电流互感器：工作原理、电流比及绝缘类型简介

1.互感器

互感器包括电流互感器和电压互感器，是电力系统中测量和保护的重要的一次设备。互感器是一次系统和二次系统间的联络元件，用以分别向测量仪表、继电器的电流线圈和电压线圈供电，对线路的电压、电流、电能进行测量，同时对系统和电气设备进行过电压、过电流和单相接地等的保护，以便正确反映电气设备的正常运行和故障情况。互感器是一种特殊的变压器，指用以传递信息供给测量仪器、仪表和保护、控制装置的变换器。

互感器的作用：

1）将高电压变为低电压（100V），大电流变为小电流（5A）。

2）使测量二次回路与一次回路高电压和大电流实施电气隔离，以保证测量工作人员和仪表设备的安全。

3）采用互感器后可使仪表制造标准化，而不用按被测量电压高低和电流大小来设计仪表。

4）取出零序电流、电压分量供反应接地故障的继电保护装置使用。

互感器包括电流互感器（缩写CT，文字符号TA，可用在交换电流的测量、交换电度的测量和电力拖动线路中的保护）和电压互感器（缩写PT，文字符号TV，可在高压和超高压的电力系统中用于电压和功率的测量等）。

互感器的一、二次绕组与电力系统的接线方式如图6-1-1所示，图中TA为电流互感器，TV为电压互感器。电压互感器一次绕组并接于电网，二次绕组与测量仪表或继电器电压线圈并联；电流互感器一次绕组串接于电网（与支路负荷串联），二次绕组与测量仪表或继电器的电流线圈相串联。在安装接线时同名端子不可接错，否则会造成这些装置运行中的紊乱，因此，正确测定互感器的同名端并正确接入仪表装置十分重要。

图6-1-1 互感器与电力系统的连接方式图

2.电流互感器的功能

1）减低电流值。电流互感器将高压系统中的电流或低压系统中的大电流改变为低压的标准小电流（5A或1A）。这样，既利于运行人员的人身安全，又可以使二次侧连接的测量仪表和保护装置实现标准化和小型化，使其结构轻巧、价格便宜、便于屏内安装。

2）隔离一次与二次。电流互感器的结构与变压器相似，一次绕组和二次绕组之间只有磁的联系，没有电的联系，这样，二次设备可与一次高电压部分隔离。同时，要求电流互感器二次侧接地，其目的是为了保证设备和人身的安全。由于互感器一次、二次绕组除了接地点外，无其他电路上的联系，因此二次系统的对地电位与一次系统无关，只依赖于接地点与二次绕组其他各点的电位差，在正常运行情况下处于低压（小于100V）的状态，方便于维护、检修与调试。

备注：互感器属于一次设备。因为虽然互感器与二次设备相连，但它的一次绕组直接与一次系统相连（电流互感器串联、电压互感器并联）。

3.电流互感器的工作原理

目前电力系统中广泛采用的是电磁式电流互感器，基本结构与普通变压器相似，由两个绕制在闭合铁心上、彼此绝缘的绕组（一次绕组和二次绕组）所组成，其匝数分别为N₁和N₂，如图6-1-2所示。

图6-1-2 电流1互感器结构（以LMZJ1-0.5为例）

1—铭牌 2—一次母线穿孔 3—铁心，外绕二次绕组，树脂浇注 4—安装板 5—二次接线端子

一次绕组与被测电路串联，二次绕组与各种测量仪表或继电器的电流线圈相串联。它的工作原理和变压器相似，是按电磁感应原理工作的，其原理接线如图6-1-3所示，其结构特点：

1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，有的电流互感器还没有一次绕组，利用穿过其铁心的一次电路（如母线）作为一次绕组；而且一次绕组导体相当粗；其二次绕组匝数相当多，导体较细。

图6-1-3 电流互感器原理结构图和接线图

a）原理结构图 b）接线图

2）电流互感器二次绕组与仪表、继电器等的电流线圈串联，形成一个闭合回路。由于这些电流线圈阻抗很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路的状态下运行。

电流互感器的工作原理与普通变压器的工作原理基本相同。根据磁势平衡原理可以得到：

在理想的电流互感器中，如果假定空载电流，则总磁通势，根据能量守恒定律，则一次绕组磁动势等于二次绕组磁动势，即

由此可知，电流互感器的电流与它的匝数成反比。一次电流对二次电流的比值I₁/I₂称为电流互感器的电流比，一般用Ki来表示。当知道二次电流时，乘上电流比就可以求出一次电流，这时二次电流的相量相差180°。

电流互感器的基本工作原理、结构型式与普通变压器相似，即理想电流互感器两侧的额定电流大小和它们的绕组匝数成反比，并且等于常数。但是电流互感器的工作状态与普通变压器有显著的区别：

1）电流互感器的一次电流（I₁）取决于一次电路的电压和阻抗，与电流互感器的二次负载无关，即当二次负载变化时，例如多串几只电流表或少串几只电流表，不能改变其一次电流值的大小。

2）电流互感器二次电路所消耗的功率随二次电路阻抗的增加而增大，即。

3）电流互感器二次电路的负载阻抗都是些内阻很小的仪表，如电流表以及电能表的电流线圈等，所以其工作状态接近于短路状态。

4.电流互感器的分类

（1）按安装方式分

贯穿式电流互感器：用来穿过屏板或墙壁的电流互感器。

支柱式电流互感器：安装在平面或支柱上，兼做一次电路导体支柱用的电流互感器。

套管式电流互感器：没有一次导体和一次绝缘，直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器。

母线式电流互感器：没有一次导体但有一次绝缘，直接套装在母线上使用的一种电流互感器。

（2）按用途分

测量用电流互感器（或电流互感器的测量绕组）：在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息。

保护用电流互感器（或电流互感器的保护绕组）：在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。

（3）按绝缘介质分

干式电流互感器：由普通绝缘材料经浸漆处理作为绝缘。

浇注式电流互感器：用环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型的电流互感器。

油浸式电流互感器：由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，一般为户外型。目前我国在各种电压等级均为常用。

气体绝缘电流互感器：主绝缘由气体构成。

（4）按电流变换原理分

电磁式电流互感器：根据电磁感应原理实现电流变换的电流互感器。

光电式电流互感器：通过光电变换原理以实现电流变换的电流互感器，目前还在研制中。

5.电流互感器的型号规定

目前，国产电流互感器型号编排方法规定如下：

产品型号均以汉语拼音字母表示，电流互感器的型号由字母符号及数字组成，通常表示电流互感器绕组类型、绝缘种类、使用场所及电压等级等。字母符号含义如下：

第一位字母：L—电流互感器。

第二位字母：M—母线式（穿心式）；Q—线圈式；Y—低压式；D—单匝式；F—多匝式；A—穿墙式；R—装入式；C—瓷箱式。

第三位字母：K—塑料外壳式；Z—浇注式；W—户外式；G—改进型；C—瓷绝缘；P—中频。

第四位字母：B—过电流保护；D—差动保护；J—接地保护或加大容量；S—速饱和；Q—加强型。(www.xing528.com)

字母后面的数字一般表示使用电压等级。例如：LMK-0.5S型，表示使用于额定电压500V及以下电路，塑料外壳的穿心式S级电流互感器。LA-10型，表示使用于额定电压10kV电路的穿墙式电流互感器。

6.电流互感器的主要参数

（1）额定容量 额定二次电流通过二次额定负荷时所消耗的视在功率。额定容量可以用视在功率V·A表示，也可以用二次额定负荷阻抗Ω表示。

（2）一次额定电流 允许通过电流互感器一次绕组的用电负荷电流。用于电力系统的电流互感器一次额定电流为5～25000A，用于试验设备的精密电流互感器为0.1～50000A。电流互感器可在一次额定电流下长期运行，负荷电流超过额定电流值时叫做过负荷，电流互感器长期过负荷运行，会烧坏绕组或减少使用寿命。

（3）二次额定电流 允许通过电流互感器二次绕组的一次感应电流。

（4）额定电流比（变比） 一次额定电流与二次额定电流之比。

（5）额定电压 一次绕组长期对地能够承受的最大电压（有效值以kV为单位），应不低于所接线路的额定相电压。电流互感器的额定电压分为0.5kV，3kV，6kV，10kV，35kV，110kV，220kV，330kV，500kV等几种电压等级。

（6）10%倍数 在指定的二次负荷和任意功率因数下，电流互感器的电流误差为-10%时，一次电流对其额定值的倍数。10%倍数是与继电保护有关的技术指标。

（7）准确度等级 表示互感器本身误差（比差和角差）的等级。目前电流互感器的准确度等级分为0.001～1多种级别，与原来相比准确度提高很大。用于发电厂、变电站、用电单位配电控制盘上的电气仪表一般采用0.5级或0.2级；用于设备、线路的继电保护一般不低于1级；用于电能计量时，视被测负荷容量或用电量多少依据规程要求来选择。

（8）比差 互感器的误差包括比差和角差两部分。比值误差简称比差，一般用符号f表示，它等于实际的二次电流与折算到二次侧的一次电流的差值，与折算到二次侧的一次电流的比值，以百分数表示。

（9）角差 相角误差简称角差，一般用符号δ表示，它是旋转180°后的二次电流向量与一次电流向量之间的相位差。规定二次电流向量超前于一次电流向量δ为正值，反之为负值，用分（′）为计算单位。

（10）热稳定及动稳定倍数 电力系统故障时，电流互感器受到由于短路电流引起的巨大电流的热效应和电动力作用，电流互感器应该有能够承受而不致受到破坏的能力，这种承受的能力用热稳定和动稳定倍数表示。热稳定倍数是指热稳定电流1s内不致使电流互感器的发热超过允许限度的电流与电流互感器的额定电流之比。动稳定倍数是电流互感器所能承受的最大电流瞬时值与其额定电流之比。

7.电流互感器的接线形式

电流互感器在交流回路中使用，在交流回路中电流的方向随时间在改变。电流互感器的极性指的是某一时刻一次侧极性与二次侧某一端极性相同，即同时为正或同时为负，称此极性为同极性端或同名端，用符号“∗”、“-”或“.”表示（也可理解为一次电流与二次电流的方向关系）。按照规定，电流互感器一次线圈首端标为L₁，尾端标为L₂；二次线圈的首端标为K1，尾端标为K₂。在接线中L₁和K₁称为同极性端，L₂和K₂也为同极性端。其三种标注方法如图6-1-4所示。电流互感器同极性端的判别与耦合线圈的极性判别相同。较简单的方法例如用1.5V干电池接一次线圈，用一高内阻、大量程的直流电压表接二次线圈。当开关闭合时，如果发现电压表指针正向偏转，可判定1和2是同极性端，当开关闭合时，如果发现电压表指针反向偏转，可判定1和2不是同极性端。

图6-1-4 三种标注方法

电流互感器的极性与常用电流保护以及易出错的二次接线如下：

（1）一相接线 一相式电流保护的电流互感器主要用于测量对称三相负载或相负荷平衡度小的三相装置中的一相电流，如图6-1-5所示。电流互感器的接线与极性的关系不大，但需注意的是二次侧要有保护接地，防止一次侧发生过电流现象时，电流互感器被击穿，烧坏二次侧仪表、继电设备。但是严禁多点接地。两点接地二次电流在继电器前形成分路，会造成继电器无动作。因此在《继电保护技术规程》中规定对于有几组电流互感器连接在一起的保护装置，则应在保护屏上经端子排接地。如变压器的差动保护，并且几组电流互感器组合后只有一个独立的接地点。

图6-1-5 一相接线

（2）两相不完全星形接线 两相式不完全星形接线用于相负荷平衡和不平衡的三相系统中，如图6-1-6所示。

优点：

1）少使用了一个电流互感器，节约了成本。

2）在减少二次电缆芯数的情况下，取得了第三相电流。

图6-1-6 两相电流差接线

缺点：

1）由于只有两只电流互感器，当其中一点相性接反时，则公共线中的电流变为其他两相电流的相量差，造成错误计量，且错误接线的几率较多（所以在新装或整改时都必须对互感器的极性进行效验）。

2）这种接线线方式对A、C相接地和相间短路都可以起到很好的保护作用，可是当B相发生接地的时候，它就显的无能为力。因为B相的电流为负的A、C相之和。

现在公司大部分开关柜都是选用的此种接线方式。还有一小部分比较重要的开关柜使用的是三相星形接线。

（3）三相完全星形接线 三相完全星形接线如图6-1-7所示。用于相负荷平衡度大的三相负荷的电流测量以及电压为380/220V的三相四线制测量仪表，监视每相负荷不对称情况，若任一相极性接反，流过中性线的电流将增大。若缺少中性零线的星形连接，其缺陷是在运行中当负荷不平衡时，将造成二次侧中性点位移，图6-1-7中三相完全星形接线使流过继电器的电流不能正确反映出该相电流的大小，同样会造成误动。

图6-1-7 三相完全星形接线

继电保护用的电流互感器接线，通常是用于中性点直接接地的电力系统中的保护装置时，采用星形接线。在中性点非直接接地的电力系统中，由于允许短时间单相接地运行，并且大多数情况下都装设有单相接地信号装置，所以广泛采用不完全星形接线方式。保护用电流互感器的三角形接线应用于Y/△接线的变压器差动保护。

8.电流互感器的选择

（1）额定电压选择

U_x≤U_N

式中 U_x——电流互感器安装处的工作电压；

U_N——电流互感器的额定电压。

（2）额定变比的选择 长期通过电流互感器的最大工作电流应小于或等于互感器一次额定电流，最好使电流互感器在额定电流附近运行。

（3）准确度等级的选择 依据电流互感器在额定工作条件下所产生的比值误差，规定了准确度等级。

装设在线路、变压器、发电厂的电能表、用户计费电能表及所有测量仪表，一般均应选择准确度等级不低于0.5级的电流互感器。

对于计量发电机发出的电能及用电量大的用户，应采用准确度不低于0.2级的电流互感器。

0.1级以上的电流互感器，主要用于实验室进行精密的测量或者作为标准互感器，用来校验低准确度等级的电流互感器。

（4）额定容量的选择

而

I_2N一般为5A，所以二次负载容量S₂主要取决于表计的阻抗、接头接触电阻以及导线电阻。

9.电流互感器运行中应注意的问题

1）电流互感器在运行中二次侧不得开路，一旦二次侧开路，由于铁耗过大，温过高而烧毁，或使副绕组电压升高而将绝缘击穿，发生高压触电的危险。所以在换接仪表时如调换电流表、有功表、无功表等应先将电流回路短接后再进行计量仪表调换。当表计调好后，先将其接入二次回路再拆除短接线并检查表计是否正常。如果在拆除短接线时发现有火花，此时电流互感器已开路，应立即重新短接，查明计量仪表回路确无开路现象时，方可重新拆除短接线。在进行拆除电流互感器短接工作时，应站在绝缘皮垫上，另外要考虑停用电流互感器回路的保护装置，待工作完毕后，方可将保护装置投入运行。

2）如果电流互感器有嗡嗡声响，应检查内部铁心是否松动，可将铁心螺栓拧紧。

3）电流互感器二次侧的一端，外壳均要可靠接地。

4）当电流互感器二次侧线圈绝缘电阻低于10～20MΩ时，必须进行干燥处理，使绝缘恢复后，方可使用。补充：

零序电流互感器

零序电流保护的基本原理是基于基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零。在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零，因此，零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出，执行元件不动作。当发生接地故障时的各相电流的矢量和不为零，故障电流使零序电流互感器的环形铁心中产生磁通，零序电流互感器的二次侧感应电压使执行元件动作，带动脱扣装置，切换供电网络，达到接地故障保护的目的。

作用：当电路中发生触电或漏电故障时，保护动作，切断电源。

使用：可在三相线路上各装一个电流互感器，或让三相导线一起穿过一零序电流互感器，也可在中性线N上安装一个零序电流互感器，利用其来检测三相的电流矢量和。

在三相四线电路中，三相电流的相量和等于零，即I_a+I_b+I_c=0。如果在三相四线中接入一个电流互感器，这时感应电流为零。当电路中发生触电或漏电故障时，回路中有漏电电流流过，这时穿过互感器的三相电流相量和不等于零，其相量和为I_a+I_b+I_c=I（漏电电流），这样互感器二次线圈中就有一个感应电压，此电压加于检测部分的电子放大电路，与保护区装置预定动作电流值相比较，如大于动作电流，即使灵敏继电器动作，作用于执行元件掉闸。这里所接的互感器称为零序电流互感器，三相电流的相量和不等于零，所产生的电流即为零序电流。