10第十章 互感器何智强.docx
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10第十章互感器何智强
第十章互感器
第一节基本原理及结构
【本节描述】本节介绍电压互感器、电流互感器的用途、分类、基本原理和结构特点等基础知识，通过原理讲解、图形展示，掌握常用互感器的基本原理和结构。
一、互感器分类
电力系统传输电能采用高电压大电流，无法用常规仪表直接测量电流和电压。
互感器的作用就是将高电压大电流按比例降到可以用仪表直接测量的数值（标准低电压100V或100/
V、标准小电流5A或1A），便于仪表直接测量，还可以作为继电保护和自动装置的信号源。
其主要作用归纳为：
（1）继电保护装置和测量仪表都不能直接接入高电压、大电流，必须通过电压互感器将高电压变换成低电压，二次侧绕组的额定电压为100V或100/
V，并与测量仪表或继电保护装置中的电压线圈并联；必须通过电流互感器将大电流变换成小电流，二次侧绕组的额定电流为5A或1A，并与测量仪表或继电保护装置中的电流线圈串联。
（2）由于互感器的二次额定电压或额定电流是一定的，所以能使测量仪表和继电保护装置的电压和电流规格统一，以利于仪表和继电器的标准化、小型化，并降低了对二次设备的绝缘要求。
（3）由于互感器的一、二次绕组之间有足够的绝缘强度，能使二次设备和工作人员与一次高电压之间进行电气隔离，而且互感器的二次侧有一端接地，这样就可以保证设备和人身的安全。
当一次系统发生短路时，还能够保护测量仪表和继电器免遭大电流的损害。
互感器按照测量对象主要分为电压互感器和电流互感器两大类，由电压互感器和电流互感器组合并形成一体的互感器称为组合式互感器。
按照工作原理可分为电磁式互感器、电容式互感器和电子式互感器。
按照主绝缘结构形式分为固体绝缘互感器、油纸绝缘互感器和SF6气体绝缘互感器。
二、电压互感器原理及结构
电压互感器是将一次（高压）侧交流电压按照额定电压比转换成可供电侧仪表、继电保护装置或者控制装置使用的二次（低压）侧电压的变压设备。
它与测量仪表配合时测量电压和电能，与继电保护装置配合时则可对电力系统进行继电保护。
（一）电压互感器主要分类
1.电压互感器的作用
（1）将一次系统的电压信息准确地传递到二次侧相关设备；
（2）将一次系统的高电压变换为二次侧的低电压，使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化，降低二次设备的绝缘要求；
（3）将二次侧设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，从而保证了二次设备和人身的安全。
2.电压互感器的特点
电压互感器与变压器毕竟有所不同，因为它的主要功能是传递电压信息，而不是输送电能，所以，电压互感器有以下特点：
（1）电压互感器一次侧电压取决于电网的运行电压，不受二次电压的影响。
正常运行时，电压互感器二次绕组近似的工作在开路状态，因为它的二次负荷是测量仪表、继电器的电压线圈，线圈匝数多、电抗大、通过的电流很小，电压互感器二次绕组接近空载运行。
（2）运行中的电压互感器二次侧绕组不允许短路，与电力变压器一样，当二次绕组短路时将产生很大的短路电流损坏电压互感器。
因此，为了保护二次绕组，一般在二次侧出口处安装了熔断器或自动空气小开关，用于过载和短路保护。
（3）由于电压互感器一次侧与高电压直接连接，若在运行中互感器的绝缘被击穿，高电压即串入二次回路，将危及二次设备和人身安全，所以二次侧绕组必须一端接地。
3.电压互感器的分类
（1）按安装地点可分为户内式和户外式。
（2）按用途分为测量用电压互感器（或电压互感器的测量绕组）和保护用电压互感器（或电压互感器的保护绕组）。
测量用电压互感器在正常电压范围内，向测量、计量装置提供电网电压信息。
保护用电压互感器在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电压信息。
（3）按绝缘介质可分为固体绝缘式、油纸绝缘式、六氟化硫气体绝缘式。
（4）按相数可分为单相式和三相式，一般只有20kV以下才制成三相式。
因为电压互感器容量小，器身体积不大，三相高压套管间的内外绝缘要求难以满足，所以只有3-15kV的产品有时采用三相结构。
（5）按电压变换原理分为电磁式、电容式、光电式式。
（6）按一次绕组对地运行状态分为一次绕组接地式和一次绕组不接地式。
一次绕组接地式是指单相电压互感器一次绕组的末端或三相电压互感器一次绕组的中性点直接接地。
一次绕组不接地式是指单相电压互感器一次绕组两端子对地都是绝缘的；三相电压互感器一次绕组的各部分，包括接线端子对地都是绝缘的，而且绝缘水平与额定绝缘水平一致。
（7）电磁式电压互感器按磁路结构分为单级式和串级式。
我国在35kV及以下电压等级均用单级式。
串级式电压互感器，一次绕组分成几个匝数相同的单元串接在相与地之间，每一单元有各自独立的铁芯，具有多个铁芯，且铁芯带有高电压，根据需要可设多个二次绕组。
110kV及以上的电磁式电压互感器普遍制成串级结构，其特点是：
绕组和铁芯采用分级绝缘，以简化绝缘结构；绕组和铁芯放在瓷套中，可减少重量和体积。
（8）按每相绕组组数分：
可分为双绕组和三绕组。
三绕组电压互感器有两个二次绕组，其中的辅助绕组供接地保护用。
4.电压互感器的型号
电压互感器产品型号均以汉语拼音字母表示，如下所示：
①②③④⑤⑥—⑦⑧
①产品类别：
J—电压互感器；
②相数：
D—单相；S—三相；
③绕组外绝缘介质：
G—空气干式；Z—浇注绝缘；Q—气体绝缘；变压器油不表示；
④结构特征：
X—带剩余电压绕组；B—三柱带补偿绕组；W—五柱三绕组；C—串级带剩余绕组；F—有测量和保护分开的二次绕组；
⑤油保护方式：
N—不带金属膨胀器；
⑥设计序号：
以数字表示；
⑦额定电压（kV）；
⑧特殊环境：
GY—高原；W—防污；TA—干热带；TH—湿热带。
例如：
JDZ（X）-10中，J表示电压互感器，D表示单相，Z表示浇注式，X表示带剩余电压绕组，10表示电压等级（kV）。
所有电压互感器的铭牌至少应标出下列内容：
（1）国名；
（2）制造厂名；
（3）互感器名称；
（4）型号及序号；
（5）标准代号；
（6）额定频率及相数；
（7）额定一次和二次电压；
（8）额定输出及其相应准确级，以及有关的其他附加性能数据；
（9）设备最高电压；
（10）额定绝缘水平；
（11）设备种类（户内或户外）；
（12）符合招标使用单位要求的刻印条码标识（严禁用纸粘贴）；
（13）互感器总重；
（14）制造年月。
5.主要技术参数
（1）设备额定电压及额定一次电压
设备额定电压与电压互感器运行时的系统额定电压相同，电压互感器的额定一次电压是指运行时一次绕组所承受的电压，用在相与相之间的单相电压互感器及三相电压互感器，其额定一次电压与设备额定电压相同；用在相与地间的电压互感器，其额定一次电压为上述电压值的
。
（2）额定二次电压
额定二次电压是作为互感器性能基准的二次电压值。
对于三相电压互感器及相与相间连接用的电压互感器，其额定二次电压为100V；对于相对地连接的电压互感器，其额定二次电压为
V。
用于接地保护的电压互感器，其剩余电压绕组的额定电压视互感器所接系统状况而定，对中性点有效接地系统为100V，对中性点非有效接地系统为
V，这是由于在系统发生单相接地故障时，其开口三角端电压必须保证100V而确定的。
（3）额定电压比
额定电压比为电压互感器的额定一次电压与额定二次电压之比。
通常互感器技术文件及产品铭牌上并不表示此比值，而是用一斜横线表示其比式，分子为额定一次电压值，分母为额定二次电压值。
（4）额定输出或额定负载
额定输出即互感器在额定二次电压下接有额定负载时供给二次回路的功率，以VA值表示。
标准额定输出所规定的功率因数为0.8（滞后）。
（5）准确级及误差限值
电压互感器和变压器一样，一次电压变换到二次电压时，由于励磁电流和负载电流在绕组中产生压降，所以，二次电压折算一次侧与一次电压比较，数量大小及相位都有差别，即互感器出现了误差。
在数量上的误差称为电压误差（比值差），在相位上的差别称为相位差。
电压误差f定义如下
f=
×100%
式中：
KN——额定电压比；
U2——实际二次电压；
U1——实际一次电压。
相对差（δ）即二次电压相量与一次电压相量的相角之差，当二次电压相量超前一次电压相量时，相位差为正，反之为负。
误差性能是电压互感器主要技术要求，标准上以准确级衡量其优劣。
准确级标称以在额定电压下规定的最大允许电压误差百分数来表示。
各标准准确级的误差限值及其所规定电压范围与输出见表10-1所示。
表10-1电压互感器的误差极限值
电压互感器
准确级
电压误差
（%）
相位差（°）
保证误差的条件
电压范围
二次负载范围
测量用
0.1
0.2
0.5
1
3
±0.1
±0.2
±0.5
±1.0
±3.0
±5
±10
±20
±40
不规定
（0.8~1.2）U1N
（0.25~1.0）S2N
保护用
3P
6P
±3.0
±6.0
±120
±240
（0.05~K）U1N
（0.25~1.0）S2N
注：
U1N额定一次电压，S2N额定二次负荷，K额定电压因数（1.2、1.5、1.9）。
（6）额定电压因数
额定电压因数是规定时间内能满足互感器温升要求及准确级要求的最大电压与额定一次电压的比值，它与系统最高电压及接地方式有关。
对用于中性点有效接地系统，其标准值为1.2倍连续，1.5倍30S；对用于中性点非有效接地系统，其标准为1.2倍连续，1.9倍8h。
额定电压因数是对接地保护用电压互感器一项重要技术要求，它是在系统发生单相接地故障时互感器发出可靠信号及其本身经过热、过励磁、过电压而不损坏的可靠保证。
（二）电压互感器的基本原理
1.电磁式电压互感器的工作原理
电磁式电压互感器一次绕组与一次被测电力网并联，二次绕组与二次测量仪表和继电器的电压线圈并联。
电磁式电压互感器二次电压U2近似与一次电压U1成正比，测出二次电压，便可确定一次电压。
电磁式电压互感器原理见图10-1。
图10-1电磁式电压互感器原理图
如图10-1所示，电动势平衡方程：
忽略绕组漏阻抗压降：
电压互感器的额定电压比为：
2.电容式电压互感器的基本原理
电容式电压互感器实质上是一个电容串接的分压器。
通过在被测电网的相和地之间串接有主电容和分压电容，电压经过分压后通过中间变压器降压输出二次电压。
图10-2500kV电容式电压互感器电气原理图
其中，C11、C12、C13、C14电容分压器；a1、x1二次绕组；
da、dn:
辅助二次绕组；T中间变压器；L补偿电感；N（XL）C14尾端。
（三）电压互感器的结构特点及注意事项
1.电磁式电压互感器
电磁式电压互感器是利用绕组之间的电磁感应原理制成的，其工作原理、构造和连接方法都与变压器相似。
其基本结构也由铁心和原、副边绕组组成。
特点是容量很小且比较恒定，通常只有几十到几百伏安，正常运行时接近于空载状态。
（1）固体绝缘电压互感器，以目前常用的环氧浇注绝缘电压互感器最具有代表性，这种结构和材料的互感器，由于绝缘结构和材料的限制，一般只用于35kV及以下的电压等级。
图a.35kV电压互感器（中性点绝缘）图b.10kV电压互感器（中性点直接接地）
图10-3常见的环氧浇注绝缘电压互感器外观图
图10-4环氧浇注绝缘电压互感器的内部结构示意图
与其他形式的互感器比较，环氧浇注绝缘电压互感器主要有以下优点：
①少维护：
产品投入电网运行后不需要做太多的维护工作；
②无油无气、环保清洁：
不会因密封不良等产生漏油、漏气缺陷；
③重量轻：
整个互感器中金属部分所占比例较小，相比于同样容量的其它类型的互感器轻；
④安装运输方便：
在运输箱中只要固定牢固可以多方位装车运输。
但上述优点必须建立在产品质量优异、运行安全可靠的基础之上。
环氧浇注绝缘电压互感器常见的故障和缺陷主要有：
①环氧绝缘炸裂。
互感器运行后短时间内（一般不超过1年），在系统电压下出现表面绝缘开裂或者炸裂现象。
如：
某变电站的35kV电容器组使用了国内某厂家生产的环氧浇注绝缘电压互感器，运行半年后，运行人员在一个阴雨天气巡视设备时，近距离听到互感器有表面放电声音，停电后检查发现一只互感器的套管根部出现纵向裂纹，导致放电，如图10-5所示。
图10-5环氧浇注绝缘电压互感器套管出现绝缘裂纹
②外绝缘表面爬电，造成不可恢复的炭化放电通道。
如：
某供电单位检修人员在秋季对某变电站内的一箱式变电站进行停电例行试验时，发现35kV进线干式电压互感器套管表面有表面爬电造成的黑色放电通道，放电痕迹从套管的高压端开始向金属底座发展。
分析认为是由于夏季变电站内湿度大，互感器表面绝缘制造不良造成。
（2）油纸绝缘电压互感器，由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，是我国最常见的结构型式，常用于35kV及以上电压等级。
图a.35kV电压等级图b.110kV及以上电压等级
图10-6常见的油纸绝缘电磁式电压互感器外观图
图10-7220kV油纸绝缘串级式电压互感器的绕组连接原理
油纸绝缘电磁式电压互感器的结构特点：
①高压绕组首端和末端绝缘水平不一致，采用了分级绝缘方式（首端的绝缘等级与系统相同，末端的试验电压为交流2000V及以上）。
②一次绕组采用串级式宝塔形结构，四个绕组自上而下所承受的系统对地电压逐步降低。
③内部绝缘支撑架在运行中承受电压作用。
其中上铁芯固定点承受3/4相对地电压，下铁芯固定点承受1/4相对地电压。
（3）气体绝缘电压互感器，内部气体主绝缘由SF6气体构成。
图10-8SF6气体绝缘电压互感器外观图
2.电容式电压互感器
随着电力系统输电电压的增高，电磁式电压互感器的体积越来越大，成本随之增高。
目前110kV及以上电压系统中大量使用电容式电压互感器，结构见图10-7，其原理接线见图10-8。
图10-9110kVCVT典型结构原理图图10-10110kVCVT典型电气连接原理图
（1）电容分压器（7）阻尼器（12）接地端
（2）电磁单元（8）电容分压器低压（13）绝缘油
（3）高压电容端对地保护间隙（14）电容分压器套管
（4）中压电容（9）阻尼器连接线（15）电磁单元箱体
（5）中间变压器（10）一次接线端（16）端子箱
（6）补偿电抗器（11）二次输出端（17）金属膨胀器
电容式电压互感器包括电容分压器和电磁单元两部分。
（1）电容分压器
电容分压器由高压电容器C1（主电容器）和串联电容器C2（分压）组成，位于瓷套内并充满绝缘油（十二烷基苯）。
一般由1~4节耦合电容器串联叠装而成，其主要作用就是分压，将一次系统电压U1分压为U2（一般为10-20kV）。
（2）电磁单元
电磁单元由中间变压器、补偿电抗器、阻尼器和避雷器组成位于油箱内。
二次绕组端子、CVT低压端、接地端及保护间隙等位于端子箱内。
中间变压器将分压电容器上的电压降低到所需的二次电压值。
由于分压电容器上的电压会随负荷变化，在分压回路串入电感L（补偿电抗器），用来补偿电容器的内阻抗，达到稳定电压的目的。
分压电容器之所以不能作为输出端直接与测量仪表相接，是因为二次回路阻抗很低，将影响其准确度，因此要经过一个电磁式电压互感器降压后，再接入仪表。
（3）油密封
电容分压器的电容元件密封在瓷套内，经加热、抽真空干燥后注入已脱气、脱水的绝缘油（十二烷基苯）并保持真空。
由温度变化而引起的油量变化可通过位于瓷套上部的金属膨胀器进行调节，使瓷套内部油压始终保持在0.005～0.05kg/cm2。
电磁单元内的各组成元件密封于箱体后经加热、抽真空干燥后注入已脱气、脱水的绝缘油（变压器油）并密封。
温度变化而引起的油量变化可通过油箱顶部的空气层进行压力调节。
另外，电容式电压互感器还设有保护装置和载波耦合装置（俗称结合滤波器）。
保护装置包括两个火花间隙，用来限制补偿电抗器和电磁式电压互感器与分压器的过电压。
阻尼器用来防止持续的铁磁谐振。
载波耦合装置是一种能接收载波信号的线路元件，把它接到接地开关的两端，其阻抗在工频电压下很小，完全可以忽略，但在高频下其数值很可观，当不接入载波耦合装置时，接地开关应合上。
与电磁式电压互感器相比较，电容式电压互感器有以下特点：
（1）体积小，重量轻，现场便于安装和运输。
（2）由温度变化引起的电容量和分压比的变化可以忽略不计。
（3）每节分压电容内装金属膨胀器，在互感器本体温度变化时保持内部压力微正压，不容易渗漏油。
（4）电容器的电感量小，因此，除用做系统电压测量外，还作为载波或继电保护信号的上传通道。
（5）正常运行时不需要对其中的绝缘油进行处理和分析。
（6）运行时不易导致系统的铁磁谐振。
三、电流互感器原理及结构
电流互感器是将一次（高压）侧交流电流按照额定电流比转换成可供电侧仪表、继电保护装置或者控制装置使用的二次（低压）侧电流的变流设备。
（一）电流互感器主要分类
1.电流互感器的作用
（1）将一次系统的电流信息准确地传递到二次侧相关设备；
（2）将一次系统的大电流变换为二次侧的小电流，使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化；
（3）将二次侧设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，从而保证了二次设备和人身的安全，并降低对二次设备的绝缘要求。
2.电流互感器的特点
电流互感器与变压器有所不同，有以下特点：
（1）电流互感器二次回路的负荷是仪表或继电保护装置的电流线圈。
阻抗小，相当于变压器的短路运行。
而一次电流由线路的负载决定，不由二次电流决定。
因此，二次电流几乎不受二次负载的影响，只随一次电流的改变而变化，所以能测量电流，且具有一定的准确级。
（2）电流互感器二次绕组不允许开路运行。
这是因为二次电流对一次电流产生的磁通是去磁作用，一次电流一部分用以平衡二次电流，另一部分用作励磁。
如果二次开路，则一次电流全部作为励磁作用，铁心过饱和（磁通为平顶波），二次绕组开路两端产生很高的电势（尖顶波），从而产生很高的电压，这是极不安全的，同时铁损也增加，有烧毁互感器的可能，所以电流互感器二次不能开路运行。
（3）电流互感器与电压互感器一样，二次侧一端必须接地，以防止一、二次之间绝缘击穿时危及仪表和人身安全。
电流互感器二次绕组只允许有一点接地，否则在两接地点间形成分流回路，继电器就不能正确动作。
3.电流互感器的分类
（1）按安装地点可分为户内式和户外式。
（2）按安装方式可分为穿墙式、支持式和装入式。
（3）按绝缘介质可分为固体绝缘式、油纸绝缘式、六氟化硫气体绝缘式。
（4）按一次绕组匝数可分为单匝和多匝式。
①单匝式结构有贯穿式（一次绕组为单根铜管或铜杆）和母线式（以母线穿过互感器作为一次绕组）。
②额定电流在400A以下采用多匝式。
多匝式接结构可分为线圈式、“8”字型和“U”字型。
“8”字型绕组结构的电流互感器，只用于35～110kV电压级。
“U”字型绕组电流互感器，在110kV及以上的高压电流互感器中得到广泛的应用。
在同一回路中，往往需要数量很多的电流互感器，高压电流互感器常由多个没有磁联系的独立铁芯和二次绕组与共用的一次绕组组成同一电流比、多二次绕组的电流互感器。
对于110kV及以上的电流互感器，常将绕组分成几组，通过二次绕组抽头切换或改变一次绕组的串、并联，以获得2～3种变比。
（5）按绕组结构型式可分为正立式和倒立式。
正立式抗地震性能较好，倒立式抗短时电流冲击的性能较好。
（6）按用途可分为测量用电流互感器和保护用电流互感器。
测量用电流互感器主要与测量仪表配合，在线路正常工作状态下，用来测量电流、功率等。
保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号以切断故障电路，从而保护供电系统的安全。
保护用电流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍、几十倍的电流时才开始有效的工作。
（7）新型电子式电流互感器按照原理可分为光学电流互感器、空心电流互感器和铁芯线圈式低功率电流互感器。
4.电流互感器的型号
电流互感器产品型号均以汉语拼音字母表示，如下所示：
①②③④⑤⑥—⑦⑧
①产品类别：
L—电流互感器；
②结构形式：
R—套管式；Z—支柱式；Q—绕组式；F—复匝式；D—单相式；M—母线式；K—开合式；V—倒立式；A—链型；电容式不表示；
③绕组外绝缘介质：
G一空气干式；C—瓷；Z—浇注绝缘；Q—气体绝缘；K—绝缘壳；油浸式不表示；
④结构特征：
B—带保护级；BT—带暂态保护；C—串级带剩余绕组；F—有测量和保护分开的二次绕组；
⑤油保护方式：
N—不带金属膨胀器；J—加强型；
⑥设计序号：
以数字表示；
⑦额定电压等级（kV）；
⑧特殊环境：
GY—高原；W—防污；TA—干热带；TH—湿热带。
例如：
LZZBJ9-10中，L表示电流互感器，第1个Z表示支柱式，第2个Z表示浇注式，B表示带保护级，J加强型，9表示设计序号，10表示额定电压（kV）。
电流互感器的铭牌至少应标出下列内容：
（1）国名；
（2）制造厂名（当不以工厂所在地地名为厂名者，应同时标出地名）；
（3）互感器名称；
（4）互感器型号；
（5）标准编号；
（6）额定频率；
（7）设备种类：
户内或户外，如果互感器允许使用在海拔高于1000m的地区，还应标出允许使用的最高海拔；
（8）设备最高电压；
（9）额定绝缘水平；
（10）额定电流比；
一般表示为：
额定一次电流/额定二次电流，A。
当一次绕组为分段式，通过串、并联得到几种电流比时应表示为：
一次绕组段数×一次绕组每段额定电流/二次额定电流，A。
当二次绕组具有抽头时，应分别标出每一对二次出线端子及其对应的电流比。
（11）额定输出和相应的准确级，以及有关的其他附加性能数据；
测量用电流互感器的准确级和仪表保安系数应标在相应额定输出之后，（例如15VA0.5级，FS10）；
保护用电流互感器的额定准确限值系数应标在其额定输出及准确级之后（例如：
30VA5P10）；具有额定扩大一次电流的电流互感器，其标志应紧接着准确级标志之后（例如：
15VA0.5级，扩大值150％）；
（12）绝缘耐热等级（A级绝缘不标出）；
（13）额定短时电流：
应分别标出额定短时热电流，kA，持续时间和额定动稳定电流，kA。
对于一次绕组为分段式的多电流比互感器，应分别标出与各种一次绕组连接方式相对应的额定短时电流值，数值之间以横线“—”或斜线“/”隔开。
（14）互感器总重及气体重量（或油重），kg；
（15）出厂序号；
（16）制造年月。
5.主要技术参数
（1）额定电压
电流互感器的额定电压是指互感器一次绕组所接线路的线电压，只是标志一次绕组对二次及地的绝缘水平的基准技术数据。
（2）额定一次电流
额定一次电流是决定互感器误差性能和温升的一个技术要求，它取决于系统的额定电流。
（3）额定二次电流
额定二次电流的标准为1A或5A，它取决二次设备的标准化。
（4）额定电流比
额定电流比是额定一次电流与额定二次电流之比，一般不以其比值表示，而是写成比式，例如200A/5A等
（5）额定热稳定电流
额定热稳定电流是指一次绕组连续流过而不使互感器温升超过规定限值的电流。
通常互感器的额定一次电流即是额定连续电流，但在某种情况下，额热稳定电流大于额定一次电流。
（6）额定负载
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