互感器限流限压及补偿设备的运行与检修 2.docx
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互感器限流限压及补偿设备的运行与检修2
第三章：
互感器、限流限压及补偿设备的运行与检修
第一节：
电流互感器的运行与检修
一、电流互感器的工作原理及误差
1．互感器的作用
目前，电力系统中广泛使用的电磁式互感器分为电压互感器和电流互感器两种，是一次系统和二次系统的联络元件，其一次绕组接入电网，二次绕组分别与测量仪表、保护装置等相互连接。
图3-1所示为单相电压互感器和电流互感器工作原理电路图。
负荷
图3-1电压互感器和电流互感器的工作原理电路图
电压互感器TV的一次侧（简称一次）绕组并接在高压电路中，将高电压变成低电压，二次侧（简称二次）
绕组的额定电压为b0oy或100/打V，所以，一次侧绕组匝数戈大于二次侧绕组匝数从，二次侧绕组与测量仪表或继电器的电压线圈并联。
电流互感器TA的一次侧绕组串联在一次侧电路内，将大电流变成小电流，二次侧额定电流为5A或1A，所以一次侧绕组匝数从小于二次侧绕组匝数从，二次侧绕组与测量仪表或继电器的电
流线圈串联。
因此，互感器性能的好坏直接影响到电力系统测量、计量的准确性和继电保护、自动装置动作的可
靠性。
此外，互感器还有如下作用：
（1）能使测量仪表和继电器等二次侧的设备，与一次侧高压装置在电气方面隔离，以保证二次设备和工作
人员的安全。
（2）能够使测量仪表和继电器实现标准化和小型化。
（3）使二次回路能够采用低压小截面控制电缆，实现远距离的测量和控制。
（4）使二次回路不受一次回路的限制，接线灵活，维护、调试方便。
在低压装置上也广泛使用互感器，其主要目的是为了使用简单且经济的标准化仪表，并使配电屏接线简单。
为了确保工作人员在接触测量仪表和继电器时的安全，互感器二次侧绕组必须接地。
因为接地后，当一次侧
和二次侧绕组间的绝缘损坏时，可以防止仪表和继电器出现高电压，危及人身安全。
2．电流互感器的工作原理
电磁式电流互感器是一种专门用于变换电流的特种变压器，其工作原理与普通变压器相似，如图3-2所示。
、二厂六cLP1、P'
一认“'\\
铁心一
二次绕组
门
！
巾
txflTextFlow1
二次负荷
图3一2电流互感器工作原理
电流互感器的一次绕组串接在被测量的电力线路中，线路电流就是互感器的一次电流'1，二次绕组外部回
路串接有测量仪表、继电保护、自动装置等二次设备。
由于二次侧各类阻抗很小（正常运行时二次侧接近于短路状态），在图中用一个集中阻抗z、来表示其阻抗（包括连接导线的阻抗）。
（1）工作原理
在图3-2中，当电流'1流过互感器匝数为从的一次绕组时，将建立一次磁势'1戈，一次磁势也称一次安匝。
同理，二次电流I：
与二次绕组匝数从的乘积构成二次磁势12N2，又称二次安匝。
一次磁势与二次磁势的相量和即为励磁磁势10N1
Il从＋12N2=10N1（3一1）
式中Il―一次电流；
N1―一次绕组匝数；
12―二次电流；
N2二次绕组匝数；
'0励磁电流。
式（3-1）称为电流互感器的磁势平衡方程式。
由此可见，一次磁势'1戈包括两部分，其中很小一部分用
来励磁（I。
从），使铁心中产生磁通；另外大部分用来平衡二次磁势'2N2，这一部分磁势与二次磁势大小相等、
方向相反。
当忽略励磁电流时，式（3一1）可简化为
'1从＝一12N2
若以额定值表示，则可写成'iNN1=-'2NN2，即
K.=
丛、'2N
N,
一＝K、
N1
（3一2）
式中K.Ї额定电流比；
KN¯匝数比；
'iN¯一次测额定电流；几N¯二次测额定电流。
（2）工作特点
电流互感器与变压器比较，其工作状态有如下特点：
1）电流互感器一次侧绕组是串接在一次电路中，其电流由一次侧的负荷电流决定，而不是由二次侧电流决定的。
由于电流互感器一次侧绕组的匝数很少，阻抗很小，因此对一次电路中的电流没有影响。
而变压器的一次侧电流是随二次侧电流变化而变化的。
2）电流互感器二次侧绕组串接的仪表和继电器电流线圈的阻抗很小，正常情况下，电流互感器接近于短路状态运行。
3）由于二次侧负荷阻抗很小，所以在一定范围内二次侧负荷的变化，对二次侧电流影响很小，可认为一次侧电流与二次侧负荷的变化无关。
4）电流互感器运行时二次侧绕组不允许开路。
这是因为在正常运行时，二次侧负荷产生的二次侧磁势'2戈，对一次侧磁势人从有去磁作用，因此励磁磁势10N1及铁芯中的合成磁通。
。
很小，在二次侧绕组中感应的电势不超过几十伏。
当二次侧开路时，二次侧电流'2=0，二次侧的去磁磁势也为零，而一次侧磁势不变，全部用于激磁，励磁磁势'0从=11从，合成磁通很大，使铁芯出现高度饱和，此时磁通。
的波形接近平顶波，磁通曲线
过零时二二很大，因此二次侧绕组将感应出几千伏的电势e2，如图3-3所示，危及人身和设备安全。
dt
为了防止二次侧绕组开路，规定在二次侧回路中不准装熔断器。
如果在运行中必须拆除测量仪表或继电器时，应先在断开处将二次绕组短路，再拆下仪表。
图3-3电流互感器二次侧开路时磁通和电势波形
3．电流互感器的误差
根据电磁理论，可得出电流互感器的等值电路图和相量图，如图3-4所示。
图中以二次侧电流几为参考相量，二次侧电压u;超前几一个二次侧负荷的功率因数角俨2,E孟超前几一个二次侧总阻抗角a，铁芯磁通。
超前E二900，励磁磁势1。
N，超前。
一个铁芯损耗角I',。
r1戈lri.r
不凡冲八‘、＿,_
xo）一、，一U'，甲z:
L
丫
（C）
图3一4电流互感器等值电路图与相量图
（a）等值电路图；（b）相量图
由式（3-1）和相量图可以看出，由于励磁电流I。
的影响，使一次侧电流I；与一KNI：
在数值上和相位上都有差异，所以测量结果有误差。
通常，此误差用电流误差和角误差来表示。
（1）电流误差关（比差）
电流误差关，用电流互感器测出的电流KNI：
和实际电流'1之差与实际电流'1的百分比表示，它是由于实
际电流比不等于额定电流比所造成的，故又叫比值差，简称比差。
标准规定电流误差的百分数用下式表示
I;%=
心'2一入x100'1
（3一3）
（2）角误差Si（角差）
角误差蒸，以旋转180。
的二次侧电流相量一几与一次侧电流相量'1之间的夹角表示，并规定一几超前入时，戊为正值，反之为负值。
由于Si很小，所以用分（'）表示。
.______N,_．卜＿_＿、、
当取K；七K、＝一时，则式（3一3）nj与成N1
由相量图可知
fi%=
'2N2一'1从x100'1N1
（3一4）
'2N：
一'1戈＝ob一od＝一bd当戊很小时，取bd七bc，则
。
－・。
＿ac_01~Slnoi一＝一
Oa
'0从cos'1从
（梦＋a）X3440'
（3一6）
关％=
一bc11N1
x100＝一
10N111N1
sin（I',+a）x100
（3一5）
电流误差引起所有测量仪表和继电器产生误差，角误差只对功率型测量仪表和继电器及反映相位的保护装置有影响。
（3）复合误差
电流互感器在额定电流附近工作条件下，磁密很低、励磁电流很小，一次和二次电流都是正弦波，电流互感器的误差表征了额定频率和正弦波下的误差。
但当系统发生短路后，短路电流很大，铁芯趋向饱和。
由于励磁电流中高次谐波含量很大，即使一次电流为理想正弦波，二次电流也不会是正弦波，如图3-5所示。
由于二次电流不是正弦波，就不能用相量图来分析它与一次电流的关系，这样就要用到复合误差的概念。
图3-5过电流时电流波形图
人一一次电流；几一二次电流；io一励磁电流
复合误差‘。
：
在稳态情况下，按额定电流比折算到一次侧的二次电流瞬时值与实际一次电流瞬时值之差的方均根值（有效值）。
通常以一次电流有效值的百分数来表示，即
：
。
％一100\/1（K2一‘1"'（3一7）
式中K.―额定电流比；
Ii―一次电流有效值，A;11Ї一次电流瞬时值，A;1：
二次电流瞬时值，A;
T一个电流基波周期的时间，so
（5）影响误差的因素
由式（3-5）和（3-6）可以看出，电流互感器的误差与一次侧电流的大小、铁芯质量、结构尺寸及二次侧负荷等有关。
1）误差与一次安匝'1从成反比。
要减小误差，就要增加一次安匝，因此，对额定一次电流小的互感器，通
常采用增加一次绕组匝数，来增加一次安匝。
但这种方法在某些互感器中不能实现。
例如，在套管型互感器中，一次绕组只可能有一匝。
这是额定电流较小的套管型电流互感器做不出高精度的主要原因。
2）一次侧电流I，对误差的影响。
制造电流互感器时，为了减小误差，在一次侧为额定电流和二次侧为额定
负荷的条件下，把互感器的工作点选在磁化曲线的直线段中部，如图3-6所示。
因为，在直线段范围内，p（铁芯导磁率）的值较大。
除此之外，磁化曲线其他部分，p的值都逐渐变小。
根据上述情况并对照式（3-5）和
（3-6）可知，当I，工作在一次侧额定电流值附近时，因为p值大，相对'1而言，I。
较小，所以电流误差关和角误差戊均比较小；当'1的值较一次侧额定电流值大得多或小得多时，因为p值小，所以相对'1而言，I。
较大，fi和81均增大。
厅
巨
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l
图3-6磁化曲线
…卜＿_＿二，,＿二‘＿、，二＿',_＿、．＿、＿＿、．,．卜，.＿、．___L
3）淋腿楷构尺寸碳郡影啊。
为I淤‘"’必坝淤铁EJ1X二一面’如渺麟长发L'增大铁芯截面S和选用磁导率p高的电工钢。
此外，减小磁路的空气隙也有重要作用。
4）二次侧负荷阻抗及功率因数对误差的影响。
当一次侧电流不变，增加二次侧负荷阻抗时，I：
将减小，'0从将增大，因而关和氓将增大。
当二次侧负荷功率因数角O2增加时，E三与几之间的。
角增加。
根据式（3-5）和（3-6）,。
增大时，关增大，而戈减小；反之，当。
减小时，关减小，而成增大。
由此可见，当要求电流
互感器具有一定的测量准确度时，必须把二次侧负荷的阻抗及功率因数限制在相应的范围内。
二、电流互感器的结构及接线
1．电流互感器的准确级和额定容量
（1）准确级
电流互感器应能准确地将一次电流变换为二次电流，这样才能保证测量精确或保护装置正确动作，因此，电流互感器必须保证一定的准确度。
电流互感器的准确度是以标称准确级来表征的，对应于不同的准确级有不同的误差要求，在规定的使用条件下，误差均应在规定的限值以内。
测量用电流互感器的标准准确级有O.1'O.2、O.5、1、3、5级，对特殊要求的还有0.2S和0.5S级。
保护用电流互感器的标准准确级有5p和lop级，电流互感器各准确级所对应的误差限值如表3-1和3-2所示。
表3-1测量用电流互感器的误差限值
准确级
一次电流为额定电流的百分数（%）
误差限值
保证误差的二次负荷范围
咐，二0.吕（潘后）
电流误差土（%）
相位差士（'）
0.1
5
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0.75
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准确级
一次电流为额定电流的百分致（%）
误差限值
保证误差的二次负荷范圈
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表3-2保护用电流互感器的误差限值
准确级
额定一次电流下的误差
倾定准确限位一次电流下的复合误差（%）
小．．上
保证误差的二次负荷范围
，甲＝。
．名（滞后）
电流误差比（%）
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一
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从表3-1和3-2可以看出，对于测量用电流互感器的准确级是在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差百分数来标称的，而保护用电流互感器的准确级是以额定准确限值一次电流下的最大允许复合误差百分数来标称的（字母P表示保护用）。
所谓额定准确限值一次电流是指保护用电流互感器复合误差不超过限值的最大一次电流。
保护用电流互感器主要是在系统短路时工作，因此，在额定一次电流范围内的准确级不如测量级高，但为保证保护装置正确动作，要求保护用电流互感器在可能出现的短路电流范围内，最大误差限值不超过10%。
（2）额定容量
电流互感器的额定容量又N是指电流互感器在二次侧额定电流'2N和额定阻抗Z2N下运行时二次侧绕组输出的容量，即
S2N=r2,27'2N2N
由于'2N为5A或1A,又N与Z2N仅相差一个系数，所以，二次侧额定容量凡N可以用二次侧额定阻抗ZZN
代替，称为二次侧额定负荷，单位为Q。
由于电流互感器的误差与二次阻抗有关，因此，同一台电流互感器使用在不同的准确级时二次侧就有不同的额定负荷。
例如，某一台电流互感器工作在0.5级时，其二次侧额定负荷为0.4Q，但当它工作在1级时，其二
次侧额定负荷为0.6Q。
换言之，准确级为0.5级、二次侧负荷为0.4Q的电流互感器，当其所接的二次侧负荷大于0.4Q小于0.6Q时，其准确级即自0.5级下降为1级。
2．电流互感器的接线
电气测量仪表接入电流互感器的常用接线方式如图1-4所示。
图3-7（a）所示的接线用于对称三相负荷，测量一相电流。
图3-7（b）为星形接线，可测量三相负荷电流以监视负荷电流不对称情况。
图3-7（c）为不完全星形接线，在三相负荷平衡或不平衡的系统中，当只需取U、W两相电流时，例如三相二元件功率表或电度
表，便可用不完全星形接线。
此时，流过公共导线上的电流为U,W两相电流的向量和，即'U+I,＝一'V，所以通过公共导线上的电流表可以测量出V相电流。
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UVW
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④．
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L2合古
图3-7测量仪表接入电流互感器的常用接线方式
（a）单相接线；（b）星形接线；（。
）不完全星形接线
3．电流互感器的结构及类型
（1）电流互感器的结构和原理
为使电流互感器具有一定的准确度和规定的额定二次电流，除应有适当的铁芯外，对于一次侧电流较小的互感器，其一次侧绕组必须做成较多匝数；对于一次侧电流较大的互感器，其一次侧绕组必须做成较少匝数。
因此，按一次侧绕组的匝数，电流互感器可分为单匝式和多匝式两种。
单匝式电流互感器由实心圆柱或管形截面的载流导体，或直接利用载流母线作为一次侧绕组，使一次侧绕组穿过绕有二次侧绕组的环形铁芯构成，如图3-8（a）所示。
这种电流互感器的主要优点是结构简单、尺寸较小、价格便宜，主要缺点是被测电流很小时，由于一次侧磁动势较小，测量的准确度很低。
通常，当一次侧电流超过600''1000A时都制成单匝式。
（b）
图3一8电流互感器结构示意图
（a）单匝式；（b）复匝式；（。
）具有两个铁芯的复匝式
1一一次绕组；2一绝缘；3一铁芯；4一二次绕组
多匝式电流互感器的一次侧绕组是多匝穿过铁芯，铁芯上绕有二次侧绕组，如图3-8（b）、（c）所示。
这种电流互感器由于一次侧绕组匝数较多，所以，即使额定一次电流很小，也能获得较高的准确度。
其缺点是，当过电压加于电流互感器，或当大的短路电流通过时，一次侧绕组的匝间可能承受很高的电压。
图3-8（c）是有两个铁芯的多匝式电流互感器，每个铁芯都有单独的二次侧绕组，一次侧绕组为两个铁芯共用。
两个铁芯中每个二次侧绕组的负荷变化时一次侧电流并不改变，所以，不会影响另一个铁芯的二次侧绕组工作。
多铁芯的电流互感器，各个铁芯可制成不同的准确级，供不同要求的二次回路使用。
（2）电流互感器的类型
电流互感器通常有以下几种分法：
1）按用途可分为测量用和保护用。
测量用指专门用于测量电流和电能的电流互感器。
保护用指专门用于继电器保护和自动控制装置的电流互感器。
保护用电流互感器中包括零序电流互感器，其结构
较简单，作用原理与一般的电流互感器有所不同。
2）按装置地点可分为户内式和户外式。
20kV及以下大多制成户内式，35kV及以上多制成户外式。
3）按绝缘介质可分为油绝缘、浇注绝缘、一般干式绝缘、瓷绝缘、气体绝缘等。
油绝缘即油浸式电流互感器，互感器内部是油和纸的复合绝缘，多用于户外式，最高电压可达500kV及以
上。
浇注绝缘是用环氧树脂或其他树脂为主的混合胶浇注成型的电流互感器，多在35kV以下采用。
一般干式绝缘包括有塑料外壳的和无塑料外壳的由普通绝缘材料包扎、经浸渍漆处理的电流互感器。
瓷绝缘即主绝缘由瓷件构成，这种绝缘结构已被浇注绝缘所取代。
气体绝缘即互感器内部充有特殊气体，如六氟化硫（SF户气体作为绝缘的互感器，多用于高压产品。
4）按安装方式可分为穿墙式、支持式和装入式。
穿墙式装在墙壁或金属结构的空中，可同时作穿墙套管用；
支持式则安装在平面或支柱上；装入式是套装在35kV及以上变压器或断路器的套管上，故也称为套管式。
5）按一次侧绕组匝数可分为单匝式和多匝式。
（3）电流互感器型号
电流互感器的型号由产品型号、设计序号、电压等级（kV）和特殊使用环境代号等组成。
产品型号均以汉语拼音字母表示，字母的代表意义及排列顺序如表3-3所示。
表3一3电流互感器型号字母代表意义及排列顺序
序号
分类
涵义
」代表字母
」
用途
电流互感器
L
2
．口口J
结构型式
l
ll
套管式（装“人”式）
R
支’“柱’“式
zi
线“圈”式
Q
贯穿式（“复”匝）
F
贯穿式（“单”匝）
D
“母”线型
M
}“开”合式
K
『倒立式
V
l“链”型
A。
气月
ll
线圈外绝缘介质
变压器油
空气（“干”式）
G
气体
“瓷”
浇“注”成型固体
QzK
绝缘‘“壳”
一
4
结构特征及用途
带有”保”护级
B
带有“保，护级（暂认态・误差）
盯，
5
一
宇由保护方式
带金属膨胀器｝
不带金属彭胀器｝
iN
设计序号表示同类产品的改型设计，但不涉及到型号的改变时，为和原设计区别而用设计序号h2、3、......,
以表示第一次、第二次、……改型设计。
特殊使用环境代号主要有以下几种：
GY-一一高原地区用；w污秽地区用阿1-'\W2'\W3对应污秽等级为
II、IlLN）;TA干热带地区用；TH一一湿热带地区用；
例如LFZB6-10，表示第6次改型设计的复匝贯穿式、浇注绝缘电流互感器，电压等级10kV0
（4）电流互感器的结构
电流互感器的结构类型很多，按一次绕组的主绝缘不同，电流互感器可分为一般干式、树脂浇注式、油纸绝
缘式和期i气体绝缘式等多种。
以下仅介绍几种电流互感器结构。
1）一般干式和树脂浇注绝缘电流互感器
干式、树脂式电流互感器结构型式分套管式、贯穿式、母线式和支柱式。
根据使用要求，可制成单变比、多变比、单个二次绕组和多个二次绕组。
干式电流互感器主要适用于户内，一、二次绕组之间及绕组与铁芯之间的绝缘介质是由绝缘纸、玻璃丝带、聚醋薄膜带等固体材料构成，并经浸渍绝缘漆烘干处理。
多匝式的一次绕组和二次绕组为矩形筒式，绕在骨架上，绕组间用纸板绝缘，浸漆处理后套在叠积式铁芯上。
单匝母线式采用环形铁芯，经浸漆后装在支架或装在塑料壳内，也有采用环氧混合胶浇注的。
干式电流互感器结构简单、制造方便，但绝缘强度低，且受气候影响大、防火性能差，故只宜用于0.5kV及以下低压产品。
树脂浇注式电流互感器广泛应用于10-20kV电压等级。
由合成树脂、填料、固化剂等组成的混合胶固化后形成的固体绝缘介质，具有绝缘强度高、机械性能好、防火、防潮等特点。
混合胶在一定温度条件下，具有良好的流动性，可以填充细小的间隙，并可浇注成各种需要的形状。
一次绕组为单匝式或母线型时，铁芯为圆环形，二次绕组均匀绕在铁芯上，一次导电杆和二次绕组均浇注成一整体。
一次绕组为多匝时，铁芯多为叠积式，先将一、二次绕组浇注成一体，然后再叠装铁芯，图3-9所示为浇注绝缘多匝贯穿式电流互感器的结构。
图3-9浇注绝缘电流互感器结构（多匝贯穿式）
1一一次绕组；2一二次绕组；3一铁芯；4一树脂混合料
根据浇注所用树脂不同，10kV户内浇注式电流互感器分为两种：
一种是环氧树脂浇注绝缘，即采用环氧树脂和石英粉的混合胶浇注热固化成型；另一种是不饱和树脂浇注绝缘，即采用不饱和树脂浇注在常温下固化成型。
这两中电流互感器的结构相似，但型号不同。
环氧树脂浇注绝缘的电流互感器，一次额定电流在400A以下时，制成多匝式。
图3-10所示为LFZ-10、LFZJ-10型电流互感器的外形（z一浇注绝缘；J一加大容量）。
该型电流互感器为半封闭结构。
一次侧绕组为多匝贯穿式，二次侧绕组绕在骨架上，二者在模具中定位后，用环氧树脂混合胶浇注成浇注体。
铁芯为迭片式，插入浇注体上预留孔内，然后将铁芯和安装板夹装在浇注体上。
安装板上有铭牌和安装孔等，互感器可以垂直或水平安装。
一次额定电流在400'1500A时制成单匝式。
图3-11所示为LDZ-10、LDZ于10型电流互感器的外形，该型电流互感器为全封闭结构，一次侧绕组为一根铜棒或铜管，铁芯为优质硅钢带卷成环形，二次绕组沿环形铁芯径向均匀绕制。
每台互感器都有两个铁芯，对称地扎在金属支持件上，一次导电杆穿过铁芯在模具中定位后与二次绕组一起用环氧树脂混合胶浇注加热固化成型，浇注体装在安装板上。
因为绕组和铁芯都浇注在绝缘体内，可避免受潮而降低绝缘强度。
图3一10LFZJ-10型电流互感器外形
二次出线
图3-11LDZ-1O、LDZJ-1O型电流互感器外形
图3-12所示为母线式LMZ-10、LMZJ-10型电流互感器外形，为全封闭结构，铁芯为环形，二次绕组沿铁芯周围均匀绕制。
环氧树脂浇注绝缘，中间留有孔，供一次侧母线通过或电缆缠绕用。
一次额定电流为300'--3000A0
；一奢
二次出线
图3-12LMZ-1O、LMZJ-1O型电流互感器外形
不饱和树脂浇注绝缘的电流互感器，型号为LA-1O、LAJ-1O型，多匝式、单匝式和母线式
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