电流互感器电压互感器及变压器相关知识.docx

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电流互感器电压互感器及变压器相关知识

仪用变压器

仪用变压器是一种特殊用途的变压器，它有两个主要用途：

一是用来扩大交流电工仪表的量程，二是用来隔离高电压、大电流并使其变成低电压、小电流后中，作为信号供继电保护、自动装置和控制回路使用。

仪用互感器分为电压互感器和电流互感器。

一、电压互感器

（一）电压互感器的特点

电压互感器的结构和工作原理与普通变压器没有根本区别。

它的主要特点在于：

原绕组匝数较多，并联在被测电路上；副绕组匝数较少，测量仪表和继电器的电压线圈并联在其两端。

由于所并联的仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，副边电流很小，所以电压互感器实际上是一台近似空载状态的降压变压器。

原绕组和副绕组的额定电压之比，称为电压互感器的变压比，它近似于匝数之比，当电压互感器的变压比给定时，将副边测得的电压乘以变压比即可得到被告测的原边电压。

（二）准确度级

电压互感器测量结果有两种误差：

变比误差和相角误差。

变比误差是指副边电压的折算值，即变压比乘以二次电压，和原边电压的差值，用原边电压的百分数表示。

相角误差是指二次电压折算值的负相量与原边电压相量之间的相位差，并规定二次电压折算值的负相量超前一次电压相量时角误差为正值，否则为负值。

电压互感器的测量误差与其漏阻抗和励磁电流有关，也与副边负载电流的大小及功率因数有关。

按变比误差的百分值划分，电压互感器的准确度级分为0.2、0.5、1、3等四级。

因为电压互感器的误差与副边负载大小有关，所以，对应于每一个准确度级，都规定有相应的额定容量，当副边负载超过某准确度级的额定容量时，准确度级便下降。

规定最高准确度级时对应的额定容量为电压互感器的额定容量。

（三）类型

电压互感器的类型可按安装地点分，也可按相数分，还可按每相绕组数分，制成三绕组时有两个副绕组：

基本副绕组和辅助副绕组。

还可以按绝缘分为干式、浇注式、油浸式。

电压互感器副绕组的额定电压规定为一百伏或根号三分之一百伏。

这样与电压互感器副绕组相连接的各种仪表、继电器都可以统一制造而实现标准化。

在测量不同等级的高电压时，只要换上不同电压等级的电压互感器就行。

（四）使用注意事项

1、副绕组绝对不许短路，因为互感器本身的短路阻抗很小，如发生短路，短路电流很大，会使绕组烧毁。

2、副绕组的一端，连同铁心一起必须可靠接地，以防止高压绕组绝缘损坏时，铁心和绕组带上高电压而造成事故。

二、电流互感器

（一）      电流互感器的特点

电流互感器的工作原理与普通变压器相似。

它的主要特点在于：

原绕组的匝数很少，一般只有一匝到几匝，使用时串联在被测电路中，流过被测电流。

副绕组的匝数很多，用较细的导线绕制。

根据使用目的的不同，副绕组串接各种仪表或继电器的电流线圈。

原绕组中的电流取决于原边线路的负载电流，与副边的负载无关。

由于副边所接仪表或继电器的阻抗都很小，电流互感器在正常运行时，接近于短路状态。

这些是电流互感器与普通变压器的主要区别。

电流互感器原边额定电流与副边额定电流之比称为变流比。

娄忽略励磁电流时，根据磁势平衡原理，变流比接近于副边与原边匝数之比。

（二）准确度级

电流互感器也有变比误差和相角误差。

变比误差是指副边电流的折算值（即变流比与副边电流有效值的乘积）和原边电流的差值，用原边电流的百分比值表示。

相角误差是指副边电流折算值的反相量与原边电流相量的相位差。

并规定当副边电流折算值的反相量超前原边电流相量时，相角误差为正，反之为负。

误差主要由励磁电流、漏阻抗和所接仪表及继电器的阻抗所引起，为了减小误差，电流互感器的工作磁通密度设计得很低，常采用环形铁心，副边所接仪表和继电器的总阻抗应小于规定值。

按照变比误差的大小，电流互感器分为0.2、0.5、1、3、10等五级，另有B级为保护级，用于继电保护。

当原边电流成倍增长时，铁心将趋于饱和，励磁电流将急剧增加，从而引起变比误差迅速增加。

当原边电流达到额定值的几倍时，变比误差达到负的10%，这时原边电流的倍数称为10%倍数。

这是继电保护用电流互感器的一个重要参数。

电流互感器的额定容量为副边额定电流和额定阻抗时，副边输出的容量，大小等于副边额定电流的平方，与副边额定阻抗的乘积。

由于电流互感器的副绕组额定电流规定为5安或1安，所以副边额定容量可以用副边额定阻抗代替，称为副边额定负载，单位为欧姆。

由于电流互感器的误差与副边阻抗有关，因此同一台电流互感器使用在不同的准确度级下，副边就有不同的额定负载。

（三）类型

电流互感器的类型，按安装地点可分为户内式和户外式；按安装方式可分为穿樯式、支持式和装入式，穿樯式装在墙壁或金属结构的孔中，支持式安装在平面或支柱上，装入式则是套装在变压器或多油断路器油箱的套管上，故又称套管式。

按绝缘可分为干式、浇铸式、油浸式。

按原绕组匝数可分为单匝式和多匝式。

（四）使用注意事项：

使用电流互感器时，就注意以下几点：

1、副绕组绝对不许开路。

电流互感器正常运行时，原、副边磁势平衡，主磁通很小，副边一旦开路，副边磁势为零，则流过原边的线路电流全都成为励磁电流，主磁通剧增，使铁心中的磁通密度增加许多倍，磁路严重饱和，磁通波形为平顶波，过零值时变化率很高，因而在副绕组中感应起很高的尖峰电势，危害操作人员的安全，也可能使互感器绝缘击穿。

为了避免造成副绕组开路，在电流互感器的副边电路中，绝对不允许接保险丝。

副绕组不接仪表时，要把副绕组短接，运行中要换接线或仪表时，必须先把副绕组短接，才能进行换接。

2、副绕组的一端和铁心应可靠接地。

3、副绕组串入的负载阻抗不能超过规定值，以保证规定的准确度级。

变压器并联运行的条件

所谓变压器的并联运行，是指变压器的原绕组都接在某一电压等级的公共母线上，而各变压器的副绕组也都接在另一电压等级的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。

变压器并联运行有如下优点：

1、多台变压器并联运行时，如果其中一台变压器发生故障或需要检修，那么另外几台变压器可分担它的负载继续供电，从而提高了供电的可靠性。

2、可根据电力系统中负荷的变化，调整投入并联的变压器台数，以减少电能损耗，提高运行效率。

3、可根据用电量的增加，分期分批安装新变压器，以减少初期投资。

对变压器的并联运行状态有一定的要求，最理想的并联运行情况是：

1、空载时各台变压器中只有原边的空载电流，由各变压器副边绕组通过母线组成的回路中，以及原边回路中没有环流。

2、负载时各变压器所分担的负载量，应该按各自额定容量的大小成比例分配，防止其中某台过载或欠载。

3、负载时各变压器所分担的电流，应该与总的负载电流同相位。

这样当总的负载电流一定时，各变压器所分担的电流最小；如果各变压器所分但的电流一定时，则总的负载电流最大。

要达到上述理想的并联状态，并联运行的变压器必须具备以下三个条件：

1、各变压器的原边额定电压要相等，各副边额定电压也要相等，即变比要相等；

2、各变压器副边线电势对原边线电势的相位差应相等，即连接组要相同；

3、各变压器的阻抗电压标么值应相等，短路阻抗角应相等。

变压器不满足并联运行条件时的运行分析

一、变比不相等时的并联运行

两台变压器的原边加同一电压，第一台变压器的变比小于第二台变压器，当两台变压器副边开路时，由于变比小的变压器感应电势高，致使两台变压器副边电压不相等，产生差额电压。

当这两台变压器副边并联于公共母线，不带负荷时，在差额电压的作用下，副边回路将产生环流，根据磁势平衡原理，原边回路也会产生相应的环流。

当这两台变压器的副边并联于公共母线并带起负荷时，环流仍然存在，变压器的实际电流是由环流和负载分量两部分组成，且变比小的变压器电流相量等于环流与负载分量相量之和，变比大的变压器电流相量等于负载分量与环流之相量差。

也就是说，变压器变比不相等的并联运行，在空载时，原、副边回路会出现环流，增加了附加损耗。

负载时环流与负载电流合成的结果，使变比小的变压器电流大，可能过载；变比大的变压器电流小，可能欠载。

由于短路阻抗很小，发即使并联运行的变压器变比之差很小，也能产生较大的环流，因此必须限制并联运行变压器的变比差。

二、连接组不相同的并联运行

如果变压器的连接组不同而进行并联运行，其后果是非常严重的。

如两台变压器原边均为星形连接，副边一个是星形连接，一个是正连三角形连接，两个副边对应的线电压相位不相同，彼此相差30°。

副边的电压差将达到副边线电压的51.8%，这样大的电压差所引起的环流将超过额定电流许多倍。

若连接组别相差越大，则副边的电压差也越大，环流就更大，可能将变压器烧毁，因此连接组不相同的变压器绝对不允许并联运行。

三、阻抗电压标么值不相等时的并联运行

（一）阻抗电压标么值相等而短路阻抗角不相同时的并联运行

变压器的短路阻抗角是指其短路阻抗压降与短路电阻压降夹角的大小，也就是变压器的电压相量超前于电流相量的角度，它的正切为短路电抗与短路电阻之比。

如果两台变压器并联运行，它们的阻抗电压标么值相等，只是第一台变压器的短路阻抗角大于第二台变压器，因两台变压器的原边电压相量一致，那么两台变压器电流相量之间必须相差一个角度，大小等于两台变压器短路阻抗角之差，这样一来，两台变压器输出的总电流就等于每台变压器输出电流的相量之和。

如果两台变压器的短路阻抗角也一致，也就是说，两台变压器电流同相位，那么它们输出的总电流就是每台变压器输出电流的代数和。

显然第一种情况输出电流要小一些，变压器的设备容量得不到充分利用。

一般情况下，变压器之间的容量相差越大，短路阻抗角相差也越大，所以要求并联运行的变压器容量之比不应超过三比一。

（二）阻抗电压标么值不相等时的并联运行

两台阻抗电压标么值不相等的变压器并联运行，它们输入端到输出端之间的电压是相等的，均等于各自负荷电流在自身短路阻抗上的压降，面这两个压降的大小相等。

将两台变压器各自负荷电流在自身短路阻抗上的压降，分子、分母同乘以各自的额定电流和额定电压，可得各自电流在短路阻抗上的压降等于各自的负荷系数（它等于负荷电流与额定电流有效值之比，也等于变压器实际容量与额定容量之比）乘以各自的阻抗电压标么值（它等于额定电流在短路阻抗上的压降—即阻抗电压—与额定电压之比）再乘以各自的额定电压。

考虑到两台变压器的额定电压相等，则有第一台变压器的负荷系数与其阻抗电压标么值之积等于第二台变压器的负荷系统与其阻抗电压标么值之积。

由此可以看出：

1、阻抗电压不等而并联运行时，各台变压器的负载分配（即负荷系统）与自身的阻抗电压标么值成反比；

2、当阻抗电压标么值大的变压器满载（负载系数等于一）运行时，阻抗电压标么值小的变压器已过载（负载系数大于一）；反之，当阻抗电压标么值小的变压器满载运行时，阻抗电压标么值大的变压器却欠载（负载系数小于一）。

3、因为变压器不允许长期过载运行，所以当阻抗电压标么值不等并联运行时，向负载提供最大输出功率的运行情况只能是：

让阻抗电压标么值最小的那台变压器满载运行，而其它变压器一律欠载运行。

这使变压器容量不能充分利用，是不经济的。

四、负载分配计算

多台变压器并联运行且阻抗电压标么值不相等时，负载分配计算包括以下三个内容：

1、已知各台变压器的额定容量及阻抗电压标么值，且已知总的负载容量时，计算各台变压器所分担的功率。

各台变压器所分担的实际功率等于总的负载容量比各台变压器的额定容量与自身的阻抗电压标么值之比的代数和，乘以所要计算的这台变压器的额定容量与自身阻抗电压标么值之比。

2、不使任何一台变压器过载时，计算最大输出功率。

此时可将计算各台变压器所分担的实际功率的计算式用于阻抗电压标么值最小的那台变压器，并令其负载系数小于一，即得：

最大输出功率等于最小的阻抗电压标么值乘以各台变压器的额定容量与自身阻抗电压标么值之比代数和。

3、在上项运行状态下，计算变压器的设备利用率。

此时，变压器的设备利用率为最大输出功率比各台变压器额定功率的算数和。

变压器空载投入时的励磁涌流

变压器副边空载，把原边经开关接入电源的操作称为空载投入（也称空载合闸）。

变压器空载稳态运行时，空载电流仅占额定电流的2%—10%，可认为是正常穿载电流。

当进行变压器空载投入操作时，却有可能出现比正常空载电流大几十倍的电流，需经过一个短暂过渡过程，才能恢复到正常的空载电流值。

这个过渡过程中出现的空载投入电流称为励磁涌流。

空载投入时的励磁涌流现象，是与铁芯中磁场的建立过程密切联系在一起的。

以单相变压器为例，变压器空载投入时原边的电压方程式为：

电源电压瞬时值，等于电源电压最大值乘以角频率与时间的乘积，加上电源电压初相角的正弦值，还等于空载投入电流瞬时值在原绕组电阻上的压降，加上原绕组匝数倍的交链原绕组的磁通变化率。

由于铁芯具有磁饱和特性，空载投入电流与交链原绕组的磁通的关系是非线性的。

为了简化求解，可以忽略较小的原绕组电阻，并假设铁芯不饱和且无剩磁，则上述关系变为：

原绕组匝数倍的磁通变化率等于电源电压最大值乘以角频率与时间的乘积，加上电源电压初相角的正弦值。

也就是总磁通的微分值等于电源电压的最大值乘以角频率与时间的乘积，加上电源电压初相角的正弦值，再乘以时间微分值的原绕组匝数分之一。

解得，交链原绕组的总磁通等于负的稳太磁通最大值乘以角频率与时间乘积，加上电源电压初相角的余弦值，再加上一个积分常数。

其中：

1、稳态磁通最大值等于电源电压最大值比上角频率与原绕组匝数的乘积。

2、因分析的前提是铁芯中无剩磁，即初始条件为时间为零时，交链原绕组的总磁通为零，所以积分常数应等于稳态磁通幅值与电源电压初相角余弦值的乘积。

于是，交链原绕组的总磁通等于负的稳态磁通幅值乘以角频率与时间乘积，加上电源电压初相角的余弦值，再加上稳态磁通幅值与电源电压初相角余弦值的乘积。

也就是说，空载投入时，铁芯中的磁通可分为两个分量，一个是非周期分量（稳态磁通幅值与电源电压初相角余弦值的乘积），另一个是周期分量（负的稳态磁通幅值乘以角频率与时间乘积，加上电源电压初相角的余弦值）。

因此，磁通在过渡过程中，其变化情况与合闸瞬间电源电压的初相角有关。

当电源电压初相角为90°时，磁通的非周期分量为零，表明一合闸就建立稳态磁通，此种情况下不会出现励磁涌流，空载电流即为正常值。

当电源电压初相角为0°时，在空载合闸的半个周期瞬间（在工频电网中时间为0.01秒），磁通会出现最大值，它等于两倍的稳态磁通幅值。

再考虑到铁芯的磁饱和特性，此时铁芯深度饱和，对应于磁通最大值的励磁电流可达正常空载电流的几十倍，一般可达额定电流的5—8倍，这个电流就是励磁涌流。

由于原绕组具有电阻，因此励磁涌流会逐渐衰减到正常值。

一般小型变压器只需几个周期就可达到稳态空载电流值，大型变压器的励磁涌流衰减较慢，但一般不会超过20秒。

励磁涌流维持的时间较短，对变压器本身一般不会有什么危害，但可能引起变压器原边保护误动作，因此，保护装置在整定时要躲开合闸时的励磁涌流。

在大型变压器中，为了加速励磁涌流的衰减，合闸时常常在原绕组回路中加入一个附加电阻，合闸后再将这个电阻切除。

变压器的温升和绝缘寿命

变压器中的绝缘材料都有一定的耐热限度，在这个限度内，绝缘材料具有良好的绝缘性能，如果超过这个温度限度极限，绝缘材料就会明显老化，使用寿命缩短。

超过这个温度极限越甚，老化越快，使用寿命便急剧下降，严重时绝缘材料甚至烧毁。

这个温度极限，称为绝缘材料的允许温度。

按照绝缘材料的允许温度，把绝缘材料分为以下几个等级：

A级绝缘，允许温度105℃，主要是经过浸渍处理的棉、丝、纸板、木材等，普通绝缘漆。

E级绝缘，允许温度120℃，主要有环氧树脂、聚脂薄膜、青壳纸、三醋酸纤维薄膜，高强度绝缘漆。

B级绝缘，允许温度130℃，用提高了耐热性能的有机漆做粘合剂的云母、石棉及玻璃纤维组合物。

F级绝缘，允许温度155℃，用耐热优良的环氧树脂粘合或浸渍的云母、石棉及玻璃纤维混合物。

H级绝缘，允许温度180℃，用硅有机树脂粘合或浸渍的云母、石棉及玻璃纤维混合物，硅有机胶。

C级绝缘，允许温度大于180℃，天然云母、玻璃、瓷料。

油浸变压器一般采用A级绝缘，长期运行允许温度为105℃，在这个温度下运行，可用20年左右，所以，在正常情况下，绝缘寿命就是变压器的寿命。

变压器运行时，铁芯中的铁损耗，绕组中的铜损耗，铁芯夹件及油箱壁中的附加损耗，等，都变成了热量，使变压器温度升高。

当变压器温度比周围环境温度高时，则向变压器周围散热。

当发热量和散热量相等时，变压器各部分温度就达到了稳定值，这时变压器中某部分的温度与周围冷却介质温度之差称为该部分的温升。

变压器各部分的允许温升取决于绝缘材料。

我国油浸变压器一般采用A级绝缘，其最高允许温度为105℃。

为了保证变压器具有正常的使用年限，在设定周围冷却空气的最高温度为40℃的情况下，油浸电力变压器线圈的温升限度，用电阻法测量，自然油循环和强迫油循环时，均为65℃；油导向强迫油循环时为70℃。

铁芯及与变压器油接触（非导流部分的）结构件，用温度计法测量，其温升极限为80℃。

油顶层用温度计法测量，极限温升为55℃。