第七章 互感器725-741

1、 DHT1 内蒙古岱海发电有限责任公司培训教材第七章 互感器第一节 概 述互感器是电力系统中供测量仪表、继电保护和自动装置等二次设备获取相关电气一次设备回路信息的传感器。互感器将高电压大电流按比例变成低电压（110、1003、50V）和小电流（5、1、0.5A），其一次侧接在一次系统，二次侧接二次系统。通常，测量仪表与继电保护和自动装置工作状态不同，分别接在互感器不同的二次回路中。互感器的作用是：（1）使高压装置与测量仪表和继电器在电气方面很好的隔离，保证工作人员的安全。（2）使测量仪表和继电器标准化和小型化，并可采用小截面电缆进行远距离测量。（3）当电路上发生短路时，保护测量仪表的电流线圈，

2、使它不受大电流的损害。（4）能使用简单而经济的标准化仪表和继电器，并使二次回路接线简单。为了确保工作人员在接触测量仪表和继电器时的安全，互感器的每一个二次绕组必须有一可靠的接地。以防绕组间绝缘损坏而使二次部分长期存在高电压。互感器包括电流互感器和电压互感器两大类，主要是电磁式的。电容式电压互感器，在超高压系统中被广泛应用。非电磁式的新型互感器，如光电耦合式、电容耦合式及无线电电磁波耦合式电流互感器目前使用不多。第二节 电磁式电流互感器一、电磁式电流互感器的工作原理 图71 电流互感器原理接线图1电流互感器铁芯2次绕组3二次绕组4电流表 5电流继电器 6用电负荷电力系统中广泛采用的是电磁式电流互

3、感器（以下简称电流互感器，用TA表示）。它的工作原理与变压器相似，其原理接线如圈7l所示。其特点有：（1）一次绕组串联在被测电路中，匝数很少。一次绕组中的电流完全取决于被测电路的电流，而与二次电流无关。（2）二次绕组匝数多，且所串联的仪表或继电器的电流线圈阻抗很小，所以正常运行时，电流互感器接近于在短路状况下工作。二、电流互感器的误差电流互感器一、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定变（流）比Ki ，可表示为Ki=IN1/IN2N2/N1I1/I2（71）式中 N1、N2：二次绕组匝数电流互感器的等值电路和简化相量图如图72所示。根据磁通势平衡原理IIN1+I2N2I0N1 （72）可看出，

4、由于铁芯中产生磁通，铁芯的发热和交变励磁以及二次绕组和二次回路导线的发热，电流变换消耗能量，使一次电流I1与I2在数值和相位上都有差异，即测量结果有误差。这种误差通常用电流误差和相位误差表示。电流误差，由二次绕组测得的一次电流近似值kiI2与一次电流实际值II之差，对一次电流实际值的百分比，称为电流误差，即fi(KiI2I1)/I1 ×100% （73）并规定KiI2I1时，电流误差为正，反之为负。相位误差。二次电流I2旋转180°后与一次电流Il的夹角i称为角误差，并规定I2超前I1时，i为正值；反之为负值。将式（7l）代入式（73），则fi（I2N2I1N1）/I1N1

5、×100% （74）式（74）中I2N2及I1N1只表示其绝对值的大小，当I1N1大于I2N2时，电流误差为负；反之为正。从相量图可知I2N2I1N1obodbd，当i很小时，bdbc，则fi（I0N1/I1N1）sin（+）×100% （75）isini （I0N1/I1N1）cos（+）×3440 （76）图72 电流互感器(a)等值电路, （b）简化相量图2 Z2L功率因数角；二次总阻抗角；铁芯合成磁通；超前E2 90°；铁芯损耗角；I0NI励磁磁通势式（75）和式（76）表明电流互感器的误差可用励磁磁通势I0N1表示。I0N1为电流互感器绝对误差

6、，I0N1/I1N1表示的是相对误差。当相量图中的I0N1用I0N1/I1N1表示时，则I0N1/I1N1在横轴上的投影就是电流误差，I0N1I1N1在纵轴上的投影就是相位误差。电流误差和相位误差的正负号可由图72（b）中以O点为原点所选择的直角坐标系来确定。三、电流互感器的准确级和额定容量1电流互感器的准确级图73 电流互感器10%误差曲线准确级代表电流互感器测量的准确程度。电流互感器准确级就是在规定的二次负荷范围内，一次电流在额定值附近时的最大误差限值。电流互感器的误差大小，集中反映在励磁电流I0的大小，而I0 的大小除与电流互感器的铁芯材料、结构有关外，还与一次电流及二次负荷有关。电流互

7、感器误差曲线如图73所示，根据测量时误差的大小，电流互感器划分为不同的准确级。我国电流互感器准确级和误差限值如表71所示。2.电流互感器的额定容量电流互感器的额定容量SN2是指电流互感器在额定二次电流IN2和额定二次阻抗ZN2下运行时，二次绕组输出的容量 SN2= I2N2×ZN2由于电流互感器的二次电流为标准值（5A或1A），故其容量常用额定二次阻抗来表示。表71 电流互感器准确级和误差极限准确级次一次电流为额定电流的百分数（%）误差极限二次负荷变化范围电流误差（±%）相位误差（±）0.210201001200.50.350.2201510（0.251）SN20

8、.5102010012010.750.56045301102010012021.5112090603501203不规定（0.51）SN23保护型准确级保护用电流互感器按用途可分为稳态保护用（P）和暂态保护用（TP）两类。稳态保护用电流互感器的准确级常用的有5P和10P。保护级的准确级是以额定准确限值一次电流的最大复合误差来标称的，所谓额定准确限值一次电流是一次电流为额定一次电流的倍数。也称为额定准确限值系数。图73所示为在保证电流误差不超过10%的条件下，一次电流的倍数n（I1/IN1）与允许最大二次负载阻抗Z2L的关系曲线。四、电流互感器二次侧开路的影响电流互感器正常工作时二次侧接近于短路状

9、态，当Z2L=，即二次绕组开路，电流互感器由正常短路工作状态变为开路工作状态，I20，励磁磁通势由正常为数甚小的I0N1骤增为I1N1，由于二次绕组感应电动势是与磁通的变化率d/dt成正比的，因此，二次绕组将在磁通过零前后，感应产生很高的尖顶波电动势，如图74所示，其值可达数千甚至上万伏（与电流互感器额定互感比及开路时一次电流值有关）将危及工作人员人身安全、损坏仪表和继电器的绝缘。由于磁感应强度骤增，会引起铁芯和绕组过热。此外，在铁芯中还会产生剩磁，使互感器准确级变低。因此，当电流互感器一次绕组通有（或可能出现）电流时，二次绕组是不允许开路的。五、电流互感器二次侧必须一点接地。 电流互感器二次

10、接地的目的是为了防止一、二次侧之间绝缘击穿时造成人身和设备的损伤。电流互感器只允许有一个接地点，对于差动保护电流回路则在配电装置箱内经端子排接地。为什么不能多点接地呢？因为多点接地会形成分路，易使继电保护拒绝动作，如果电流互感器端子箱处已接地（a点），继电器附近的保护盘端子排上再有接地点（b点）恰巧b点又在继电器线圈另一侧的话，则继电器线圈的电流被两个接地点形成回路分流，使流过继电器线圈的电流减小，故障时有可能动作不了。六、电流互感嚣的分类和结构1电流互感器的分类（1）按安装地点分为户内式和户外式。35KV以下电压级一般为户内式。（2）按安装方式可分为穿墙式、支持式和装入式。穿墙式装在墙壁或金

11、属结构的孔中，可节省穿墙套管；支持式，安装在平面或支柱上；装入式，套在35KV及以上变压器或多油断路器油箱内的套管上，故也称套管式。（3）按绝缘可分为干式、浇注式、油浸式和气体绝缘式。干式的适合于低压户内使用；浇注式用环氧树脂作绝缘；适合于35KV及以下电压级户内用；油浸式多用于户外型设备；气体绝缘式通常用空气、六氟化硫作绝缘，特别是六氟化硫气体绝缘适用于高电压等级。（4）按一次绕组匝数可分为单匝式和多匝式。单匝式又分为本身没有一次绕组（如母线型、套管型或钳型）和有一次绕组（如一次绕组做成U形或杆形）；多匝式可分为线圈型、8字型等。2电流互感器的结构电流互感器通常由铁芯，一、二次绕组及相应的绝

12、缘、瓷套、二次接线盒等组成。额定电流在400A以下通常采用多匝式；单匝式“U”字形绕组的电流互感器，由于采用圆筒式电容串结构绝缘，电场分布均匀，在110KV及以上电压等级得到广泛应用。有一种电流互感器，它具有多个没有磁联系的独立铁芯，所有铁芯上的一次绕组是公共的，而每个铁芯上都有一个二次绕组，构成一个多绕组电流互感器。多个二次绕组可有相同或不同变比、不同或相同准确级。对于110KV及以上的电流互感器，为了适应一次电流的变化和减少产品的规格，常将一次绕组分成几组，通过绕组的串、并联，以获得23种变比。七、电流互感器的极性及接线方式1电流互感器的极性图75 电流互感器同极性端（a）原理图；（b）接

13、线图图74 电流互感器二次测开路 i1、和e2的变化曲线电流互感器的极性按减极性原则标准，如图75所示。当一次侧电流I1由L1流向L2，二次侧电流I2 ，在二次绕组内部从K2流向K1，在二次负荷中从K1流向K2时，规定L1和kl为同极性端（L2和K2亦为同极性端）。图76 电流互感器接线方式（a）一相式；（b）两相V形；（c）两相电流差；（d）三相Y形 2电流互感器的接线方式电流互感器常用的接线方式如图76所示图76（a）所示为一相式接线方式。电流表通过的电流为一相的电流，通常用于负荷平衡的三相电路中。图76（b）所示为两相V形接线方式，也叫不完全星形接线，公共线中流过的电流为两相电流之和，所

14、以这种接线又叫两相电流和接线，由IaIcIb可知，二次侧公共线中的电流，恰为未接互感器的B相的二次电流，因此这种接线可接三只电流表，分别测量三相电流，所以广泛应用于无论负荷平衡与否的三相三线制中性点不接地系统中，供测量或保护用。图76（c）所示为两相电流差接线方式。该接线方式二次侧公共线中流过的电流If为Ia、Ic两个相电流之差，即IfIa一Ic，其数值等于一相电流的3倍，多用于三相三线制电路的继电保护装置中。图76（d）所示为三相Y形接线方式。三只电流互感器分别反映三相电流和各种类型的短路故障电流。广泛用于负荷不论平衡与否的三相三线制电路和低压三相四线制电路中，供测量和保护用。八、岱海电厂5

15、00kv电流互感器简介：我厂500kv升压站一期设计使用了18台CTH-550型电流互感器，作为500kv线路的测量和保护. CTH-550型电流互感器属于户外、单相、油浸式，一次绕组串、并联可分别得到1250A和2500A的电流，二次绕组均匀地布置在圆形铁心上，绕组和铁芯组件通过支持件固定在油箱内，电流互感器磁帽上装有金属膨胀器作为温度补偿，金属膨胀器把绝缘油和空气隔离，保护油不受潮和氧化。铁芯设计7级，由海波西尔高导磁率硅钢制成。下面简单介绍CTH-550型电流互感器的基本技术参数：型号CTH-550额定电压kV, rms550正常运行电压kV, rms500/变流比1250-2500/1

16、/1/1/1/1/1/11 min工频耐压kV, rms680雷电冲击耐压kV peak1550操作冲击耐压kV peak1175绝缘子最大直径mm370最小爬电距离mm16300最小闪络距离mm4000负载VA20(0.2s/0.2/5P20) 15(TPY)准确等级0.2s/0.2/5P20/TPY/TPY/TPY/TPY铁芯型式海波西尔高导磁率硅钢1-2 测量(0.2s/0.2/)3-7 保护 （5P20/TPY/TPY/TPY/TPY）自振频率Hz5制造厂ALSTOM第三节 电压互感器目前电力系统广泛应用的电压互感器，用TV表示。按其工作原理可分为电磁式和电容分压式两种。对于500KV

17、电压等级，我国只生产电容分压式，本节将着重分析此种互感器。一、电磁式电压互感器1电磁式电压互感器的工作原理电磁式电压互感器的工作原理、构造和接线方式都与变压器相似。它与变压器相比有如下特点：（1）容量很小，通常只有几十到几百伏·安。（2）电压互感器一次侧的电压U1为电网电压，不受互感器二次侧负荷的影响，一次侧电压高，需有足够的绝缘强度。（3）互感器二次侧负荷主要是测量仪表和继电器的电压线圈，其阻抗很大，通过的电流很小，所以电压互感器的正常工作状态接近于空载状态。电压互感器一、二次绕组额定电压之比称为电压互感器的额定变（压）比，即KuUN1/UN2N1/N2U1/U2 （77）Nl，N

18、2互感器一、二次绕组匝数；U1，U2互感器一次实际电压和二次电压测量值；UN1等于电网额定电压，UN2已统一为100（或1003）V，所以Ku也标准化了。2电压互感器误差图77 电磁式电压互感器简化相量图电压互感器的等值电路与普通变压器相同，其简化相量图如图77所示。由于存在励磁电流和内阻抗，使得从二次侧测算的一次电压近似值KuU2与一次电压实际值Ul大小不等，相位差也不等180°，产生了电压误差和相位误差，两种误差定义如下。电压误差为 fu=（KuU2U1）/U1×100%KuU2U10时，fu为负，反之为正。相位误差为旋转180°的二次电压相量U2与一次电压相

19、量U1之间成夹角u ，并规定U2超前于U1时相位误差为正，反之为负。这两种误差除受互感器构造影响外，还与二次侧负荷及其功率因数有关，二次侧负荷电流增大，其误差也增大。国家规定电压互感器准确级等级分为四级，即0.2、0.5、1和3级。电压互感器的准确级，是指在规定的一次电压和二次负荷变化范围内，负荷功率因数为额定值时，电压误差的最大值。我国电压互感器准确级和误差限值标准见表72。由于电压互感器误差与二次负荷有关，所以同一台电压互感器对应于不同的准确级便有不同的容量。通常，额定容量是指对应于最高准确级的容量。电压互感器按照在最高工作电压下长期工作容许发热条件，还规定了最大容量。例如：JSTW10型

20、三相五柱式电压互感器的铭牌参数。准确级：0.5，1，3，最大容量额定容量（VA）：120，200，480，960电压互感器二次侧的负荷为测量仪表及继电器等电压线圈所消耗的功率总和S2 ，选用电压互感器时要使其额定容量SN2S2，以保证准确级等级要求。其最大容量是根据持久工作的允许发热决定的，即在任何情况下都不许超过最大容量。表72 电压互感器的准确级和误差限值准确级误差极限一次电压误差范围频率、功率因数及二次负荷变化范围电压误差（±%）相位误差（±）0.20.5130.20.51.03.0102040不规定（0.81.2）UN1（0.251）SN2cos2=0.8f=fn3

21、P6P3.06.0120240（0.051）UN13电磁式电压互感器的分类和使用特点电磁式电压互感器由铁芯和绕组等构成。根据绕组数不同，电压互感器可分为双绕组式的和三绕组式的。按相数分，电压互感器可分为单相式的和三相式的，20KV以下才有三相式，且有三相三柱式和三相五柱式之分。在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中。三相三柱式一次侧只能接成Y形，其中性点不允许接地，这种接线方式不能测量相对地电压。而三相五柱式电压互感器一次绕组可接成Y 0形。按绝缘方式分，电压互感器可分为浇注式、油浸式、干式、充气式的。油浸式电压互感器按其结构型式可分为普通式和串级式的。335KV的电压互感器一般均制成普通式，

22、它与普通小型变压器相似。110KV及以上的电磁式电压互感器普遍制成串级式结构。其特点是：绕组和铁芯采用分级绝缘，以简化绝缘结构；绕组和铁芯放在瓷套中，可减少质量和体积。图78为220KV串级式电压互感器的原理接线图。互感器由两个铁芯（元件）组成，一次绕组分成匝数相等的四个部分，分别套在二个铁图78 220KV串级式1铁芯；2一次绕组；3平衡绕组；4连耦绕组；5二次绕组芯的上、下铁芯柱上，按磁通相加方向顺序串联，接在相与地之间。每一元件上的绕组中点与铁芯相连，二次绕组绕在末级铁芯的下铁芯柱上。当二次绕组开路时，一次绕组电位分布均匀，绕组边缘线匝对铁芯的电位差为Uph4（Uph为相电压）。因此，绕

23、组对铁芯的绝缘只需按Uph4设计，而普通结构的则需要按Uph设计，故串级式的可大量节约绝缘材料和降低造价。当二次绕组接通负荷后，由于负荷电流的去磁作用，末级铁芯内的磁通小于其他铁芯的磁通，从而使各元件感抗不等，磁通磁势与电压分布不均，准确级下降。为了避免这一现象，在两铁芯相邻的铁芯柱上，绕有匝数相等的连耦绕组（绕向相同，反向对接）。这样， 当各个铁芯中磁电压互感器的原理通不相等时，连耦绕组内出现电流，使磁通较大的铁芯去磁，磁通较小的铁芯增磁，从而达到各级铁芯内磁通大致相等和各元件绕组电压均匀分布的目的。在同一铁芯的上、下铁芯柱上，还设有平衡绕组（绕向相同、反向对接），借平衡绕组内的电流，使两铁

24、芯柱上的安匝分别平衡。电压互感器接线方式一般为：单相接线方式，VV接线方式、三台单相的接线方式为Y 0Y 0C，三相三柱式的接线方式为YY。电磁式电压互感器安装在中性点非直接接地系统中，且当系统运行状态发生突变时，有可能发生并联铁磁谐振。为防止此类铁磁谐振的发生，可在电压互感器上装设消谐器，亦可在开口三角端子上接入电阻或白炽泡。电压互感器与电力变压器一样，严禁短路。若发生短路，则应采用熔断器保护。110500KV电压级一次侧没有熔断器，直接接入电力系统（一次侧无保护）。35KV及以下电压级一次侧通过带或不带限流电阻的熔断器接入电力系统。电压互感器的一次电流很小，熔断器的熔件截面只能按机械强度选

25、取最小截面，它只能保护高压侧，也就是说只有一次绕组短路才熔断，而当二次绕组短路和过负荷时，高压侧熔断器不可能可靠动作，所以二次侧仍需装熔断器，以实现二次侧过负荷和过电流保护。但需注意在以下几种情况下，不能装熔断器：（1）中性线、接地线不准装熔断器；（2）辅助绕组接成开口三角形的一般不装熔断器；（3）V形接线中，b相接地，b相不准装熔断器。用于线路侧的电磁式电压互感器，可兼作释放线路上残余电荷的作用。如线路断路器无合闸电阻，为了降低重合闸时的过电压，可在互感器二次绕组中接电阻，以释放线路上残余电荷，并且此电阻还可以消除断路器断口电容与该电压互感器的谐振。二、电容式电压互感器随着电力系统输电电压的

26、增高，电磁式电压互感器的体积越来越大，成本随之增高，因此研制了电容式电压互感器，又称CVT。目前我国500KV电压互感器只生产电容式的。1电容式电压互感器的工作原理电容式电压互感器采用电容分压原理，如图79所示。在图中，U1为电网电压；Z2表示仪表、继电器等电压线圈负荷。U2=UC2 ，因此U2=UC2=U1×C1/（C1+C2）=KuU1 （78）式中 Ku分压比， Ku=C1/（C1+C2）由于U2与一次电压U1成比例变化，故可以U2代表U1，即可测出相对地电压。图710 电容式电压互感器等值电路图79 电容分压原理 为了分析互感器带上负荷Z2后的误差，可利用等效电源原理，将图7

27、9画成图710所示的电容式电压互感器等值电路。从图710可看出，内阻抗Zl/ j（C1C2） （79）当有负荷电流流过时，在内阻抗上将产生电压降，从而使U2与Ul×C1/（C1+C2）不仅在数值上而且在相位上有误差，负荷越大，误差越大。要获得一定的准确级，必须采用大容量的电容，这是很不经济的。合理的解决措施是在电路图710中串联一个电感如图711所示。电感L应按产生串联谐振的条件选择，即 2fL=1/2f（C1+C2） f=50Hz所以 L=1/42f2（C1+C2） （710）理想情况下，Z2jL一j1/（C1C2）0，输出电压U2与负荷无关，误差最小，但实际上Z20是不可能的，因

28、为电容器有损耗，电感线圈也有电阻，Z20，负荷变大，误差也将增加，而且将会出现谐振现象，谐振过电压将会造成严重的危害，应力争设法完全避免。为了进一步减小负荷电流所产生误差的影响，将测量电器仪表经中间电磁式电压互感器（TV）升压后与分压器相连。2电容式电压互感器的基本结构电容式电压互感器基本结构如图712所示。其主要元件是：电容（C1, C2），非线性电感（补偿电感线圈）L2 ，中间电磁式电压互感器TV。为了减少杂散电容和电感的有害影响，增设一个高频阻断线圈L1 ，它和L2及中间电压互感器一次绕组串联在一起，L1、L2上并联放电间隙E1、E2 ，以资保护。 图 711 串联电感电路图712 电容

29、式电压互感器结构原理图电容（C1 ，C2）和非线性电感L2和TV的一次绕组组成的回路，当受到二次侧短路或断路等冲击时，由于非线性电抗的饱和，可能激发产生次谐波铁磁谐振过电压，对互感器、仪表和继电器造成危害，并可能导致保护装置误动作。为了抑制高次谐波的产生，在互感器二次绕组上装设阻尼器D，阻尼器D具有一个电感和一电容并联，一只阻尼电阻被安插在这个偶极振子中。阻尼电阻有经常接入和谐振时自动接入两种方式。3电容式电压互感器的误差电容式电压互感器的误差是由空载电流、负载电流以及阻尼器的电流流经互感器绕组产生压降而引起的，其误差由空载误差f0和0，负载误差fL和L，阻尼器负载电流产生的误差fD和D等几部

30、分组成，即fu=f0+fL+fD （711）u=0+L+d （712）以上两式中的各项误差，可仿照本节前述的方法求得。当采用谐振时自动投入阻尼器者，其fD和D 可略而不计。电容式电压互感器的误差除受一次电压、二次负荷和功率因数的影响外，还与电源频率有关，由式（710）可知，当系统频率与互感器设计的额定频率有偏差时，由于L1/（C1+C2），因而会产生附加误差。图713 CCV系列电容式电压互感器结构图1电容器；2瓷套管；3高介电强度的绝缘油；4密封设施；5膜盒；6密封金属箱；7阻尼器；8低压接线盒电容式电压互感器由于结构简单、重量轻、体积小、占地少、成本低，且电压愈高效果愈显著，分压电容还可兼

31、作载波通信耦合电容。因此它广泛应用于110500KV中性点直接接地系统。电容式电压互感器的缺点是输出容量较小、误差较大，暂态特性不如电磁式电互感器。4电容式电压互感器的典型结构图713所示为法国ENERTEC生产的CCV系列电容式电压互感器结构图。图中电容器每一电容元件由高纯度纤维纸张优质的VOLTAM和铝膜卷制而成，组装成一个电容单元，经真空、加热、干燥，予以除气和去湿。然后装入套管内，浸入绝缘油中。在高压电网中，电容部分由若干个叠装的单元构成，可拆卸运输。互感器最上部（首部）有一帽盖，系由铝合金制成，上有阻波器的安装孔。电压连接端也直接安置于帽盖的顶部，是一种圆柱状或扁板状的连接端子，可供

32、选择。帽盖内含有一个弹性的腰鼓形膨胀膜盒，用以补偿运行时随温度变化而改变的油的容积。侧面的油位指示器可观察油面的变化。整个膨胀膜盒均与外界隔绝，密封面不与气室相接触。三、岱海电厂500kv电压互感器简介：我厂500kv升压站采用上海MWB互感器有限公司生产的TEMP-500IU型电压互感器，由电容分压器、中间电压互感器、电抗器和一个阻尼器组成。电容分压器由一个主电容器和分压电容器组成，电容分压器浸在油中，顶部装有一个金属膨胀器，用于温度补偿；中间电压互感器一次绕组有许多抽头，二次绕组与一个阻尼器连接；串联电抗器的铁心有可调节气隙，且一端接地。TEMP-500IU型电压互感器有四个绕组，准确度等级分别为0.2、0.5、3P、3P，对应的绕组容量分别为30、50、100、100VA，下面简单说明一下技术参数：正常运行电压kV, rms500/额定雷电冲击耐压kV,峰值1675额定操作冲击耐压kV,峰值11751 min