测量用互感器

3．3．4　测量用互感器

1）互感器的功能

测量用互感器也称为仪用互感器，是测量高电压和大电流的常用设备。互感器的主要功能有：

（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。

这种方法具有以下优点：降低仪表的损耗，测量结果的准确度受频率影响小，可以保护操作人员的安全，有利于仪表制造规格的标准化。

2）电压互感器

（1）电压互感器的分类

①按用途分类：分为测量用电压互感器和保护用电压互感器，这两种电压互感器又可分为单相电压互感器和三相电压互感器。

②按安装地点分类：分为户内型电压互感器和户外型电压互感器。

③按电压变换原理分类：分为电磁式电压互感器、电容式电压互感器、光电式电压互感器。

（2）工作原理

电压互感器的工作原理、结构和接线方式与普通变压器相似，同样是由相互绝缘的一次、二次绕组绕在公共的闭合铁心上组成，如图3．23所示。电压互感器与功率变压器的不同之处主要为：功率变压器是传递能量的，主要考虑效率；而电压互感器用来进行电压测量，对它的要求主要是准确度高，线性度好；二者容量不同，且电压互感器在接近空载状态下工作。

图3．23　电压互感器的原理和接线

电压互感器将高电压变为低电压供电给仪表，所以它的一次匝数N₁多，二次匝数N₂少。一次绕组与被测电压并联，二次绕组与各种测量仪表或继电器的电压线圈相并联。电压互感器在图中用TV表示。一、二次侧的电压之比称为变压比。在理想情况下变压比可以表示为：

因此，可以通过改变一、二次侧绕组的匝数比，将高电压变成普通仪表能够直接测量的低电压。

由于式（3．79）是在理想情况下导出的，而互感器实际的变比不仅与其结构和材料有关，还与互感器的工作状态有关，因此，通过变比K_U来确定被测电压将产生误差，这个误差称为变差或比差，即

式中：U₁为被测电压的实际值；U_1′为由变比折算出的被测电压；U₂为二次侧电压。

（3）电压互感器的主要参数

①绕组的额定电压

额定一次电压是指可以长期加在一次绕组上的电压，其值应与我国电力系统规定的“额定电压”系列相一致。

额定二次电压，我国规定接在三相系统中相线与相线之间的单相电压互感器为100V，对于接在三相系统相与地间的单相电压互感器，为V。

②额定电压变比

额定电压变比为额定一次电压与额定二次电压之比，一般用不约分的分数形式表示。

③额定二次负载

额定二次负载为确定准确度等级所依据的二次负载导纳（或阻抗）值。

④准确度等级

电压互感器的准确度等级用比差表示，如0．2级电压互感器，表示在规定条件下比差不超过0．2%。国产电压互感器的准确度等级有0．01、0．02、0．05、0．1、0．2、0．5、1．0、3．0、5．0级。用户电能计量装置通常采用0．2级和0．5级电压互感器

⑤极性标志

为了保证测量及校验工作的接线正确，电压互感器一次及二次绕组的端子应标明极性标志。电压互感器一次绕组接线端子用大写字母A、B、C、N表示，二次绕组接线端子用小写字母a、b、c、n表示。

（4）电压互感器的选择

①额定电压的选择：电压互感器的额定电压应满足下式：

②准确度等级的选择：在发电厂、变电站、电力用户运行中的电能计量装置按其所计量的电量不同和计量对象的重要程度分五类（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）进行管理。

对Ⅰ、Ⅱ类计量对象互感器应采用0．2级，对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类计量对象互感器应采用0．5级，0．1级以上互感器主要用于实验室进行精密测量或用来校验低等级的互感器。

③接线方式的选择：电压互感器的接线方式有多种，计量有功电能和无功电能时，常用图3．24和图3．25两种接线方式。

图3．24　电压互感器V形接线

图3．25　电压互感器Y形接线

④额定容量的选择：按照二次负载取用的总视在功率S选择电压互感器的额定容量S_e，公式为：

（5）电压互感器使用注意事项

①所选电压互感器一次侧绕组额定电压应大于被测电压。

②与电压互感器配套使用的测量仪表一般选择量程为100V的交流电压表。测量时，将电压表的读数乘以电压互感器的变比，就得到被测电压。

③电压互感器的一、二次侧绝对不能接反，A、X应接被测电压，a、x应接电压表。

④电压互感器的二次侧不允许短路。因二次侧短路时将产生很大的短路电流，导致互感器损坏，所以为防止二次侧短路，必须在二次侧安装熔断器。事实上，为防止电压互感器一次侧的过电压，一般也安装熔断器。

⑤为防止故障时二次侧电压升高，电压互感器的二次侧绕组、外壳和铁心要可靠接地，以确保人身和设备的安全。

⑥按要求的相序进行接线。

3）电流互感器

（1）电流互感器分类

①按用途分类：分为两类：一类是测量电流、功率和电能用的测量用互感器；另一类是继电保护和自动控制用的保护控制用互感器。

②按一次绕组匝数分类：分为单匝式和多匝式。

③按安装地点分类：分为户内式和户外式。

④按绝缘方式分类：分为干式、浇注式、油浸式等。

（2）电流互感器的结构

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3．26所示。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。

图3．26　电流互感器原理和接线

电力系统中，经常将大电流I₁变为小电流I₂进行测量，所以二次绕组的匝数N₂多于一次绕组的匝数N₁。电流互感器的二次额定电流一般为5A，也有1A和0．5A的。电流互感器在图中用TA表示。

（3）工作原理和特性

电流互感器与电压互感器一样，也是一种仪用互感器，所不同的是，其副边工作在近于短路的状态。

这对电流互感器的设计制造工艺都提出了较高的要求：

①必须采用高导磁材料，并工作在低磁密状态下，在整个量程内不出现饱和。

②在工艺上保证原副边耦合好。

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，即理想电流互感器两侧的额定电流大小与它们的绕组匝数成反比，并且等于常数KI。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。

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。

（4）电流互感器的接线方式

①两相星形（V形）连接

两相星形（V形）连接接线图如图3．27所示。

图3．27　两相星形（V形）接线原理

优点是：节省导线，能利用接线方法取得第三相电流，一般为B相电流。

缺点是：现场用单相方法校验时，由于实际二次负载与运行时不一致，有时必须采用三相方法（或其他类似方法），给校验工作带来一些困难；由于有可能其中一相极性接反，公共线电流变成差电流，使错误接线概率相对较大。

②分相连接

分相连接原理图如图3．28所示。

优点是：现场用单相方法校验与实际运行时负载相同，错误接线概率相对较小。

缺点是：增加了一根导线。

③三相星形（Y形）连接

三相星形（Y形）连接原理图如图3．29所示。这种接线方法不允许断开公开接线，否则影响计量精度（因为零序电流没有通路）。

图3．28　分相连接原理

图3．29　三相星形（Y形）接线原理

（5）电流互感器的主要参数

①额定电流变比

额定电流变比是指一次额定电流与二次额定电流之比。额定电流比一般用不约分的分数形式表示。在理想情况下，变流比可以表示为：

同样，电流互感器的准确度等级也是用比差表示，即

在额定电流下，互感器可以长期运行而不会因发热损坏。当负载电流超过额定电流时，称为过负载。

②准确度等级

国产电流互感器的准确度等级有0．01、0．02、0．05、0．1、0．2、0．5、1．0、3．0、5．0、0．2S级及0．5S级。

③额定容量

电流互感器的额定容量，就是额定二次电流I_2e通过二次额定负载Z_2e时所消耗的视在功率S_2e。

④额定电压

额定电压是指一次绕组长期能够承受的最大电压（有效值），它只是说明电流互感器的绝缘强度，而与电流互感器额定容量没有任何关系。

（6）电流互感器的选择

①额定电压的选择：电流互感器的额定电压必须满足下列条件：

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，即I_x≤I_1e，但不宜使互感器经常工作在额定一次电流的1／3以下。

③准确度等级的选择：电压互感器的准确度等级选择与电流互感器的准确度等级选择相同。

④额定容量的选择与计算：接入互感器的二次负载容量S₂应满足：

（7）电流互感器使用意事项

①所选电流互感器一次侧绕组额定电流应大于被测电流，同时要求电流互感器的额定电压与被测电路的电压等级相符。

②与电流互感器配套使用的测量仪表一般选择量程为5A的交流电流表。测量时，将电流表的读数乘以电流互感器的变比，就得到被测电流。

③电流互感器的一、二次侧也不能接反，L₁、L₂串入被测电路，K₁、K₂接电流表。

④由于电流互感器副边匝数远大于原边，在使用时电流互感器的二次侧绝对不允许开路。否则，由于二次侧电流为0，铁心中的磁通将显著增加，使铁心损耗增大，造成铁心和绕组过热。同时，二次侧将产生极高的电压，可能将互感器的绝缘击穿，并对人身及设备造成伤害。

⑤电流互感器的二次侧不允许接熔断器，需要更换测量仪表时，用开关先将二次侧短路，更换仪表后，再将开关打开。

⑥为了人身和设备的安全，电流互感器的二次侧绕组、铁心和外壳也要可靠接地。