1、第四章 互感器,华南理工大学电力学院 杨向宇,主要内容,互感器概述 电流互感器 电压互感器,互感器是一特殊变压器，其原理接线图如图4-1所示。 电压互感器TV的一次侧绕组并联接在被测的一次电路中，将高电压变成低电压，二次侧绕组与测量仪表或继电器的电压线圈并联。二次侧的额定电压为100V或V。电流互感器TA的一次侧绕组串联于被测的一次电路中，将大电流变成小电流，二次侧绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串联。二次侧的额定电流为5A或lA。互感器的作用有以下几个方面： （1）使测量仪表和继电器实现标准化和小型化。 （2）使二次设备和工作人员与高电压隔离，且互感器二次侧均 接地，从而保证了人身和设备的安
2、全。,第一节 互感器概述,第一节 互感器概述,（3）所有二次设备可采用低电压、小电流的控制电缆连接 ，使屏内布线简单，安装方便。 （4）一次侧电路发生短路时，能够保护测量仪表和继电器的电流线圈免受大电流的损害。,图4-1 电压互感器和电流互感器的原理接线图,第二节 电流互感器,一、电流互感器的工作原理与特性 1电流互感器的工作原理电流互感器是专门用作变换电流的特殊变压器，其工作原理与普通变压器相似，是按电磁感应原理工作的。电流互感器的一次侧绕组串联于一次电路内，二次侧绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串联，如图4-1所示。电流互感器的一次、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定变流比，用K表示,
3、第二节 电流互感器,(4-1),式中 -电流互感器的一次、二次额定电流；-一次、二次绕组匝数； K-匝数比。 互感器的磁通势平衡关系式为,(4-2),式中-电流互感器一次、二次电流；-电流互感器正常工作时的激磁电流。,第二节 电流互感器,由式（42）可得正常工作时，激磁电流很小，如果忽略不计，则上式变为（43）由式（4-3）可以看出，电流互感器二次侧仪表测得的二次侧电流 乘以电流互感器的额定变流比K这一常数，即为一次侧电流。这就是应用电流互感器测量电流的原理。,第二节 电流互感器,2电流互感器的特性 （1）电流互感器的一次侧绕组串接于一次电路中且匝数较少，通常仅一匝或几匝，阻抗小，故其一次侧电
4、流完全由被测电路的负荷电流决定，而不受二次侧电流影响。 （2）电流互感器二次侧绕组所接的仪表或继电器电流线圈的阻抗很小，因此正常情况下，电流互感器是在近似于短路的状态下运行。 （3）电流互感器运行时，绝对不允许二次侧绕组开路。因为在正常运行时，二次侧负荷电流产生的二次侧磁通势，对一次侧磁通势起去磁作用，因此励磁磁通势及铁芯中的合成磁通很小，在二次侧绕组中感应的电动势也很小，不超过几十伏。,第二节 电流互感器,当二次侧开路时，二次侧电流为零，二次侧的去磁磁通势也为零，而一次侧磁通势仍为不变，它将全部用来励磁，使，则励磁磁通势较正常值大许多倍，使铁芯中磁通急剧增加而达到饱和状态，磁通的波形接近平顶
5、波。由于感应电动势与磁通的变化率成正比，所以在磁通曲线过零时，二次绕组将产生很高的尖顶波电动势，数值可达几千伏，如图4-2所示，危及人身和设备的安全。同时，由于磁感应强度剧增，将使铁芯损耗增大，严重发热，损坏绕组绝缘。因此，运行中的电流互感器二次侧是绝对不允许开路的。,第二节 电流互感器,图4-2 电流互感器二次侧开路同理，电流互感器二次侧也不允许装设熔断器。在运行中，如果需要拆除测量仪表或继电器时，应先在断开处将电流互感器二次绕组短接，再拆下仪表或继电器。,第二节 电流互感器,二、电流互感器的接线图4-3所示为最常用的电工测量仪表接入电流互感器的三种方式，对于继电器及自动装置的电流线圈也有类
6、似的连接方式。图4-3（a）所示的接线，适用于三相对称负荷，测量一相电流。图4-3（b）所示的接线为完全星形接线，可测量三相负荷电流，监视各相负荷的不对称情况。图4-3（c）所示的接线为不完全星形接线，只在两相中装设电流互感器，用于测量各相负荷平衡和不平衡的三相装置中的电流。小电流接地系统的线路测量及保护回路多采用这种接线。由于三相电流 ，则 ,通过公共导线上电流表的电流，等于U、W两相电流的相量和，即 。,第二节 电流互感器,电流互感器的二次侧绕组应有一接地点，以免一、二次之间的绝缘击穿使二次侧也带上高电压，危及人身和设备的安全。电流互感器的一、二次侧绕组的端子上必须标明极性。通常一次侧端子
7、用L1、L2表示，二次侧端子用Kl、K2表示，在互感器的同极性端标出符号“*”，如图4-3（a）所示，Ll与Kl，L2与K2彼此同极性。当一次电流从Ll流向L2时，二次侧的电流从K1经负荷流回K2。,第二节 电流互感器,图4-3 电流互感器与测量仪表的连接方式 （a）单相连接；（b）星形连接；（c）不完全星形连接,第二节 电流互感器,三、电流互感器的类型 电流互感器的种类很多，大致可分为以下几种类型： （1）按安装地点可分为户内式和户外式。额定电压在20kV及以下的多制成户内式，35kV及以上多制成户外式。 （2）按安装方式可分为穿墙式、母线式、套管式和支持式。穿墙式装在墙壁或金属结构的孔中，
8、可代替穿墙套管；母线式利用母线作为一次绕组，安装时将母线穿入电流互感器瓷套的内腔；套管式是套装在35kV及以上变压器或多油断路器油箱内的套管上；支持式是安装在平面或支柱上。 （3）按绝缘可分为干式、浇注式和油浸式。干式是经过绝缘漆浸渍烘干处理，适用于低压户内；浇注式是用环氧树脂等作绝缘浇注成型，适用于35kV及以下各电压等级；油浸式多用于户外。,第二节 电流互感器,（4）按一次侧绕组的匝数可分为单匝式和多匝式。单匝式电流互感器当被测电流很小时，一次磁通势较小，故测量的准确度很低。通常当一次侧被测电流超过6001000A时，才使用单匝式电流互感器。下面简单介绍几种电流互感器的结构。图4-4所示为
9、瓷绝缘母线式LMC-10/3000型电流互感器外形。其用瓷套管作为主绝缘，本身不带一次绕组导体，而由安装现场的母线穿过互感器的瓷套管，作为一次绕组。瓷套管穿过绕有二次侧绕组的铁芯，铁芯装在封闭外壳中。这种电流互感器体积大、重量大、耗费材料多。,第二节 电流互感器,图4-4 LMC-10/3000型电流互感器外形 1、 二次绕组接线端；2一母线支持板；3一母线引入孔； 4一互感器底座；5一封闭外壳；6一绝缘套管 图4-5所示为LDZ-10， LDZJ-10型电流互感器的外形。其为全封闭结构，一次侧绕组为一根铜棒或铜管 ，铁芯,第二节 电流互感器,为优质硅钢带制成环形；二次侧绕组沿环形铁芯径向均匀
10、绕制。每台互感器均有两个铁芯，对称地扎在支持件上，一次侧导电杆穿过铁芯在模具中定位后，用环氧树脂棍合胶浇注成型，浇注体安装在安装板上。安装板上有铭牌和安装孔，互感器可以垂直或水平安装。,图4-5 LDZ-10、LDJZ-10型电流互感器外形,第二节 电流互感器,图4-6所示为LCLWD3-220型电流互感器。其结构特点是一次侧绕组由扁铝线弯成“U”字形，用多层电缆纸与很薄的铝箔每层交替间隔制成的电容型绝缘作为其主绝缘，包绕在“U”字形的一次侧绕组上。层间有电容屏，内屏（铝箔）与一次侧绕组相连接，外屏接地，构成一个同心圆柱形的电容器串。这样，如果电容屏各层的电容量相等，则沿主绝缘厚度各层的电压分
11、布均匀，使绝缘材料能充分利用，因而减小了绝缘厚度。,第二节 电流互感器,图4-6 LCLWD3-220型电流互感器 1油箱；2二次接线盒；3环形铁芯及二次侧绕组；4一压圈式卡接装置； 5“U”字形一次侧绕组；6瓷套；7一均压护罩；8一贮油柜； 9 一次侧绕组换接装置；10 一次侧绕组端子；11一呼吸器,第三节 电压互感器,按照工作原理，电压互感器可分为电磁式和电容分压式两种。目前电力系统广泛应用的电压互感器，电压等级为220kV及以下时多为电磁式，220kV及以上时多为电容分压式。下面的讨论以电磁式电压互感器为主。一、电压互感器的工作原理与特性1电压互感器的工作原理电压互感器的一次侧绕组并联于
12、电网中，二次侧绕组向并联的测量仪表和继电器的电压线圈供电，如图4-1所示。电压互感器的工作原理与电力变压器相同，构造原理、接线图也相似，其主要区别在于电压互感器的容量很小，最大不过数百伏安，并且在大多数情况下，它的负荷是恒定的。,第三节 电压互感器,电压互感器一、二次绕组的额定电压之比称为电压互感器的额定变压比，用K表示,式中 一次侧绕组额定电压，等于电网额定电压； 二次侧绕组额定电压，已统一为100（或 ）V； 一、二次绕组匝数；、 K 匝数比。由上可以看出，电压互感器的额定变压比K已标准化。,第三节 电压互感器,2电压互感器的特性 （1）电压互感器一次侧电压即电网电压，不受二次侧负荷的影响
13、，并且在大多数情况下，其负荷是恒定的。 （2）电压互感器二次侧所接测量仪表和继电器的电压线圈的阻抗很大，通过的电流很小，因此电压互感器正常工作时接近于空载状态，二次电压接近于二次电动势，并随一次电压的变动而变动。所以，通过测量二次侧电压可以反应一次侧电压的值。 （3）电压互感器在运行中，二次侧不能短路。这是因为正常工作时，电压互感器二次侧有100（或）V电压，短路后在二次电路中会产生很大的短路电流，使电压互感器烧毁。为此，在电压互感器的一次侧和二次侧均应装设熔断器，用于过载及短路保护。,第三节 电压互感器,二、电压互感器的接线方式及特点电压互感器有单相和三相两种。单相的可制成任何电压等级，而三
14、相的一般只制成20kV及以下的电压等级。在三相电力系统中，通常需要测量的电压有线电压、相对地电压和发生单相接地故障时的零序电压。为了测量这些电压，图4-7示出了几种常见的电压互感器接线。图4-7 （a）所示为一台单相电压互感器的接线，可测量某一相间电压（35kV及以下的中性点非直接接地电网）或相对地电压（ 110kV及以上中性点直接接地电网）。图4-7（b）所示为两台单相电压互感器接成V，v形连接，广泛用于20kV及以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中测量线电压，不能测相电压。,第三节 电压互感器,图4-7（c）所示为一台三相三柱式电压互感器接成Y，y0形接线，只能用来测量线电压，不许用来
15、测量相对地电压，因为它的一次侧绕组中性点不能引出，故不能用来监视电网对地绝缘。其原因是中性点非直接接地电网中发生单相接地时，非故障相对地电压升高倍，三相对地电压失去平衡，出现零序电压，在电压互感器的三个铁芯柱中将出现零序磁通。由于零序磁通是同相位的，不能通过三个铁芯柱形成闭合回路，而只能经过空气隙和互感器外壳构成通路。因此磁路磁阻很大，零序励磁电流亦很大，引起电压互感器铁芯过热甚至烧毁。,第三节 电压互感器,图4-7 电压互感器的接线方式； （a）一台单相电压互感器接线；（b） V, v接线；（c） Y, y0接线； （d）三相五柱式电压互感器接线；（e）三台单相三绕组电压互感器接线,第三节
16、电压互感器,图4-7（d）所示为一台三相五柱式电压互感器接成的YoYo形接线，其一次侧绕组、基本二次侧绕组接成星形，且中性点均接地，辅助二次侧绕组接成开口三角形。该种接线可用来测量线电压和相电压，还可用作绝缘监察，故广泛用于小接地电流电网中。如4-8所示，当系统发生单相接地时，三相五柱式电压互感器内出现的零序磁通可以通过两边的辅助铁芯柱构成回路。辅助铁芯柱的磁阻小，零序励磁电流也小，因而不会出现烧毁电压互感器的情况。,第三节 电压互感器,图4-8三相五柱式电压互感器原理图 （a）结构原理；（b）零序磁通回路 图4-7（e）所示为三台单相三绕组电压互感器接成的如图4-7（d）的接线方式，广泛应用
17、于35kV及以上电网中，可测量线电压、相对地电压和零序电压。这种接线方式在发生单相接地时，各相零序磁通以各自的电压互感器铁芯构成回路，因此对,第三节 电压互感器,电压互感器无影响。该种接线方式的辅助二次绕组接成开口三角形，对于3560kV中性点非直接接地电网，其相电压为100/3V，对中性点直接接地电网，其相电压为l00V。在380V的装置中，电压互感器一般只经过熔断器接入电网。在高压电网中，电压互感器经过隔离开关和熔断器与电网连接。一次侧熔断器的作用是当电压互感器及其引出线上短路时，自动熔断切除故障，但不能作为二次侧过负荷保护。因为熔断器熔件的截面是根据机械强度选择的，其额定电流比电压互感器
18、的额定电流大很多倍，二次侧过负荷时可能不熔断。所以，电压互感器二次侧应装设低压熔断器，来保护电压互感器的二次侧过负荷或短路。,第三节 电压互感器,在110kV及以上的电网中，考虑到电压互感器及其配电装置的可靠性较高，加之高压熔断器的灭弧问题较大，制造较困难，价格较贵，故不装设高压熔断器，只用隔离开关与母线相连接。 三、电压互感器的类型 电压互感器可分为以下几种类型： （1）按安装地点可分为户内式和户外式。35kV及以下多制成户内式，35kV以上则制成户外式。 （2）按相数可分为单相式和三相式。只有20kV以下才制成三相式。 （3）按每相绕组数可分为双绕组、三绕组和四绕组式。双绕组式每相有一个一
19、次侧绕组，一个二次侧绕组；三绕组式每相有一个一次侧绕组，一个基本二次侧绕组和一个辅助二次侧绕组，基本二次侧绕组供测量、保护、自动装置用，辅助二次侧绕组,第三节 电压互感器,常接成开口三角形，供接地保护用；四绕组式比三绕组式多一个基本二次侧绕组，把测量与保护和自动装置分开，其它绕组作用与三绕组式相同。 （4）按绝缘可分为干式、浇柱式和油浸式。干式电压互感器用于电压较低的户内装置中；浇注式电压互感器适用于335kV户内配电装置；油浸式多用于l 0kV以上电压互感器。 （5）按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器。,第三节 电压互感器,四、串级式电压互感器工作原理电压为110kV及以
20、上的电磁式电压互感器，如果仍制成普通的具有钢板油箱和瓷套管结构的单相电压互感器，将显得十分笨重且价格昂贵。因此，电压为110kV及以上的电磁式电压互感器，现在广泛地采用串级式结构。1串级式电压互感器的结构特点串级式电压互感器的铁芯和绕组装在充油的瓷外壳内，瓷外壳既代替油箱又兼作高压瓷套管绝缘。铁芯带电位，用支撑电木板固定在底座上。一次绕组首端自贮油柜引出，一次绕组末端和二次绕组出线端自底座引出。,第三节 电压互感器,在普通结构的电压互感器中，一次侧绕组与铁芯和二次侧绕组之间是按装置的全电压绝缘的，而串级式电压互感器是分级绝缘的，每一级只处在装置的一部分电压之下，大量地节约了绝缘材料，减小了重量
21、和体积。图4-9所示为单相串级式JCC1-110型电压互感器的结构图。,第三节 电压互感器,图4-9 JCCl-110型串极式电压互感器结构图 1一储油柜；2一瓷箱；3一上柱绕组；4一隔板； 5一铁芯；6下柱绕组；7一支撑绝缘板；8一底座,第三节 电压互感器,2串级式电压互感器的工作原理1l0kV串级式电压互感器的工作原理如图4-10所示。图4-10（a）为原理电路图，其一次侧绕组被分成匝数相等的、两段，绕成圆筒式套装在上、下铁芯柱上并相互串联，中间连接点与铁芯相连。基本二次侧绕组和辅助二次绕组绕在铁芯的下柱上。当二次绕组开路时，铁芯上、下柱中磁通相等，、段上电压相等，为一次侧绕组电压的1/2
22、。由于、段绕组的连接点与铁芯相连，因此绕组两端线匝对铁芯的绝缘只需按1/2U的电压设计。而普通结构的电压互感器则按全电压U设计。,第三节 电压互感器,图4-10 110kV串级式电压互感器工作原理 （a）原理电路图；（b）平衡绕组作用原理图 1 一次绕组；2平衡绕组；3铁芯；4基本二次绕组；5一辅助二次绕组,第三节 电压互感器,当二次侧绕组与测量仪表等负荷接通后，二次绕组中的电流将产生去磁磁通。由于二次绕组只装在下铁芯柱上，因漏磁不同，使上、下铁芯柱内的合成磁通不一样，从而造成电压分布不均匀，测量结果误差较大，准确度降低。为解决此问题，在上、下铁芯柱上加装匝数相等而绕向相反的平衡绕组，并接成环
23、路，如图4-10 （b）所示。当上、下铁芯柱内的磁通不相等时，将在平衡线圈中感应出电动势，在电动势差作用下平衡绕组中产生平衡电流，使磁通较多的上铁芯柱去磁，磁通较少的下铁芯柱助磁，于是铁芯上、下柱中的合成磁通基本相等，一次侧绕组、段上的电压分布趋于均匀，使测量准确度提高。,第三节 电压互感器,五、电容式电压互感器工作原理随着电力系统输电电压的增高，电磁式电压互感器的体积越来越大，成本也越来越高。因此为满足电力工业日益发展的需要，研制出了电容式电压互感器。图4-11为电容式电压互感器原理接线图。电容式电压互感器实质是一个电容分压器，在被测装置和地之间有若干相同的电容器串联。,第三节 电压互感器,
24、图4-11 电容式电压互感器原理接线为便于分析，将电容器串分成主电容和分压电容两部分。设一次侧相对地电压为，则上的电压为,第三节 电压互感器,式中 K 分压比，改变 和 的比值，可得到不同的分压比。由于 与一次电压 成正比，故测得 就可得到 ，这就是电容式电压互感器的工作原理。但是，当 两端接入普通电压表或其他负荷时，所测得的值将小于电容分压值 ，且负载电流越大，测得的值越小，误差也越大。这是由于电容器的内阻抗 所引起的。为减小误差，在电容分压器与二次负载间加一中间变压器TV，中间变压器实际就是一台电磁式电压互感器。,第三节 电压互感器,中间变压器TV中的电感L是为了补偿电容器的内阻抗的，因此
25、称为补偿电感。当时，内阻抗为零，使输出电压与二次负载无关。实际上，由于电容器，电感L中有损耗存在，接负载时仍存在测量误差。在TV的二次侧绕组上并联一补偿电容，用来补偿TV的励磁电容和负载电流中的电感分量，提高负载功率因数，减少测量误差。阻尼电阻的作用，是防止二次侧发生短路或断路冲击时，由铁磁谐振引起的过电压。Pl为保护间隙，当分压电容上出现异常过电压时，Pl先击穿，以保护分压电容，补偿电抗器L及中间变压器TV不致被过电压损坏。,第三节 电压互感器,电容式电压互感器与电磁式电压互感器相比，具有冲击绝缘强度高、制造简单、重量轻、体积小、成本低、运行可靠、维护方便并可兼作高频载波通信的藕合电容等优点。但是，其误差特性和暂态特性比电磁式电压互感器差，且输出容量较小，影响误差的因素较多。过去电容式电压互感器的准确度不高，目前我国制造的YDR型电容式电压互感器，准确度已提高到0.5级，在110kV及以上中性点直接接地系统中得到广泛应用。,谢谢！,
