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电流互感器
第一节 概 述
电流互感器是电力系统中供测量仪表、继电保护和自动装置等二次设备获取相关电气一次设备回路信息的传感器。电流互感器将大电流按比例变成小电流（5、1、0.5A），其一次侧接在一次系统，二次侧接二次系统。通常，测量仪表与继电保护和自动装置工作状态不同，分别接在电流互感器不同的二次回路中。
电流互感器的作用是：
（1）使高压装置与测量仪表和继电器在电气方面很好的隔离，保证工作人员的安全。 （2）使测量仪表和继电器标准化和小型化，并可采用小截面电缆进行远距离测量。 （3）当电路上发生短路时，保护测量仪表的电流线圈，使它不受大电流的损害。 （4）能使用简单而经济的标准化仪表和继电器，并使二次回路接线简单。 为了确保工作人员在接触测量仪表和继电器时的安全，互感器的每一个二次绕组必须有一可靠的接地。以防绕组间绝缘损坏而使二次部分长期存在高电压。
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第二节 电磁式电流互感器
一、电磁式电流互感器的工作原理
电力系统中广泛采用的是电磁式电流互感器（以下简称电流互感器，用TA表示）。它的工作原理与变压器相似，其原理接线如圈7－l所示。其特点有： （1）一次绕组串联在被测电路中，匝数很少。一次绕组中的电流完全取决于被测电路的电流，而与二次电流无关。 （2）二次绕组匝数多，且所串联的仪表或继电器的电流线圈阻抗很小，所以正常运行时，电流互感器接近于在短路状况下工作。
二、电流互感器的误差
电流互感器一、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定变（流）比Ki ，可表示为
Ki=IN1/IN2≈N2/N1≈I1/I2
式中 N1、N2：二次绕组匝数
电流互感器的等值电路和简化相量图如图7－2所示。 根据磁通势平衡原理
IIN1+I′2N2＝I0N1 （7－2）
可看出，由于铁芯中产生磁通，铁芯的发热和交变励磁以及二次绕组和二次回路导线的发热，电流变换消耗能量，使一次电流I1与－I′2在数值和相位上都有差异，即测量结果有误差。这种误差通常用电流误差和相位误差表示。
电流误差，由二次绕组测得的一次电流近似值kiI2与一次电流实际值II之差，对一次电流实际值的百分比，称为电流误差，即
fi＝［(KiI2－I1)/I1 ］×100% （7－3）
并规定KiI2＞I1时，电流误差为正，反之为负。
相位误差。二次电流I2旋转180°后与一次电流Il的夹角δi称为角误差，并规定－I2超前I1时，δi为正值；反之为负值。
将式（7－l）代入式（7－3），则
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图7－1 电流互感器原理接线图 1－电流互感器铁芯2－次绕组3－二次绕组 4－电流表 5－电流继电器 6－用电负荷
（7－1）
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fi＝［（I2N2－I1N1）/I1N1］×100% （7－4）
式（7－4）中I2N2及I1N1只表示其绝对值的大小，当I1N1大于I2N2时，电流误差为负；反之为正。从相量图可知
I2N2－I1N1＝ob－od＝－bd，当δi很小时，bd≈bc，则
fi≈（－I0N1/I1N1）sin（ψ+α）×100% （7－5） δi≈sinδi＝ （I0N1/I1N1）cos（ψ+α）×3440′ （7－6）
式（7－5）和式（7－6）表明电流互感器的误差可用励磁磁通势I0N1表示。I0N1为电流互感器绝对误差，I0N1/I1N1表示的是相对误差。当相量图中的I0N1用I0N1/I1N1表示时，则I0N1/I1N1在横轴上的投影就是电流误差，I0N1／I1N1在纵轴上的投影就是相位误差。电流误差和相位误差的正负号可由图7－2（b）中以O点为原点所选择的直角坐标系来确定。
图7－2 电流互感器
(a)等值电路, （b）简化相量图
φ2－ Z′2L功率因数角；α－二次总阻抗角；Φ－铁芯合成磁通；
超前E′2 90°；ψ－铁芯损耗角；I0NI－励磁磁通势
三、电流互感器的准确级和额定容量 1．电流互感器的准确级
准确级代表电流互感器测量的准确程度。电流互感器准确级就是在规定的二次负荷范围内，一次电流在额定值附近时的最大误差限值。电流互感器的误差大小，集中反映在励磁电流I0的大小，而I0 的大小除与电流互感器的铁芯材料、结构有关外，还与一次电流及二次负荷有关。电流互感器误差曲线如图7－3所示，根据测量时误差的大小，电流互感器划分为不同的准确级。我国电流互感器准确级和误差限值如表7－1所示。
图7－3 电流互感器10%误差曲线
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2.电流互感器的额定容量
电流互感器的额定容量SN2是指电流互感器在额定二次电流IN2和额定二次阻抗ZN2下运行时，二次绕组输出的容量
SN2= I2N2×ZN2
由于电流互感器的二次电流为标准值（5A或1A），故其容量常用额定二次阻抗来表示。
表7－1 电流互感器准确级和误差极限 准确级次 一次电流为额定电流的百分数（%） 10 20 100～120 10 20 100～120 10 20 100～120 50～120 0.5 0.35 0.2 1 0.75 0.5 2 1.5 1 3 误差极限 电流误差（±%） 相位误差（±′） 20 15 10 60 45 30 120 90 60 不规定 （0.5～1）SN2 （0.25～1）SN2 二次负荷变化范围 0.2 0.5 1 3 3．保护型准确级 保护用电流互感器按用途可分为稳态保护用（P）和暂态保护用（TP）两类。稳态保护用电流互感器的准确级常用的有5P和10P。保护级的准确级是以额定准确限值一次电流的最大复合误差来标称的，所谓额定准确限值一次电流是一次电流为额定一次电流的倍数。也称为额定准确限值系数。图7－3所示为在保证电流误差不超过－10%的条件下，一次电流的倍数n（I1/IN1）与允许最大二次负载阻抗Z2L的关系曲线。
四、电流互感器二次侧开路的影响
电流互感器正常工作时二次侧接近于短路状态，当Z2L=∞，即二次绕组开路，电流互感器由正常短路工作状态变为开路工作状态，I2＝0，励磁磁通势由正常为数甚小的I0N1骤增为I1N1，由于二次绕组感应电动势是与磁通的变化率dΦ/dt成正比的，因此，二次绕组将在磁通过零前后，感应产生很高的尖顶波电动势，如图7－4所示，其值可达数千甚至上万伏（与电流互感器额定互感比及开路时一次电流值有关）将危及工作人员人身安全、损坏仪表和继电器的绝缘。由于磁感应强度骤增，会引起铁芯和绕组过热。此外，在铁芯中还会产生剩磁，使互感器准确级变低。因此，当电流互感器一次绕组通有（或可能出现）电流时，二次绕组是不允许开路的。
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