晶体结构变化以及温度变化等因素使通过的光产生双折射现象，影响 ECT 的测量精度和稳定性19,2224，近年来国外已研究成功将绕制后的光纤线圈通过高温退火技术以减小双折射现象，25 但在退火后，光纤的外保护层将受到损坏，需要重新制作外保护层，在制作新保护层时要注意不要将残余的双折射效应又引入光

41、纤线圈26。集磁环式 ECT 是以一小块磁光材料作为传感元件，并在它周围加一环形的导磁材料以加强磁光材料中的磁场强度，以增加其测量灵敏度，这种无源 ECT 的传感头光路比较简单，设备尺寸小，气隙较大，易于实现，但由于存在集磁环铁心，因此在故障电流下可能存在饱和、磁滞现象。这种 ECT 的测量结果受周围电流的影响，气隙的磁场分布不均匀，测量结果与传感头的位置有关2728。2.4 有源型电子式电流互感器的工作原理及总体结构有源型 ECT 利用电磁式 CT、分流器或 Rogowski 线圈传感出与被测电流成比例的信号，通过电光转换后，利用光纤将光信号传送到低压侧，再经过光电转换将电信号汇入合并单位供

42、二次设备使用。其中基于 Rogowski 线圈原理的有源ECT因其测量范围大，线性度好，无磁饱和等优点而成为研究的热点。这种电流互感器既利用了光纤系统提供的高绝缘性的优点，显著降低了电流互感器的制造成本、体积和重量，又充分发挥了被电力系统广泛接受的常规 CT 测量装置的优势，同时还避免了无源 ECT 传感头光路的复杂性及全光纤传感头线性双折射、块状玻璃全反射相位差等技术难点。但有源 ECT 因为高压侧有信号处理电路，故必须要有一个稳定的供电系统才能正常工作。有源 ECT 主要由传感头，高压侧数据采集单元，信号传输系统，合并单元，高压侧电源组成。图 2.4 是采用光供电的有源型 ECT 的结构图

43、。2.4.1 Rogowski线圈传感头有源型ECT 的传感头一般采用 Rogowski 线圈。Rogowski 线圈测量电流是依据全电流的电磁感应原理，实质上是一组导线线圈缠绕在一个非磁性骨架上组成的。因为无铁磁材料，故传感器没有磁饱和现象，即使被测电流的直流分量很大，它也不饱和，线性度好29。其结构如图2.5所示，当线圈的结构一定时，线圈的互感M 为一常量，测量线圈所交链的磁链与穿过 Rogowski 线圈限定面的电流成正比。不论线圈截面为何种形状，Rogowski 线圈均有：即感应电势e与一次侧电流变化率成正比，相位相差900 。与传统电磁式互感器相比，基于 Rogowski 线圈原理的

44、 ECT 具有很多的优点：（1）测量准确度高，可优于0.1%；（2）测量范围宽，可测量的电流范围可从几安培到几千安培；（3）频率范围宽，根据不同要求可设计到0.1Hz 到1MHz，特殊的可设计到200MHz，其低频电流测量等效电路图如图2.6所示；（4）可以测量其他技术不便使用的受限制领域的大电流；（5）不含铁心，暂态性能好；（6）绝缘性能好，造价低；2.4.2 高压侧数据采集单元在有源 ECT 的传感头位于高压侧，如果将其输出的原始信号通过电缆输送到低压侧处理，电磁干扰将会直接影响测量结果的准确性。因此，应在高压侧利用数据采集系统将传感头输出的模拟信号转换成数字信号，然后经由光纤传输到低压侧

45、。这样既保障了高压侧与低压侧的电气隔离，又有效地减小了电磁干扰对测量结果的影响3031。根据电子式电流互感器输出信号的特点及相关标准对信号传输的要求，可以将高压侧数据采集单元分为信号调理和逻辑控制电路两个部分，其主要的功能是：逻辑控制电路在接收到低压侧合并单元发送的同步采样命令后，启动信号调理模块对 Rogowski 线圈输出的二次电压信号进行高速采样，并将采样值组帧编码，经电光转换（E/O）变成光信号，通过光纤向低压侧的合并单元传输。其结构框图如图 2.7 所示。设计中选用 ADE7759 芯片来实现信号的采样及调整的功能，ADE7759 是AnalogDevice公司生产的一款功能先进的能

46、量计量芯片。内部集成了两个二阶的? ? 型模数转换器（ADC），两个模拟信号通道：电流通道（CH1）和电压通道(CH2)。在电流通道上有一个数字积分器，能够直接接到Rogowski 线圈电流传感器，从而省去了外部的模拟积分器，能够保证长时间的稳定性和电流、电压通道之间的精确相位匹配。该数字积分器具有-20dB/dec 的衰减和大约-90的相移。在40 Hz70 Hz范围内幅频、相频响应较理想，相位随频率的波动可以忽略，且性能稳定。在实际应用时，一个逻辑控制电路模块需要接入多个信号采样及调整模块，这就要求逻辑控制电路有较多的 I/O 口可供配置。同时，在计算被测一次电流时需要对 Rogowski

47、 线圈二次电压信号的采样值进行积分；ADE7759 的信号采样率选用 14kSPS，高采样率可以提高积分的精度，还能简化 ADC 的前置电路的设计。一般的单片机难以满足要求，采用现场可编程门阵列（FPGA）不仅能够很好地解决上述问题，还能够方便地对数据信息进行编码传输。逻辑控制电路模块利用FPGA控制ADE7759进行信号采样及相应的处理，然后从ADE7759 中读出电流、电压信号的采样值，送入到数据排序模块中进行排序输出，经过组帧编码模块将数据变成曼彻斯特码输送到电光转换模块。 2.4.3 信号传输系统把高压侧采样的数字信号传送到低压侧，目前普遍采用光纤技术来传送。采用光纤传送信号具有如下优

48、点：（1）抗电磁干扰及抗共模干扰能力强；（2）高低压侧隔离性能好，低压侧负载对高压侧无影响；（3）响应时间短、精度高；（4）传输损耗低。光纤一方面用来传输被测电流信号的数据信息，另一方面保障了高压侧与低压侧的电气隔离，有效地减小了电磁干扰对测量结果的影响。设计中光发送器选用HBFR-1414 型光电模块，光接收器采用HBFR-2412型光电模块。其发送波长为 820nm，传输数率为5MBd，传送距离为2000m，选用62.5/125m多模玻璃光纤连接。光纤传输的接口示意图如图 2.8 所示。高压侧数据采集单元采样的数据信息经 HBFR-1414 转换为光信号，通过光纤传输到低压侧合并单元中的接

49、收器 HBFR-2412，经过整形放大之后转换成和 TTL 电平兼容的脉冲信号输出，便于后级电路对数据信息的处理。2.4.4 合并单元合并单元（MergingUnit，简称 MU）是电子式电流互感器重要组成部分，它连接了电子式电流互感器二次转换器与变电站二次设备（同时也用于电子式电压互感器）。采用一台合并单元（MU）可汇集多达 12 个二次转换器数据通道。一个数据通道承载一台电子式互感器或一台电子式互感器采样测量值的单一数据流。在多相或组合单元时，多个数据通道可以通过一个实体接口从二次转换器传输到合并单元。合并单元对二次设备提供一组时间相干的电流和电压样本。二次转换器也可从常规电压互感器或电流

50、互感器获取信号，并可汇集到合并单元。合并单元的主要功能是同步采集三相电流电压输出的数字信息并汇总按照一定的格式输出给二次保护控制设备。合并单元与二次设备的接口是串行单向多路点对点连接，它将 7 个（3 个测量，3个保护，1个备用）以上的电流互感器和5个（3个测量、保护，1个线路，1个备用）以上的电压互感器合并为一个单元组，并将输出的瞬时数字信号填入到同一个数据帧中，如图 2.9 所示。图中 EVTa 是指电子式电压互感器 a 相；ECTa 是指电子式电流互感器 a 相；SC 是指二次转换器。合并单元以曼彻斯特编码格式将这些信息组帧发送给二次保护、控制设备，报文内主要包括了各路电流、电压量及其有效性标志，此外还添加了一些反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息。2.4.5 高压侧电源由于有源电子式互感器的数据采集单元安装在高压侧，并且是由电子电路构成，必须有相应的电源提供给高压侧的数据采集单元。因此，高压侧电源成为有源电子式互感器实用化过程中的一个关键问题。针对这一问题，科研人员提出了多种供电方式，如激光供电、利用特制电流互感器在线取电、微波供电、太阳能供电等等，在后面的章节中将对高压侧电源作详细的介绍和研究。电磁传感、光纤传信号的有源电子式互感器既利用了现有的实用