互感器的原理与设计计算.docx

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1、1第一章 互感器标准和常用绝缘介质第一节 互感器标准 Instrument transformer standard11 国际标准 International Standard1.1 国际标准化组织International Standard Organize (ISO)1.2 国际电工技术委员会International Electrotechnical Commission (IEC) TC38 互感器技术委员会2 IEC 互感器标准：IEC600441 电流互感器IEC600442 电磁式电压互感器IEC600443 组合互感器IEC600444 互感器局部放电测量IEC600445 电

2、容式电压互感器IEC600446 保护用电流互感器暂态特性技术要求IEC600447 电子式电压互感器IEC600448 电子式电流互感器3 国家标准3.1 修改承受国际标准的国家标准GB12072023电磁式电压互感器GB12082023电流互感器GB168471997保护用电流互感器暂态特性技术要求GB17201-2023组合互感器GB7354-2023互感器局部放电测量GB/T4703-2023电容式电压互感器GB/T20840.7-2023电子式电压互感器GB/T20840.8-2023电子式电流互感器3.2 我国自己制订的标准JB/T6300掌握用电压互感器JB9652掌握用电流互感

3、器JB8510.1沟通电气化铁道用电流互感器JB8051.2沟通电气化铁道用电压互感器GB/T17443500kV 电流互感器技术参数和要求JBT104332023三相电压互感器JBT104322023三相组合互感器等。3.3 我国电力系统承受的标准电压设备最高电压kV： 整数匝补偿假设适当削减二次绕组匝数，二次电流必定增加以维持磁势平衡关系，这样即可使负的电流误差向正的方向变化，到达补偿的目的。假设二次绕组减匝后，二次电流增加为 I,则2IN1n1n= IN2n2n= (I2+ DI )N22IN2n2n = I+ DIN2228DI=IN2n2n - IN=2n -182N2N22式中：

4、I I2n2补偿后的电流误差表达公式：K (I+ DI) - IK I- IK DIe (%) =n22iI11 100 =n 21 100 +nII112 100 = ei(%) + eib(%)式中： ee(%) 补偿前的电流误差i(%) 电流误差补偿值，是正值ib电流误差补偿值计算：N- Ne(%) =ibNK DInI12 100e(%) =i b2n2 100 =b 100NN2n2n式中： Nb是整数假设需要的误差补偿值，求应当削减的二次绕组匝数：N2分数匝补偿N=2n eb100ib%假设承受整数匝补偿减小 1 匝时补偿值太大，可承受分数匝补偿。分数匝补偿可通过以下 4 种方法实

5、现。第 1 种方法：多根直径一样的导线并绕。假设用 2 根导线并绕，将其中一根导线少绕1 N1 匝，则e(%) =ibb 100。假设用 6 根导线并绕，将其中 1 根导线少绕 1 匝，则2 NN2ne(%) =ib1b 1006 N2n第 2种方法： 1根粗导线和 1根细导线并绕。 将细导线少绕 1匝， 则e(%) =ibS2S + S12NN b 100 ，S1粗导线截面积，S2细导线截面积。2n第 3 种方法：导线分别绕在两个铁心上，其中一个铁心少绕 1 匝导线，然后两个绕组并联。两个铁心截面积可以一样亦可不同。假设两个铁心截面一样，每个铁心的导线匝数均为 2 N2n，输出电流均为 I2

6、n/2，导线截面可以减小，并联连接后的输出电流为 I2n。其中 1 个绕组可承受整数匝补偿或多根导线并绕分数匝补偿。两个绕组也可以串联连接，两个铁心截面积可以一样亦可不同。假设两个铁心截面相同，每个铁心导线匝数均为N2n，输出电流均为I2n，串联连接后输出电流仍为I2n。其中 1 个绕组可承受整数匝补偿或多根导线并绕分数匝补偿。第 4 种：把套在一起或叠在一起的两个铁心，或者在铁心上钻孔。将 1 匝导线只穿过Nb其中 1 个铁心或者从铁心孔中穿过，则e(%) = N bAb 100 ， A少绕 1 匝导线的那个铁iAb2ncNA L心的截面积，A两个铁心的总面积。或者e(%) =bbc 100

7、 ， A穿孔少绕 1 匝导cibNA Lb2ncb9线的这局部铁心的截面积，其平均磁路长度为Lb，Ac整个铁心截面积，其平均磁路长度为Lc。以上分数匝补偿方法最常用的是第 1、2、3 种。3 低电压电流互感器除有上述 4 种误差补偿方法外，还有磁分路补偿；小铁心补偿；短路匝补偿。这些方法既可补偿电流误差也可补偿相位差。这些方法需要作相量图求解，格外繁琐，不再介绍，请查阅有关资料。b) 相位差补偿相位差补偿格外简单，不再表达。1.4.7 测量和保护用电流互感器的复合误差测量用电流互感器在仪表限值一次电流下及保护用电流互感器在准确限值一次电流下要求复合误差。复合误差是在稳态下，以下两者之差的方均根

8、值：a） 一次电流瞬时值b） 实际二次电流瞬时值乘以额定电流比复合误差e c 通常是按下式用一次电流方均根值的百分数来表示：9e(%) = 1001 T (K i- i)2 dtcIT0n sp p式中：Ipi 一次电流方均根值 一次电流瞬时值pi 二次电流瞬时值sT 一个周期的时间由上式可以看出，一、二次电流瞬时值之差在一个周期内的积分说明复合误差要考虑二次电流谐波重量的影响。理论上讲，可以将畸变的二次电流分解为基波、三次谐波、五次谐波等，通过福利哀级数变换代入公式计算出复合误差。实际工程计算中是行不通的，即使用示波器能找出谐波重量来，每台产品都这样确定复合误差根本不行能。实际复合误差的计算

9、方法：将有复合误要求的电流互感器铁心磁通密度限制在二次电流谐波重量可以无视的值，按上列误差计算公式计算基波正弦波复合误差。只要有谐波重量，就无法修正按基波计算的复合误差值。二次电流无谐波重量时，复合误差是图 7 相量图所示的电流误差e i (%) 和相位差d i (crad ) 的相量和。10.om.I1I.op.I0I.2I.00I0图7图 7 修改：在 I I之间增加d 角1 21.4.8 测量用电流互感器的仪表保安系数 FSa) 电力系统的短路电流流过电流互感器的一次绕组时，二次绕组也要流过相应的短路电流， 这个电流可能超过仪器仪表的过电流力量而被烧坏。因此在一次绕组流过系统短路电流时，

10、 对测量用电流互感器二次绕组的电流值予以限制。通常的是通过铁心饱和的方法使二次电流 不再增加。所谓仪表保安系数 FS 是指额定仪表限值一次电流与额定一次电流的比值，额定仪表限值一次电流是指电流互感器在额定负荷下，其复合误差不小于 10%的最小一次电流。由于当复合误差=10%时，铁心已初步饱和，再增加一次电流，铁心很快饱和，复合误差快速增大，二次电流不再增加甚致减小。短路电流流过电流互感器二次绕组时，互感器仪表保安系 数越小，由互感器供给信号的仪器仪表就越安全。标准规定仪表保安系数为 5 或 10。例如FS=5 时，是指电流互感器通过 5 倍额定一次电流时，其复合误差10%。高安匝的测量用电流互

11、感器，由于额定电流下铁心磁通密度可以选得较高，在 FS 下铁心可能已经饱和，因此承受硅钢片铁心有可能满足仪表保安系数的要求。低安匝的测量用电流互感器，由于额定电流下铁心磁通密度选得很低，FS 下铁心尚未保和，所以硅钢片铁心满足不了仪表保安系数的要求。应选取导磁率高而饱和磁通密度低的导磁材料制做铁心，如坡莫合金和微晶合金。b) 二次极限感应电势为了限制二次短路电流，应使铁心在仪表保安系数下饱和，计算铁心饱和磁通密度时需要计算二次极限感应电势。1磁通密度10B= 45 E2 FSmA NC2n式中： ACN铁心有效截面积二次绕组额定匝数2二次极限感应电势2nE2 FS二次极限感应电势仪表保安系数

12、FS、额定二次电流 I2n、额定负荷阻抗与二次绕组阻抗相量和，三者的乘积即是二次极限感应电势。二次极限感应电势：E=2 FS FS I(R+ R )2 + ( Xn2+ X )2n22n式中： Rn额定二次负荷Zn的有功重量， Rn= Zcosjn211R 二次绕组电阻，应折算到75o C211X额定二次负荷Znn的无功重量， Xn= Zsinjn2X二次绕组漏电抗21.4.9 保护用电流互感器的准确限值系数 ALFa) 稳态保护用电流互感器有以下三种P 级保护用电流互感器：准确限值系数规定为稳态对称一次电流下的复合误差，无剩磁限值要求。PX 级保护用电流互感器：低漏抗型保护用电流互感器，规定

13、拐点电势，其性能由二次励磁特性和匝数比误差限值规定，无剩磁限值要求。PR 级保护用电流互感器：除具有 P 级复合误差要求外，还有限制剩磁系数值要求。有时也规定二次回路时间常数和/或二次电阻限值。b) 准确限值系数 ALF为了满足电网过电流保护的要求。电网的短路电流流过电流互感器一次绕组时，二次电流应到达肯定的准确级，以保证继电器正常动作。准确限值系数 ALF 是指额定准确限值一次电流与额定一次电流之比值。额定准确限值一次电流是指互感器在额定负荷下能满足复合误差要求的最大一次电流值。标准规定的准确限值系数 ALF 为：5、10、15、20、30 。保护用电流互感器的准确级为5P、10P，即在规定

14、的准确限值系数下其复合误差应5%或10%。例如5P20 表示准确限值系数是 20，复合误差应5%，是指电流互感器流过 20 倍额定一次电流时，复合误差应小于或等于百分之 5。c) 二次极限感应电势1 磁通密度：B= 45 E2 ALFmA NC2n式中： ACN铁心有效截面积二次绕组额定匝数2nE二次极限感应电势2二次极限感应电势2 ALF准确限值系数 ALF、额定二次电流 I2n、额定负荷阻抗与二次绕组阻抗相量和，三者的乘积即二次极限感应电势。二次极限感应电势：E=2 ALF ALF I(R+ R )2 + ( Xn2+ X )22n22n式中： Rn额定负荷Zn的有功重量， Rn= Zco

15、sjn2R 二次绕组电阻，应折算到750 C2X额定负荷Znn的无功重量， Xn= Zsinjn2X- -二次绕阻漏电抗21.5 电流互感器的二次开路电压运行中的电流互感器，二次绕组端子不允许开路，必需接有负荷或短接。由于在一次绕组通有电流的状况下，假设二次绕组开路，则 I2N2=0， I0N1=I1N1可见，电源供给的一次磁势全部用于铁心励磁，铁心的磁通密度很高，到达过饱和状态，此时磁通波形发生畸变，变成平顶波，二次绕组的感应电势变成尖顶波形，如图 8 所12示。二次绕组的感应电势很高即开路电压很高。ee2t图812开路电压可按以下阅历公式计算：UkfI1n N1nLcKN2n Ac,V式中

16、：K与铁心构造形式和材质有关的系数，卷铁心取 4.1310-2，叠片铁心取 2.5910-2Ac铁心有效截面积，cm2 f 电源频率，Hz Lc铁心平均磁路长度 cm二次绕组开路将产生以下后果l 高幅值电压危及值班人员和仪表、设备安全。l 长时间过励磁铁心可能因过热性能变坏。l 在铁心中产生剩磁使误差变大可以实行措施避开二次绕组开路产生高电压，常用的是和二次负荷并联放电间隙，当开路电压高于安全电压时间隙击穿，使二次绕组由开路状态变成为短路状态。最常用的放电间隙有氧化锌避雷器或放电管如硅管等。在承受放电间隙时，要充分考虑一次绕组流过短路电流时的影响。电流互感器运行时不允许二次绕组开路，但是分析二

17、次绕组开路的物理现象有实际意义。二次绕组匝间绝缘模拟试验就是用二次绕组开路方法进展的。1.6 外磁场对电流互感器误差的影响及削减外磁场对误差的影响这里所说的外磁场是指靠近互感器的另外的导体流过电流所产生的磁场或者三相大电流系统中相邻相电流产生的磁场。1.6.1 返回导体的电流产生的磁场的影响假设电流互感器二次绕组均匀分布在环形铁心上或抽头各个绕组都均匀分布；一次绕组穿过铁心中心且为无限长导体或也均匀分布在铁心上，称作低漏抗电流互感器。实际上。除单匝贯穿式而且单匝一次绕组要足够长和母线式电流互感器比较接近外，其他构造型式的电流互感器一次绕组难以做到。矩形一次绕组、“U”字形一次绕组和圆形一次绕组

18、，一次绕组都是集中绕在铁心的一局部上，一次绕组不在铁心内的折回局部距铁心很近，它产生的磁场对铁心有影响。上述“U”形、矩形和圆形一次绕组不在铁心内的折回局部称“返回导体”，如“U”形13一次绕组有两根引线，二次绕组假设只套装在一根引线上，另一根引线就是返回导体。即使二次绕组分别套在两根引线上，环部也是返回导体。另外，安装和试验电流互感器时的外部接线导体也称为返回导体。以图 9 单匝，两根平行引线的“U”形一次绕组为例进展分析。由于返回导体中的电流所建立的磁势产生的磁通流经铁心闭合，靠近返回导体一侧铁心的磁通密度增加，远离返回导体一侧的铁心的磁通密度削减，造成铁心各局部的磁通密度不一样。由于这种

19、外磁场产生的磁通路径大局部是非磁性介质，只有很小一局部是铁心的磁性介质路径，所以其磁通密度与空气的导磁系数。成正比，是线性的非磁性介质的导磁系数均为空气的导磁系数，为常数，即不同电源电流下的不同磁通密度的励磁磁势是不变的，而且磁通只匝链局部二次绕组，在互感器正常工作时，这种外磁场磁通常使二次绕组漏抗增加。在互感器流过电网短路电流的状况下，会使靠近返回导体一次的铁心磁通密度增加很多，甚至饱和，误差增大， 尤其对保护用电流互感器，有可能使复合误差超过限值。对于暂态保护用电流互感器，更可能使暂态误差超过规定值。一次引线1一次引线2铁心环部图 91.6.2 邻相电流产生的磁场的影响这种影响主要产生在发

20、电机组输出大电流母线的三相母线型电流互感器上。在三相系统中，每一相的电流互感器都受到另外两相电流的影响，在分析邻相电流产生的磁场影响时， 就要考虑互感器的安装位置及母线的排列方式，还要考虑到三相电流在时间上的相位差异， 格外简单。当互感器按图 10 单排布置时，B 相互感器将受左侧 A 相电流和右侧 C 相电流所产生磁场的影响。以 B 相的中心为原点，依据右手定则，原点左边 A 相母线电流产生的磁通对 B 相互感器的作用与原点右边 C 相母线等值反向电流产生的磁通对 B 相互感器的作用是一样的。因而 A 相电流对 B 相互感器的影响可以看成 C 相电流与反转 180o 的 A 相电流的相量和对

21、 B 相互感器的影响。1314相互感器相互感器相母线相母线相母线图 10图 11在均匀介质中，电流在任一点产生的磁通密度与其相间的距离成反比，因此A 相电流对B 相互感器铁心左半部的影响大于对右半部的影响。同理C 相电流对 B 相互感器铁心右半部的影响大于对左半部的影响。图 11 是 B、C 相电流对 A 相互感器的影响。无视铁损角0 的影响，按B 相电流产生的磁通落后于 A 相互感器铁心磁通 120o 考虑其影响，C 相电流产生的磁通导前于 A 相互感器的铁心磁通 120o 考虑其影响，但C 相小于 B 相的影响。用同样的方法考虑A、B 相电流对 C 相互感器的影响。1.6.3 削减外磁场影

22、响的措施依据外磁场影响的状况不同承受相应的不同措施。a) 为削减互感器一次绕组返回导体的影响，可以承受二次绕组导线匝数不均匀分布的方法一次绕组的返回导体与二次绕组铁心相距很近，相对位置是固定的，而且返回导体的电流产生的磁通大局部经过非磁性介质闭合。按返回导体在靠近铁心局部的不同位置上产生大小不等的磁势 ，在铁心相应的位置上多绕多少不等的匝数，以产生反相的磁势依据楞茨定律，铁心磁通产生的电流所产生的磁势抵抗外磁场的磁通变化，即可抵消返回导体的磁势。电流在空间某一点产生的磁场的强弱与其间距离成反比，离铁心越近，所需要的反磁势就越大。承受二次绕组导线匝不均匀分布可到达这一目的。如图 9 所示，把原来均匀分布的二次线匝在靠近返回导体 P2 侧铁心段多绕一些匝数，在远离 P2 侧铁心段少绕一些匝数，此时 P2 侧铁心段上的磁势大于匝数均匀分布时的磁势，可抵消大局部返回导体产生的方向相反的磁势。环氧绝缘电流互感器二次绕组外面包有半导体皱纹纸，起屏蔽作用，所以它的矩形一次绕组返回导体的影响可无视。b) 为削减三相系统相互影响，通常承受屏蔽罩或附加平衡绕组来削