电子式电流互感器：基本原理与结构介绍

电子式电流互感器采用低功率线圈（LPCT）传感测量电流、空心线圈传感保护电流。低功率线圈的基本原理与常规电磁式电流互感器相同，只是在二次绕组输出端装有采样电阻用作电流转换电压以供采集器采样。LPCT结构原理示意图如图3-4所示。二次电流在并联的采样电阻上产生电压降U_s，其相位与一次电流相位一致，其幅值与一次电流幅值成正比关系。即

式中R_sh为采样电阻，对互感器的功能和稳定性极为重要，在设计上使互感器的功率消耗接近于零。互感器的内部功耗与负荷要求的二次功率越小，其测量范围和准确度越理想。低功率线圈使传统电磁式互感器在非常高（偏移）的一次电流下出现饱和的问题得到了极大的改善，并因此显著扩大了电流的测量范围，同时设计的尺寸比传统电磁式电流互感器小很多。

图3-4 LPCT结构原理示意图

I_p—一次电流 N_p—一次匝数 N_s—二次匝数 R_sh—并联电阻 R_b—负载电阻 U_s—二次电压

空心线圈基于Rogowski原理，是将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成的一种空心线圈。非磁性材料使这种传感器线性度好，不会出现饱和，也不会发生磁滞现象，所以具有很好的线性度及暂态特性。空心线圈结构原理示意图如图3-5所示。

在利用空心线圈测量电流时，将载流导体穿过线圈中心。根据安培定理，线圈中心圆上的磁感应强度B为

式中 μ₀——真空磁导率。

设线圈的内径、外径、中心半径、横截面积以及匝数分别为r_i、r_a、r、A和N。当r_a-r_i≪r时，线圈中心圆上的磁感应强度近似等于线圈横截面A内的平均磁感应强度，线圈横截面积A内的磁通近似为

图3-5 空心线圈结构原理示意图

线圈每匝的感应电动势为，则匝数为N的整个线圈总的感应电动势为

式中 M——线圈的互感。

根据上述公式，对于骨架为环形、截面为矩形的线圈的互感为(www.xing528.com)

式中 h——矩形线圈的高度。

圆形截面线圈的互感为

由此可见，空心线圈的感应电动势与一次电流的导数成正比，利用微电子技术对线圈的输出信号进行积分便可求得一次母线电流。

配GIS用电子式电流互感器线圈由于需要双重化配置，因此每相一般由1只低功率线圈（测量线圈）和2只空心线圈（保护线圈）构成，其结构示意图如图3-6所示。

图3-6 电子式电流互感器单相线圈结构示意图

测量线圈与保护线圈被密封在铝制屏蔽盒内，注意屏蔽盒的设计应避免形成短路环。同时应注意电子式电流互感器线圈的极性，即P₁与P₂的方向应为减极性（即标有P₁、S₁的端子在同一瞬间具有同一极性），在安装时应与互感器外壳P₁、P₂标识方向一致。线圈内径ϕd与外径ϕD根据GIS需要确定。电子式电流互感器线圈的输出一般为测量线圈额定输出1.5V，保护线圈额定输出150mV。

GIS用电子式电流互感器结构示意图如图3-7所示，主要由安装法兰、电流互感器线圈、壳体、屏蔽、一次母线、密封端子板、端子箱、采集器、传输光缆、供电电缆和合并单元组成，绝缘介质为SF₆气体。合并单元组屏后位于控制室。

采集器双重化配置，互为备用，保证电子式互感器具有较高的可靠性。采集器接收并处理LPCT、空心线圈的输出信号，采集器输出的数字信号由光缆传送至合并单元。采集器的工作电源由GIS汇控柜内的DC220V（或DC110V）提供。

图3-7 GIS用电子式电流互感器结构示意图

1—安装法兰 2—电流互感器线圈 3—壳体 4—屏蔽 5—一次母线 6—密封端子板 7—端子箱 8—采集器 9—传输光缆 10—供电电缆 11—合并单元 12—分支筒 13—CB外壳

AIS用电子式电流互感器使用时需要与一次母线串联，主要由高压躯壳、光纤复合绝缘子及底座等构成。它采用硅橡胶绝缘，无需充SF₆气体，因此具有绝缘结构简单可靠、环保和无需维护等优点。传感线圈及采集器密封在高压躯壳内，光纤复合绝缘子承担高压侧与低压侧的绝缘，同时在光纤绝缘子内埋覆传输光缆，用于采集器与合并单元的信息传输并为高压侧的采集器提供激光供能，传输光缆芯数需要冗余配置，即备用光缆数量不少于光缆总数量的50%。在底座内设计有光纤熔接盒，用于光纤复合绝缘子内光缆与安装现场地沟内的光缆进行熔接保护。AIS用电子式电流互感器结构示意图如图3-8所示。

图3-8 AIS用电子式电流互感器结构示意图