电流互感器分类及原理

1、1、电流互感器(Current Transformer，CT)电力系统电能计量和保护控制的重要设备，是电力系统电能计量、继电保护、系统诊断与监测分析的重要组成部分，其测量精度、运行可靠性是实现电力系统安全、经济运行的前提。目前在电力系统中广泛应用的是电磁式电流互感器。2、电流互感器国标(GB 1208-87S) 1）准确级：以该准确级在额定电流下所规定的最大允许电流误差百分数标称。2）测量用电流互感器的标准准确级有：0.1、0.2、0.5、1、3、5；/ B( p6 a2 p9 n6 o. V特殊要求的电流互感器的准确级有：0.2S和0.5S；保护用电流互感器准确级有：5P和10P两

2、级。3、电磁式电流互感器 1）原理：一次线圈串联于被测电流线路中，二次线圈串接电流测量设备，一二次侧线圈绕在同一铁芯上，通过铁芯的磁耦合实现一次二次侧之间的电流传感过程。一二次侧线圈之间以及线圈与铁芯之间要采取一定的绝缘措施，以保证一次侧与二次侧之间的电气隔离。根据应用场合以及被测电流大小的不同，通过合理改变一二次侧线圈匝数比可以将一次侧电流值按比例变换成标准的1A或5A电流值，用于驱动二次侧电器设备或供测量仪表使用。2）缺点：. 绝缘要求复杂，体积大，造价高，维护工作量大；. 输出端开路产生的高电压对周围人员和设备存在潜在的威胁；. 固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频率响应范围窄；. 输

3、出信号不能直接和微机相连，难以适应电力系统自动化、数字化的发展趋势。4、电子式电流互感器 1）特征：. 可以采用传统电流互感器、霍尔传感器、空心线圈（或称为 Rogowski coils）或光学装置作为一次电流传感器，产生与一次电流相对应的信号；. 可以利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的信号传输介质；. 二次转换器的输出可以是模拟量电压信号或数字量。2）分类（1）按传感原理的不同划分：光学电流互感器和光电式电流互感器 I、光学电流互感器(Optical Current Transformer，简称OCT)原理：传感器完全基于光学技术和光学器件来实现。 II、光电式电流互感器(Opto-E

4、lectronic Current Transformer，简称OECT) 原理：传感部分采用电子器件而信号的传输采用光学器件和光学技术，是光电子技术的结合。 （2）按传感侧是否需要电源划分：无源型电流互感器和有源型电流互感器 I、无源型电流互感器：光学电流互感器的传感和传输部分均采用无源光学器件，其利用 Farady 磁光效应，传感和传输信号都是来自二次侧的光信号，一次侧不需要额外能量供给。因此光学电流互感器属于无源型电流互感器。II、有源型电流互感器：一种基于传统电流传感原理、采用有源器件调制技术、由光纤将高压端转换得到的光信号传送到低压端解调处理并得到被测电流信号的新型电流互感器、由于其

5、电路需要工作电源，故称为有源式光电电流互感器。因此光电式电流互感器属于有源型电流互感器。国际电工委员会统一标准，按照传感机理将其分为三类：光学电流互感器、低功率电流互感器、空芯电流互感器。3）国内外研究现状：国外研发单位或公司产品准确度ABB公司1991 年72KV765KV全系列有源电子式电流互感器产品0.2Photonic Power Systems 公司采用多路信号组合方式有源电子式电流互感器Siemens 公司激光供能型电子式电流互感器Alstom 公司2000年光学电流互感器在美国德州挂网运行Nxtphase 公司2001 年采用全光纤传感三相 COVCTNXVCT 在 Hydro

6、Quebec 成功安装国内研发单位或公司产品准确度清华大学罗承沐教授2002年110KV 的基于Rogowski 线圈的有源式光电电流互感器，在山东挂网运行 0.2华中科技大学张冈博士基于空心线圈的有源电子式电流互感器0.5南瑞继保电气有限公司2004年220KV 基于空心线圈的电子式电流互感器0.2德国斯尼文特公司与河南电力试验研究院、许继电气股份有限公司2005 年500KV 组合型有源电子式电流互感器，在郑州小刘变电站投入运行0.1国电南自新宁公司，我国第一家正式推广电子式互感器的单位2004年OET700 系列产品，低功率电流互感器和空心线圈作为电流采样元件，已在云南 110 kV 翠

7、峰站、内蒙古 220 kV 杜尔伯特站、兰州330 kV 永登站等变电站挂网运行0.10.2S哈尔滨工业大学2009年基于法拉第磁旋光效应的光学电流互感器，在华东电网、华北电网、华中电网和东北电网的500kV、220kV、110kV和35kV等4个主导电压等级的输电线路投入运行，稳定可靠4）优点：. 优良的绝缘性能，造价低；. 不含铁芯，消除了磁饱和等问题；. 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险；. 频率响应范围宽，动态响应范围大；. 无易燃、易爆炸等危险；. 积小、重量轻，给运输和安装带来很大方便；. 适应电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流；. 节省大量贵重金属材料，对保证电

8、力设备的运行安全具有极其重要的社会意义和经济价值。5）主要问题（1）无源电子式存在的问题：. 温漂问题。工作环境温度变化导致 Faraday 磁光材料发生双折射现象，双折射对输出光强产生影响，降低了系统测量准确度而无法满足电力系统计量的要求。. 长期运行稳定性问题。采用双层光路传感结构的块状玻璃式无源电子式电流互感器运行较长时间之后，输出光强明显减弱，最终失去测量电流的功能。（2）空心线圈有源电子式存在的问题：. 线圈的结构及制造工艺对测量准确度影响很大。普通空心线圈的设计准确度最高可达 0.1%，实际应用时仅为 13%，批量生产时分散性较大。. 线圈和一次母线的相对位置变化对测量准确度有一定

9、的影响，其程度取决于线圈的结构、制造工艺以及相对位置变化的大小。. 环境温度变化对线圈截面积的变化；. 工作环境中复杂强大的电磁干扰。解决方法：用金属薄片包住测量线圈. 振动使线圈与母线相对位置发生变化。解决方法：将整个传感部分采用高压绝缘导热材料浇注密封，形成一体化结构。5、电子式电流互感器光学电流互感器(OCT)：1）基于法拉第效应的光学电流互感器：利用法拉第磁光效应进行电流传感的磁光玻璃型电子式电流互感器，其特点：一次传感器为磁光玻璃，无需电源供电。其示意图如下：基于法拉第效应的光学电流互感器示意图2）法拉第磁光效应：法拉第磁光效应原理示意图如果通过一次导线的电流为i，导线周围所产生的磁

10、场强度为H，当一束线偏阵光通过该磁场时，线偏阵光的偏振角度会发生偏振，其偏振角的计算公式为：式中：V为磁光玻璃的verdet常数，L为光线在磁光玻璃中的通光路径长度。3）法拉第磁光效应在电子式电流互感器中的应用：无源磁光玻璃型电子式电流互感器在电子式电流互感器中将L设计为环路，由法拉第磁光效应原理，则：根据安培环路定律，在环路中可推出： 根据马吕斯定律，在图中：式中：为输入光强 、为经检偏器分出的两条光强 为光路中的光强衰减系数 为起偏器与检偏器夹角（为常数）则：=则可得出：4）二次处理系统模块和接口连接模块：二次处理系统模块模拟接口连接模块数字接口连接模块5）基于法拉第效应的光学电流互感器的

11、缺点：. 由于目前尚没有高精度侧量偏振面旋转角度的检侧装置，所以通常采用检偏器将线偏振光的偏振面角度变化的信息转化为光强变化的信息，然后通过光电管将光强度信号变成电强度信号，以便于检测和处理；. 要求磁光晶体传感头具有较稳定的作条件，传感头能够在外界应力、温度等条件变化的情况下保持较稳定的verdet常数；. 对系统的电子电路系统的稳定性要求也较高。 6）基于光纤干涉效应或全光纤效应的全光纤电流互感器 全光纤型光电电流互感器：其信号传感和传输部分都采用光纤。优点是传感头结构非常简单，比基于法拉第效应的磁光式电流互感器容易制造，精度、寿命及可靠性也比较高。但缺点是这种互感器需要的是比较特殊的保偏

12、光纤，否则线偏振光进入光纤后会很快变成任意偏振方向的光，对信号测量产生很大影响，而要做出有高稳定性的保偏光纤很困难，造价比较高，阻碍了这种电流互感器的实用化进程。6、电子式电流互感器基于罗柯夫斯基（Rogowski）线圈的空芯电流互感器基于Rogowski线圈空芯电流互感器示意图1）基本原理：Rogowski线圈是一个由漆包线绕制的非磁性环形空心螺线管。被测量的载流导体从空心线圈的中心轴垂直线圈平面穿过，则在线圈两端感应出正比于被测电流对时间微分的感应电动势。按照线圈截面形状分：圆形截面Rogowski线圈、矩形截面Rogowski线圈。圆形截Rogowski线圈 矩形截面Rogowski线圈

13、2）优点主要表现在：. 测量精度高：精度可设计到高于0.1%，一般为0.5%-1%. 测量范围宽：没有铁心饱和，绕组可用来测量的电流范围可从几安培到几千安培. 频率范围宽：一般可设计到0.1Hz到1MHz，特殊的可达200MHz的带通. 可测量其它技术不能使用的受限制领域的小电流. 生产制造成本低3）制作Rogowski线圈的注意事项. 互感M足够大，提供的信号超过可能存在的干扰电平，但同时线圈绕组输出电压不能过大，以免击穿线圈匝间绝缘。. 为了达到高的精确度，骨架截面做成圆形。骨架的半径不能太大。. 骨架精加工，截面积均匀，线匝均匀密绕并与磁通方向垂直。这样制作的线圈为无定向结构，在复杂外界

14、磁场下也能够准确测量被测电流，且母线在线圈内的相对位置变化时引起的误差足够小。. 线圈外加一层金属屏蔽，以减少外加杂散磁场的影响。屏蔽层不可以形成回路，否则将沿屏蔽层形成环流，对一次侧电流形成的磁场起抵消作用。. 考虑到长期运行、外界环境对温度稳定性的要求，选用热膨胀系数尽可能小的材料制成骨架。. 选用的漆包线不能过细，以免绕制过程中发生断线。. 骨架直径尺寸大于10倍的线圈厚度。4）影响Rogowski线圈测量精度的因素. Rogowski线圈的电阻R，任何造成电阻R改变的因素都是传感部分的误差来源。选择大的采样电阻R，有助于减小它对测量的影响。. Rogowski线圈的互感M，它与它与线圈

15、的结构密切相关，环境的扰动（如振动引起结构松散或温度引起的热胀冷缩）将改变这一参数，引起误差。在绕制Rogowski线圈时尽量使结构坚固、紧密，从而增强线圈适应环境变化的能力。采取这些措施，线圈的测量精度可以达到0.1%。. 被还原的电流大小，还与电路电阻、电容、放大器基准电压等有关，任意参数改变都产生误差，参数的变化主要是由元件的温度漂移引起的，所以应该选用温度稳定性好的元件，电阻采用精密电阻，电容采用云母电容。5）压频转换式有源型电流互感器压频转换式：采样线圈将流过母线的电流转化为电压信号，通过压频转换电路，即V/F转换部分，经过V/F转换后电压的变化将转换为脉冲频率的变化。电脉冲信号经过

16、电光变换器件(E/O变换)后，变为光信号，经过光纤传到低压端，低压端的光电转换器件(O/E转换)将光信号还原成电信号，再经过频压转换电路即那转换部分后，通过信号处理单元最后进行显示，其示意图如下。压频转换式电流互感器的示意图压频转换式电流互感器的主要优点是 结构简单。 精确度和抗干扰性能比较高。 比较适合信号远距离传输。 可以减少低压端和高压端之间连接光纤的数量。 集成化V/F,F/V转换芯片ADVFC32，但正常工作功耗较大，使整个系统的起始工作的最小电力母线电流变大，减小了系统的测量范围。6）A/D转换式有源型电流互感器 A/D转换式：整个系统分为高压端和低压端两个部分。高低压端之间采用光纤进行连接，高压端包括采样线圈、积分电路、高压端供电电源、A/D转换、时序电路和E/O转换等模块。低压端包括O/E转换、D/A转换和信号处理电路等模块。高压端