电流互感器的工作原理及应用

1.电流互感器的工作原理

电流互感器是用来把大电流变为小电流的变流器，其一次绕组串联在供电回路的一次回路中，匝数很少（有的直接穿过铁心，只有1匝），导线很粗；二次绕组匝数很多，导线较细，与测量仪表、继电器等的电流线圈串联成闭合回路。由于二次回路串入的这些电流线圈的阻抗很小，所以电流互感器工作时二次回路接近于短路状态。图5-34为电流互感器的原理接线图。

电流互感器的一次电流与二次电流之间的关系为

图5-34　电流互感器原理接线图

式中，分别为电流互感器一、二次绕组的匝数；为电流互感器的变比，一般表示为一、二次绕组的额定电流之比，即

由于电流互感器二次绕组的额定电流规定为5A或1A，所以变比的大小取决于一次额定电流的大小。电流互感器的一次额定电流等级有：5A、10A、15A、20A、30A、40A、50A、75A、100A、150A、200A、300A、400A、500A、600A、800A、1000A、1200A、1500A、2000A、3000A、4000A、5000A、6000A、8000A、10000A等。

2.电流互感器的误差

电流互感器的简化等效电路和相量图如图5-35所示。

图5-35　电流互感器的等效电路和相量图

a）等效电路　b）相量图

根据磁动势平衡原理可知

或

若以磁通为基准，则应比超前90°比超前φ角（励磁损耗角）。由于二次绕组和二次负荷阻抗一般均呈感性，所以比滞后α角。因此，根据上式可绘出的相量。由相量图可知，电流互感器折算到一次侧的二次电流与一次电流不仅在数值上不相等，而且相位也不相同，即出现了电流误差（又称比值差）和相位误差（又称角差）。

电流误差是二次电流的测量值乘以额定变流比与一次电流数值差的百分数，即

相位差是与的相角差，并规定若超前于，为正值，反之为负值。

由于相位差很小，因此可以认为比值差就是励磁电流横向分量的百分数，相位差就是纵向分量的角度数，即

式中，为相位差（'）。

由于电流互感器在传变过程中磁化特性的非线性特性，使励磁电流和二次电流出现了高次谐波分量，这时使用相量图来表示误差已不合理，因而新的国家标准提出了一项新指标——复合误差，它主要适用于保护。

复合误差是指在稳态情况下，电流互感器二次电流瞬时值乘以额定变比后与一次电流瞬时值之差的有效值占一次电流有效值的百分数，即

式中，为一次电流有效值（A）；为一次电流瞬时值（A）；为二次电流瞬时值（A）；T为一个周波的时间（s）。

电流互感器的误差与下列因素有关：

1）与励磁安匝大小有关。励磁安匝加大时，误差加大。

2）与一次电流大小有关。在额定值范围内，一次电流增大时，误差减小，当一次电流在额定值附近时，误差最小。因此，选择电流互感器时，应尽量使其一次电流接近于回路额定电流。

3）与二次负荷阻抗大小有关。二次负荷阻抗加大时，误差加大。

4）与二次负荷的功率因数有关。功率因数减小时，α角增大，电流误差将加大，而相位误差相对减小。

3.电流互感器的准确度等级和额定容量

（1）电流互感器的准确度等级　根据测量误差的大小，电流互感器可分为不同的准确度等级。表5-2为我国标准中规定的测量用电流互感器的准确度等级和误差限值，表5-3为保护用电流互感器的准确度等级和误差限值。一般地讲，0.2级只用于实验室精密测量；0.5～1级用于一般发电厂和变电所的测量仪表，其中电能表必须用0.5级的电流互感器；3级用于一般的测量、仪表和继电器上，5P级和10P级全部用于保护。

表5-2　测量用电流互感器的准确度等级和误差限值

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表5-3　保护用电流互感器的准确度等级和误差限值

（2）电流互感器的额定容量　电流互感器的额定容量，是指电流互感器在额定二次电流和额定二次阻抗下运行时，二次绕组输出的容量，即

由于电流互感器的额定二次电流通常为5A或1A，故其容量也常用二次阻抗来表示。又由于电流互感器的误差和二次阻抗有关，因此，同一台电流互感器使用在不同的准确度等级时，其额定容量也不同。如某一电流互感器当在0.5级工作时，其额定二次阻抗为0.4Ω，而在1级工作时其额定二次阻抗为0.6Ω。

我国规定的额定输　出容量等级有5V·A、10V·A、15V·A、25V·A、30V·A、40V·A、50V·A、60V·A、80V·A、100V·A十个级别。由于和已知，故可根据式（5-19）求出，只要实际的二次负荷阻抗值不大于，则电流互感器的误差就不会超限。

（3）电流互感器的10%误差曲线　电流互感器按用途可分为测量用和继电保护用两大类。用于电气测量的电流互感器要求在正常工作范围内有较高的准确度，而当电路发生短路时，则希望电流互感器较早进入饱和状态，以避免仪表受到短路电流的损害。由于保护用电流互感器主要在系统短路时工作，因此在额定一次电流范围内的准确度要求不如测量用电流互感器高，一般要求其复合误差限值为10%。所以，为了满足保护的灵敏度和选择性要求，应按10%误差曲线来选择和校验电流互感器。

电流互感器的10%误差曲线，是指电流互感器的误差为10%时，一次电流对额定电流的倍数与二次负荷阻抗最大允许值的关系曲线，如图5-36所示。由图可见，10%误差倍数是随着负载阻抗的增大而减小的。如果已知系统短路时通过电流互感器一次侧的电流倍数，就可在10%误差曲线上查得对应的二次负荷最大允许值。只要实际的二次负荷小于它，则电流互感器在短路情况下的比值差不会超过10%。

4.电流互感器的类型

电流互感器的类型很多。按一次电压分，有高压和低压两大类；按一次绕组匝数分，有单匝式和多匝式；按安装地点分，有户内式和户外式；按用途分，有测量用和保护用两大类；按准确度等级分，有0.2、0.5、1、3、5P、10P等级；按绝缘介质分，有油浸式、干式、环氧树脂浇注式、瓷绝缘、气体绝缘等；按安装型式分，有穿墙式、母线式、套管式、支持式等。下面介绍在中小型企业变电所中常用的几种电流互感器。

图5-37所示为LQJ—10型电流互感器的外形结构。该产品为环氧树脂浇注绝缘式电流互感器，主要用于10kV配电系统中，供电流、电能和功率测量以及继电保护之用。它有两个铁心和两个二次绕组，分别为0.5级和3级，0.5级用于测量，3级用于继电保护。

图5-36　电流互感器的10%误差曲线

图5-37 LQJ—10型电流互感器

1—一次接线端子　2—一次绕组　3—二次接线端子
4—铁心　5—二次绕组　6—警告牌

图5-38所示为LMZJ1—0.5型电流互感器的外形结构。该产品为环氧树脂浇注绝缘户内母线式电流互感器，主要用于500V及以下的低压配电装置中，供电流、电能测量或继电保护之用。它属于单匝式电流互感器（利用穿过其铁心的母线作为一次绕组），互感器的铁心为环形铁心（5～800A）或矩形卷铁心（1000～3000A），二次绕组沿铁心周围均匀分布，下部有安装板供固定安装之用，中间窗孔供一次铝母线通过之用。

图5-39所示为LCWD1—35型电流互感器的外形结构。该产品为链式、瓷绝缘、户外用电流互感器，主要用于35kV的电力系统中，供电流、电能测量和继电保护用。

图5-38　LMZJ 1—0.5型电流互感器

1—铭牌　2—一次母线穿孔　3—铁心
4—安装板　5—二次接线端子

图5-39　LCWD1—35型电流互感器

5.电流互感器的极性与接线方式

（1）电流互感器的极性　为了能正确接线和分析问题，电流互感器一次绕组和二次绕组的出线端子要标示极性。我国均采用“减极性”原则确定电流互感器的极性端，即在一次绕组和二次绕组的同极性端（同名端）同时加入某一同相位电流时，两个绕组产生的磁通在铁心中同方向。通常，一次绕组的出线端子标为L1和L2，二次绕组的出线端子标为K1和K2，其中L1和K1为同名端，L2和K2为同名端。如果一次电流从极性端流入时，则二次电流应从同极性端流出。如果极性接反，其二次侧的测量仪表、继电器中流过的电流及其相位就不是正确值，从而导致继电保护动作不正确，测量表计指示错误。

（2）电流互感器的接线方式　电流互感器的二次侧接测量仪表、继电器及各种自动装置的电流线圈。电流互感器常用的接线方式如图5-40所示。

1）一相式接线（见图5-40a）。电流线圈中流过的电流，反应一次回路相应相的电流。这种接线通常用于负荷平衡的三相电路中，作电流测量和过负荷保护之用。

2）两相不完全星形接线（见图5-40b）。这种接线也叫两相V形接线，电流互感器通常接在A、C两相上。在中性点不接地系统中，互感器二次侧公共线上的电流为，反应的恰好是未接互感器的B相电流，所以，可测量三个相电流。这种方式被广泛用于中性点不接地的三相三线制系统，测量三相电流、电能以及作过电流保护之用。

3）两相电流差接线（见图5-40c）。这种接线也叫两相一继电器接线，流过电流继电器线圈的电流为，其值是相电流的倍。这种接线比较经济，常用于中性点不接地的三相三线制系统中，作过电流保护之用。

4）三相完全星形接线（见图5-40d）。这种接线中的三个电流线圈正好反应各相电流，广泛用于负荷不平衡的高压或低压系统中，作三相电流、电能测量及过电流保护之用。

6.电流互感器的使用注意事项

（1）电流互感器在工作时二次侧绝对不允许开路　由于正常工作时电流互感器的二次侧接近于短路状态，如果二次侧开路，互感器成为空载运行，此时，一次侧被测电流成了励磁电流，使铁心中的磁通急剧增加，这一方面会使二次侧感应出很高的电压，危及人身和设备的安全；另一方面会使铁损大大增加，使铁心过热，影响电流互感器的性能，甚至烧坏互感器。因此，电流互感器在安装时，二次接线要牢靠，接触要良好，且不允许串接开关和熔断器。

（2）电流互感器的二次侧必须有一端接地　这主要是为了防止一、二次绕组间绝缘损坏后，一次侧的高压窜入二次侧，危及人身和设备的安全。

图5-40　电流互感器常用的接线方式

a）一相式接线　b）两相不完全星形接线
c）两相电流差接线　d）三相完全星形接线