电流互感器交流

电流互感器交流资料

第一章互感器基本原理和应用一、电流互感器原理二、CT/PT在表计中的应用方式一、电流互感器原理电流互感器起到变流和电气隔离作用。便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，避免直接测量线路的危险。电流互感器是升压（降流）变压器，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。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。1、概念磁动势平衡方程式2、主要参数、性能电流误差（比差）：互感器在测量电流时所出现的数值误差。相位差（角差）：一次电流与二次电流矢量的相位差。矢量方向是以理想电流互感器的相位差为零来决定的。若二次电流矢量超前一次电流矢量时，相位差为正值。通常以分（’）或厘弧度（crad）表示。极性：电流互感器的极性为减极性，即当一次线圈的电流从“L1”端流入时，在二次线圈中的电流从“K1”端流入外部回路（如右图所示）；式中I2为实际二次电流(有效值),Z2为二次回路总阻抗,LC为铁芯的平均磁路长度,f为频率,Ac为铁芯有效截面积,N2n为额定二次匝数,(IN)1为一次安匝,α为二次阻抗(包括二次绕组和二次绕组外部回路阻抗)角,µ为铁芯磁导率,Ψ为铁芯损耗角。由以上两式可以看出:互感器的误差与铁芯的平均磁路长度Lc成正比,而后者又取决于窗口截面积SQ,所以在确定导线及绝缘的情况下,应力求减小SQ。铁芯磁导率µ与误差成反比,即在其他参数不变的条件下,

µ越高,误差就越小;而铁芯损耗角Ψ增加,电流误差将增加,但相位差将减小,直到(α+Ψ)超过90°时,相位差变为负值。反之,若铁芯损耗角Ψ减小,电流误差也减小,则相位差增加。误差还与铁芯有效截面积AC成反比,适当增加AC,可减小铁芯工作磁密,从而降低励磁电流I0,减小误差。工频绝缘强度：

电流互感器二次绕组接地，在一次绕组与二次绕组间施加额定工频耐受电压为3kV（方均根值），当指明按Ⅱ类防护绝缘要求时，工频耐受电压为4kV（方均根值）；持续1min,漏电流设为1mA。用耐压试验仪进行测量，电流互感器无击穿。匝间绝缘强度：将电流互感器二次绕组开路，一次绕组通以额定频率的额定电流并维持一分钟，互感器内匝间绝缘无损坏。绝缘电阻：电流互感器一次绕组对二次绕组及对地之间的绝缘电阻应大于500MΩ/1000MΩ；互感器取样电路电路如图所示，T1为电压互感器。其变比为Ku=N1/N2（N1：原边线圈匝数，N2：副边线圈匝数），副边电压ux≈u（t）/Ki。要注意的是电压互感器的副边所接负载的阻抗应该很大，使之接近于空载或空载的状态下工作，否则将产生很大的误差，另外，电压互感器的副边绝对不允许短路，若短路将烧毁电压互感器。T2为电流互感器。其变比为Ki=N2/N1，副边电流iy（t）≈i（t）/Ki。电流互感器副边应在接近短路或短路状态下工作，所以所接负载电阻应很小，相当于短路。特别要注意的是，电流互感器副边不能开路，若开路，副边电压将产生很高的电压，可能高达数千伏，将击穿绝缘或烧毁电路。二、CT/PT在表计中的应用方式上图中T1T2都是电流互感器。电阻R1的阻抗远大于电流互感器的激磁感抗，电流副边电压，这个电路的电流iu（t）将稍微滞后于电压u（t），因此应作超前补偿。V-I-V型

第二章铁芯材料一、金属材料的分类二、磁性材料的基本特性及分类三、非晶、纳米晶软磁材料四、磁芯（铁芯）的概念及分类五、非晶、纳米晶磁芯的特性六、非晶、纳米晶磁芯的应用一、金属材料的分类

可以根据好多种原则对材料进行分类,既可以从材料的应用领域分类,也可以根据材料的性能,结构,成分等其它方面进行分类：结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

二、磁性材料的基本特性及其分类磁性材料的基本特性磁性材料的特性有许多种，这里介绍的是最基本的特性。居里温度Tc： 铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发 磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。所有的磁性材料都要工作在居里温度以下。磁场，磁场强度H 运动电荷的周围，普通磁体的周围及电流周围的空间具有的特殊 的物理性能，这个空间叫磁场。磁场记为H，磁场的大小称磁场强度，磁场单位为奥斯特（Oe）或安/米（A/m）。1奥斯特（Oe）=79.58安/米（A/m）。磁力

磁体相互作用的力，或磁体对其它物体的作用力叫磁力。异性磁极吸引，同性磁极相排斥。磁能

磁体在磁场作用下具有的能量。如磁铁吸引铁等物质或者电线通电时产生的自感现象等均为磁能的表现。

磁极

磁体的两端叫磁极，分为N极和S极。 地球就是一个巨大的永磁体,也具有磁性，磁针指北的一端叫 北极，记为N极。指南的一端叫南极，记为S极。磁感应强度B：铁磁性物质在外磁场作用下所感生的磁性。记为B。计量单位为高斯（G)）或特斯拉（T）。10000（G）=1（T）。起始磁化曲线:是磁场单调增加时所得到的H-B曲线。磁滞回线:是磁场在正负两个方向往复变化时所得到的一个闭和的H-B曲线。

起始磁化曲线和磁滞回线是所有磁性材料的最基本的特性。磁致伸缩系数:磁性材料在外磁场作用下,材料体积的变化量。磁滞回线图磁性材料分类根据材料矫顽力的大小来区分:永（硬）磁材料矫顽力(>100A/m)半永（硬）磁材料矫顽力(10-100A/m)软磁材料矫顽力(<10A/m)金属软磁材料的最主要特性

软磁材料除具有磁性材料所共有的基本特性外,还有软磁材料所特有的一些特性。这些特性又可分为直流特性和交流特性两种: 当磁化电流为直流时，所测材料的磁性为直流特性。 当磁化电流为交流时，所测材料的磁性为交流特性。

金属软磁材料的常用磁性能参数

饱和磁感应强度Bs:磁化场最大时的B, 对于软磁材料来说,当H=800A/m（10Oe）时,既认为材料已经

饱和。其大小取决于材料的成分，它所对应的物理 状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。

剩余磁感应强度Br:是磁滞回线上的特征参数，为H回到0时的B值。

矩形比：Br∕Bs

矫顽力Hc:是磁滞回线上的特征参数，为B回到0时的H值。是表示材料退磁化难易程度的量，取决于材料的成分及结构缺陷（杂 质、应力等）及制备工艺等。

磁导率μ:是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值。

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初始磁导率μ0:磁化场接近零时的磁导率。对于高μ0材料来说，μ0为磁化场为0.08A/m（1/1000Oe）时的μ值。对于铁基非晶材料来说，μ0为磁化场为0.8A/m（1/100Oe）时的μ值。

最大磁导率μm：在磁化曲线上，各个点的磁导率不同。当某点的磁导率最大时，此磁导率为最大磁导率磁滞损耗：由磁性材料中的磁滞所引起的损耗。降低磁滞损耗的方法是降低材料的矫顽力。涡流损耗：由磁性材料中的涡流效应所引起的损耗。降低涡流损耗

的方法是减薄磁性材料的厚度及提高材料的电阻率。

19金属磁性材料又可以按照其晶体的结构分类

根据原子排列方式把物质划分为两类：晶体物质里面的原子排列是整齐有序的叫做晶体。非晶体物质的原子排列是混乱的叫做非晶体（也称谓“无序材料”，”玻璃态材料“等。其特点是短程有序而长程无序）。金属纳米晶属于晶体,但是它的晶粒尺寸为纳米级,约10-20纳 米,所以称为纳米晶。而一般的金属晶体材料的晶粒尺寸比纳米要大的多。晶体非晶纳米晶三、非晶、纳米晶软磁材料

非晶材料的获得 通常情况下，金属及合金在从液态凝固成固体时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。如果金属或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高达一百万度的冷却速率），原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱无序的，这就是非晶合金（又称为金属玻璃)。

冶炼炉(A),中间包(B),冷却辊(C),厚度和宽度检测(D1,D2),卷带(E).

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由于不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。单一金属需要每秒高达一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态。实际生产中难以达到如此高的冷却速度，普通的单一的金属难以制成非晶。为了获得非晶态的金属，一般将金属与其它物质混合形成合金。23合金具有两个重要性质：1、合金的熔点远低于纯金属，例如FeSibB合金的熔点一般为1200度以下，而纯铁的熔点为1538度；2、由于原子的种类多了，合金在液态时它们的原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更加容易被“冻结”成非晶。 有了上面的两个条件，合金才可能比较容易地形成非晶。目前所有的非晶合金都是两种或更多种元素组成的合金，如Fe-Si-B，Fe-Ni-P-B等。非晶、纳米晶软磁材料的分类

1、铁基非晶合金1K101-1K106

2、铁基纳米晶(超微晶)合金1K107 3、钴基非晶合金 1K201-1K206

4、铁镍基非晶合金 1K501-1K502

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铁基非晶合金(1K101-1K106)铁基非晶合金1K101：分子式Fe78Si9B13.(Fe：91.72wt%Si：5.32wt%B：2.96wt%)

性能特点：在几乎所有的非晶合金材料中具有最高的饱和磁感应强 度，同时具有高Br、低矫顽力、低损耗（相当于硅钢的1/3-1/5）、低激磁电流和良好的温度稳定性和时效稳定性。

应用领域：主要用于替代硅钢片，作为各种形式、不同功率的工频 中频变压器、配电变压器，工作频率从50Hz到10kHz；作为大功率开关电源电抗器 铁心材料，使用频率可达20kHz。

铁基非晶合金的物理性能（国标牌号1K101） 饱和磁感应强度Bs 1.56T 硬度Hv

960kg/mm2

居里温度Tc

410C 密度d 7.18g/cm3

晶化温度Tx

550C

电阻率

130-cm

饱和磁致伸缩系数s

2710-6

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铁基非晶合金经过纵向磁场退火后的磁滞回线

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钴基非晶合金(1K201-1K206)钴基非晶合金：由钴和硅、硼等组成。由于含钴它们价格较贵。

性能特点：在所有的非晶合金中具有最高的导磁率,低矫顽 力、低损耗、优异的耐磨性和耐蚀性，良好的温度稳定性和时效稳 定性，耐冲击振动。具有较低的饱和磁感应强度。

应用领域：替代坡莫合金和铁氧体，作为开关电源中的高频 变压器、滤波电感、磁放大器等铁芯，使用频率可达到200kHz以 上。同时可应用于ISDN隔离变压器铁芯及共模电感铁芯、超级市场 及图书馆防盗系统传感器和音频视频磁头铁芯等。

钴基非晶带材的物理性能（国标牌号1K201、1K202）

饱和磁感应强度Bs 0.5－0.8T 硬度Hv 960kg/mm2

居里温度Tc 320C 密度d 8g/cm3

晶化温度Tx 520C 电阻率 130-cm 饱和磁致伸缩系数s <110-6

28钴基非晶合金经过退火后的磁滞回线

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铁镍基非晶合金{1K501-1K502)铁镍基非晶合金：主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成。

应用领域：取代坡莫合金作为漏电开关中的零序电流互感器 铁芯，另外可以作为磁屏蔽材料。

性能特点：在所有的非晶合金中具有高的导磁率，低矫顽 力，耐磨耐蚀，可在大气下处理，稳定性好。

铁镍基非晶合金物理性能：（国标牌号1K502）

饱和磁感应强度 0.77T 最大导磁率 >5*10-5

居里温度 360C 密度 7.7g/cm3

晶化温度 470C 连续工作温度 -40－110C 初始导磁率 3000

30铁镍基非晶合金经过退火后的磁滞回线

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铁基纳米晶(超微晶)合金(1K107)铁基纳米晶合金：分子式Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9。首先制成非晶带材，然后经过适当热处理，形成微晶和非晶的混合组织。

性能特点：高饱和磁感应强度、高导磁率、低矫顽力、低损耗及 良好的稳定性、耐磨性、耐蚀性，同时具有较低的价格，在所有的金属软磁材料中具有最佳的性能价格比。

应用领域：可用在高频（20kHz－100kHz）开关电源中的大中小功率的主变压器、控制变压器、滤波电感、储能电感、电抗器、磁放大器 和饱和电抗器铁芯、EMC滤波器共模电感和差模电感铁芯、ISDN微型隔 离变压器铁芯及互感器铁芯等。

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纳米晶合金的物理性能 （国标牌号1K107）

饱和磁感应强度Bs

1.25T 饱和磁致伸缩系数 2×10-6

居里温度Tc

560℃ 密度d

7.2g/cm3

晶化温度Tx

510℃ 电阻率 130uΩ-cm 硬度Hv

880kg/mm2

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铁基纳米晶(超微晶)合金的磁性能

产品类型 横向磁场退火 无磁场退火 纵向磁场退火 初始导磁率 >2×104 >8×104 >10×104

最大导磁率 >5×104 >45×104 >50×104

剩余磁感应强度 <0.2T 0.6T >0.85T 矫顽力 <1.8A/m <0.8A/m <1.8A/m 铁损P(20kHz,0.5T)<50W/kg <25W/kg <90W/kg 铁损变化率(-55～125)<15% <15% <15%34铁基纳米晶经过退火后的磁滞回线

铁基纳米晶的磁滞回线35

非晶合金的国家标准牌号

1K101-1K106 铁基非晶合金

1K107 铁基纳米晶(超微晶)合金 1K201-1K206 钴基非晶合金

1K501-1K502 铁镍基非晶合金

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铁基超微晶合金与其它软磁材料的特性对比基本磁性参数 铁基超微晶合金 坡莫合金1J85 铁氧体饱和磁感应强度Bs(T)1.25 0.75 0.5饱和磁致伸缩系数(×10-6)<2 <2 4电阻率(-cm) 80 56 106居里温度(℃) 570 400 <200剩余磁感应强度Br(T)0.20～1.0 ～ 0.20初始导磁率(Gs/Oe) >80,000 >80,000 ～最大导磁率(Gs/Oe) >200,000 600,000 <20,000矫顽力Hc(A/m) <2 <1 6铁损(20KHz,0.5T)(W/kg) <35 ～ 不能用铁损(50KHz,0.3T)(W/kg) <60 ～ 不能用磁芯（铁芯）软磁材料制成的具有高起始导磁率、低损耗和磁性能稳定等特点的构件。四、磁芯（铁芯）的概念及其分类磁芯的分类：1、硅钢片磁芯硅钢片是一种合金，在纯铁中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的铁硅系合金称为硅钢。该类铁芯具有最高的饱和磁感应强度值为20000Gs；由于它们具有较好的磁电性能，又易于大批生产，价格便宜，机械应力影响小等优点，在电力电子行业中获得极为广泛的应用，如电力变压器、配电变压器、电流互感器等铁芯。是软磁材料中产量和使用量最大的材料。也是电源变压器用磁性材料中用量最大的材料。特别是在低频、大功率下最为适用。2、坡莫合金磁芯坡莫合金常指铁镍系合金，镍含量在30~90%范围内。是应用非常广泛的软磁合金。通过适当的工艺，可以有效地控制磁性能，比如超过105的初始磁导率、超过106的最大磁导率、低到2‰奥斯特的矫顽力、接近1或接近0的矩形系数，具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄带及各种使用形态。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些，但磁导率比硅钢高几十倍，铁损也比硅钢低2~3倍。做成较高频率(400~8000Hz)的变压器，空载电流小，适合制作100W以下小型较高频率变压器。1J79具有好的综合性能，适用于高频低电压变压器，漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯。1J85的初始磁导率可达十万105以上，适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度电流互感器等。3、非晶及纳米晶软磁合金磁芯（AmorphousandNanocrystallinealloys）硅钢和坡莫合金软磁材料都是晶态材料，原子在三维空间做规则排列，形成周期性的点阵结构，存在着晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶各向异性等缺陷，对软磁性能不利。从磁性物理学上来说，原子不规则排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异软磁性能是十分理想的。非晶态金属与合金是70年代问世的一个新型材料领域。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢和坡莫合金及铁氧体涌向市场。五、非晶、纳米晶磁芯的特性特性1、高饱和点（Bs）可达到1.25