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简述电流互感器的作用_类型_接线方法

IC先生 IC先生 2409 2022-11-07 15:54:18

众所周知,在各种保护系统中,几乎所有交流保护继电器都是由电流互感器(Current Transformer,简称CT)提供的电流驱动的。这是因为用低量程电流表测量高幅度交流电并不是一种简单的方法,并且继电器必须在高额定电流下才能在高交流电流下启动,而电流互感器则是将电流从高电流转换为可测量的电流范围。

电流互感器的具体应用涉及各种考虑因素,例如机械结构类型、初级电流与次级电流之比、绝缘类型(油或干式)、热条件、精度、服务类型等。在本文中,小编简单介绍下电流互感器的作用、类型和接线方法。

基本概念

本质上来看,电流互感器是一种电流传感器,将在次级线圈中提供与流过初级线圈电流大小成比例的电流,主要用于将来自电源电路的高电流转换为可测量的电流范围的仪器和控制设备。

此外,电流互感器还可以将电流表、其他测量仪器和控制设备与高压电源电路隔离开来,它也是数字仪表和动圈式叶片仪表范围之外最便宜和最简单的电流测量方法。

电流互感器的初级绕组由一个或多个具有较大横截面积的匝组成,并与要感测电流的电路串联。在条形电流互感器中,初级绕组只有一匝,这意味着导体本身充当初级绕组,而次级绕组由具有小横截面积的多匝细线制成。该绕组连接到继电器的操作线圈或仪表的电流线圈,如下图所示。很多时候,电流互感器的设计使得次级端子在满载或额定初级电流下提供5A或1A电流。

电流互感器

工作原理

电流互感器的工作原理类似于传统的电力变压器,它们可以说成是升压变压器,但是,就电流而言,它们则是降压变压器。这是因为在高压侧,电流较低,而在低压侧,电流较高。当电流互感器的初级线圈通电时,初级侧安匝在铁芯中产生磁场。这种与次级线圈相连的磁通量会感应出一 EMF,这个EMF会驱动CT次级线圈中的电流,而次级电流试图平衡初级线圈的安培匝数。因此,初级和次级之间的关系为:

I1N1 = I2N2 《=》I1 / I2 = N2 / N1  《=》I1/I2 = n。

上述称为电流互感器的变比。其中I1和I2分别是初级电流和次级电流,N1和N2分别是初级匝和次级匝,n是次级绕组与初级绕组之间的匝数比。

工作原理

例如,一个典型的100至5A电流互感器的标称比为1初级匝数与20次级匝数(1:20)。从上面的等式,通过知道次级电流表电流和电流比,可以很容易地确定流过连接到主线路的初级的电流。

在电力变压器中,初级电流取决于次级电流。相比之下,电流互感器的初级绕组直接与电源电路串联,并且其上的压降非常小,因此初级电流与次级电流无关。

需要注意的是:当初级通电时,电流互感器的次级(二次侧)不应保持开路状态。如果次级保持开路,次级电流变为零,但实际上次级安匝与初级安匝相反。因此,由于没有反向的次级磁动势(mmf),因此未对置的初级磁动势在磁芯中产生较大的磁通量,这会导致更多的铁芯损耗,从而增加铁芯的热量。此外,这会在原边和副边产生高EMF,从而损坏绝缘。所以,次级线圈必须与仪器的低电阻电流线圈串联或简单短路,这一点非常重要。而且,为了避免触电的危险,次级侧必须接地。在实践中,电流互感器在二次端子处配备有短路开关。

结构构造

电流互感器的结构可以是绕线型或棒型。绕线式电流互感器类似于两绕常规变压器,初级绕组由缠绕在铁芯上的一整圈或多圈以上组成。对于低压绕线型CT,次级绕组绕在电木架上,中间有适当的绝缘,初级绕组直接绕在次级绕组的顶部,这主要取决于核心结构,包括环形、矩形或窗口型。另外,在棒型CT中,初级绕组只不过是一根穿过铁芯中心的棒,形成单匝初级绕组。

与电力变压器相比,电流互感器中使用的磁通密度要小得多。因此,选择磁芯材料以确保它们具有低磁阻、低磁芯损耗并且还可以在低通量密度下工作。由于环形磁芯的接头少且坚固,因此它们提供低磁阻。

磁芯常用的材料包括热轧硅钢、冷轧晶粒取向硅钢和镍铁合金。为实现高精度计量,电流互感器的核心由称为Mu金属的高等级合金钢制成。为了提供绝缘,清漆和胶带材料用于小线电压。但对于高线电压,则使用化合物填充或油填充电流互感器。如果电流互感器用于更高的输电电压,则次级绕组和HV导体之间的绝缘使用油浸纸。

主要类型

电流互感器根据使用类型、电路电压、安装方法等因素分为不同类型,其中一些类型的介绍如下。

1、室内电流互感器

这些通常用于低压电路,并进一步分为绕线式、棒型和窗式互感器。就像普通互感器一样,绕线式互感器也有初级和次级绕组,这些用于非常低的电流比,例如求和应用,而由于初级安匝数较高,这些电流互感器可以实现高精度。棒型CT由棒初级绕组组成,棒初级绕组是带次级铁芯的CT组成部分。由于磁芯的磁化,在低电流额定值下需要占总安培匝数的很大一部分,因此棒型CT的精度降低。。窗口型CT安装在初级导体(或线路导体)周围,因为它们没有初级绕组。这些是最常见的CT,采用实心和分体芯结构。

室内电流互感器

2、户外电流互感器

这些通常用于更高电压的电路,例如开关站和变电站。这些CT具有油或SF6气体绝缘。与充油CT相比,SF6绝缘CT重量更轻。顶部油箱连接到初级导体,因此这些被称为带电油箱结构CT。使用小套管是因为初级导体和油箱处于相同的电位。该油箱安装在绝缘体结构上,如下图所示。在底座上,次级端子位于接线盒中。此外,在底座上还设有一个接地端子。

、户外电流互感器

对于多变比电流互感器,初级绕组为分体式。因此,在油箱上为初级绕组提供了抽头。使用这些变压器,可以在初级或次级上提供抽头,从而获得可变电流比。当应用于二次绕组时,工作安培匝数在应用于一次绕组时发生变化,除最低范围外,大部分铜空间未使用。

3、套管电流互感器

套管型电流互感器也类似于棒型CT,其中芯线和次级安装在初级导体周围。次级绕组绕在圆形或环形铁芯上,铁芯安装在电力变压器或断路器、发电机或开关设备的高压套管中。导体穿过套管充当初级绕组并且芯被布置成环绕绝缘套管。由于成本较低,套管CT主要用于高压电路中的中继器目的。

套管电流互感器

4、便携式电流互感器

这些是用于高精度电流表和功率分析仪的高精度进动型CT,可以是分芯、柔性和夹钳式便携式CT。典型的便携式CT电流测量范围为1000至1500A,而且这些CT还为测量仪器提供与高压电路的隔离。

便携式电流互感器

偏差错误

在理想的电流互感器中,初级与次级电流比正好等于次级与初级匝数比,并且每个绕组中的电流在精确反相中产生相等的mmf。然而,在实际实践中,电流比与匝数比不同,并且它们之间也存在一定的相位角,这些被称为比率误差和相位角误差。对于用于高精度计量和测量的CT,这些误差必须尽可能小。

考虑如下所示的电流互感器的相量图,其中:

  • Io=空载电流
  • Im=空载电流的磁化分量
  • Ie =空载电流的有功分量
  • Es和Ep=分别在次级和初级绕组中的感应电压
  • Np和Ns=分别为初级和次级绕组的匝数
  • Ip和Is=初级电流和次级电流
  • Rs=次级绕组电阻
  • Xs=次级绕组的电抗
  • β=相角误差
  • n=匝数比=N2/ N1

偏差错误

为了使铁芯保持励磁,电流互感器吸取初级电流。该电流励磁电流由两个分量组成,即励磁分量和有功分量,如上图所示。次级绕组中感应的EMF使次级电流通过负载循环,并且由于次级绕组的固有电阻和电抗导致次级电压降。在上述相量中,I2指的是初级电流(以虚线显示),因此初级和次级电流之间存在一个角度 β。

1、比率误差

在上述相量中,I1由励磁电流分量组成。因此,通过考虑三角形OBC,可以根据I2、Io(又取决于磁化和有功分量)和 I1的矢量分量获得实际比率误差。此外,次级电流受到其绕组电阻和电抗以及负载功率因数的影响。但标称或额定电流比正好等于次级与初级匝数之比。因此,CT的变比误差定义为实际变比与标称变比的变化,即:

比率误差 = (名义比率 – 实际比率) / 实际比率 = (Kn – R) / R × 100 %

2、相角误差

在一个完美的电流互感器中,次级电流必须与初级电流正好偏移180度。换句话说,初级电流和反向次级电流之间的相位角应该为零。在上面的相量图中,反向的次级电流超前初级电流一定的角度,因此引入了相角误差。如果反向的次级电流滞后于初级电流,则相位移为负而超前,则相角为正。

为了减少电流互感器中的这些误差,励磁或空载电流必须保持较小,并且次级负载的负载角也必须很小。为了满足这些要求,铁芯应具有低铁芯损耗和低磁阻,以最大限度地减少励磁电流的有功和磁化分量。此外,通过减少次级匝数和降低次级阻抗可以使这些误差最小化。

主要应用

电流互感器的应用范围广泛,从电力系统控制到工业、医疗、汽车和电信系统中的精确电流测量,其中的一些应用包括:

  • 扩大电流表、电能表、KVA表、瓦特表等测量仪器的范围。
  • 差动环流保护系统。
  • 电力传输系统中的距离保护。
  • 过流故障保护。

总结

简单来说,电流互感器就是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器,它是由闭合的铁心和绕组组成,其中一次侧绕组匝数很少,串在需要测量的电流的线路中,而二次侧绕组匝数比较多,串接在测量仪表和保护回路中。

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