原创电流互感器的误差分析及其应用技术

 2007-8-21 17:52  3953 7 7 分类: 测试测量

电流互感器的误差分析及其应用技术

宋婀娜　程彦华　张海宁

摘　要：电流互感器是电气测量中一种常用设备。广泛应用于煤矿的生产实践中。本文结合电流互感器的工作原理及其等值电路，详尽地分析了电流互感器的误差及影响误差的因素，并对误差及使用时注意事项做了定性分析。

关键词：互感器；误差；注意事项

中图分类号： TM452　　　文献标识码： A　　　文章编号：1008-8725(1999)04-0014-03

Errors analysis of the current transformer

and application technology

SONG E-nuo ¹,　CHENG Yan -hua ²,　ZHANG Hai-ning³

(1.Auto-Engineering Department,Hei Longjiang Mining Institu te, Jixi 158100, China;

2.Water Power Plant ，Jixi Coal Mine Bureau,Jixi

　　158100,China;3.Computer Gentre,HeiLongjiang Mining Institute ,Jixi 158100,China )

Abstract:The current tranformer is a kind of usual

instrument in electr ic measure dields and widely used in coal mine.The paper analyses the

errors a nd the effective factors of it.Aqualitative analysis is made on how to use it.

Key words:current transformer; error;notice

0　引言

　　在
煤矿电力系统中，由于生产实践的需要，经常会遇到比所用仪表的量程高得多的电压和大得多的电流。如果仍采用分流器和附加电阻的办法来解决，这会使仪表的功
率损耗相当大，带来许多困难。此外，直接测量将带来高压危险，危及工作人员的人身安全及仪表绝缘材料的性能。如果增加仪表的绝缘强度，则会使仪表结构复
杂，成本提高。为此，采用了电流互感器，将大电流变为小电流；采用电压互感器，将高电压变为低电压。利用互感器，将被测的高电压或大电流转换到一般仪表的
测量范围，测量仪器和保护装置均接在互感器的二次侧，不直接和高压电路连接，从而保证了仪表测量和继电保护工作的安全。利用互感器测量可以使仪表的规格标
准化，提高仪表利用率，既解决了仪表制造上的困难，又使仪表体积缩小成本降低。本文结合电流互感器的工作原理对电流互感器使用中的误差及应用技术做了定性
分析。

1　电流互感器的误差

1.1　电流互感器的工作原理

1.1.1　结构型式

　　根据使用目的不同，电流互感器有不同的结构型式。其主要部件是初级线圈、次级线圈、铁芯及绝缘体或绝缘子。其典型结构如图1所示。

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图1

1.1.2　工作原理

　　由于电流互感器二次绕组的负载仅是电流表等测量仪表或继电器的电流绕组等，其内阻很小。因此，电流互感器实际上是运行于二次绕组短路状态下。根据全电流定律，若不考虑漏磁，则

式中　W₁—初级线圈的匝数

　　　W₂—次级线圈的匝数

　　上式即I₁W₁和I₂W₂合成后产生铁芯中的磁场H*通常把它称作激磁磁动势I₀W₁。在外加电压不变的条件下，则有

　　I₀W₁=I₁W₁+I₂W₂　　(磁势平衡方程式)

若铁芯磁导率很高，铁芯中各种损耗很小，所需的I₀W₁很小，可忽略，则有：I₁W₁+I₂W₂=0

　　故：

而一次线圈的匝数远少于二次线圈，即：W₁W₂则电流互感器完成由大电流到小电流的变换过程。

　　K_I—电流互感器的变比

1.2　电流互感器的误差

　　实际的电流互感器中，不可避免地有励磁电流的存在，即I₁W₁+I₂W₂≠0。

　　因此，具有电流数值上的误差即变比误差(或称电流误差)简称比差和相位上的角度误差简称角差。

　　电流互感器的比差δ₁为：

式中　K_NI—额定变比

　　　K_I—实际变比

　　　I′₁—由额定变比计算所得的被测电流

　　　I₁—由实际变比计算出的一次电流，即实际被测电流

　　电流互感器的角差δ₂是指I₂旋转180°后与I₁之间的夹角。δ₂可以是正的也可以是负的。通常规定：如果二次电路相量I₂旋转180°后超前于一次电路相量I₁，则相角误差δ₂为正，反之，δ₂为负。

1.3　用等值电路相量图分析误差

　　电流互感器工作原理同变压器，所以作等值电路如图2。

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图2

　　图中Z′为电流互感器二次负载折合到一次侧，一般为感性，若已知I′₂和E′₂的夹角为φ₂，作相量图如图3，选取φ_m为参考向量；

15-2.gif (3111 bytes)

图3

　　I₀=I₁+I′₂，I₀超前φ_m一个角度α，称为铁耗角。

　　以OC长为半径作弧，则

　　因为δ₂很小，所以

　　且δ₂(弧度)

　　AC=I_ocos(α+φ₂)

　　OC=I₁

　　δ₂(弧度)

　　1弧度=3438′

　　δ₂(角度)

因为I₀很小，可以以为OA即为I₁的长，则AD为I₁与I₂之差。

　　AD=I₀sin(α+φ₂)

　　所以

　　即用相量图分析得

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1.4　影响误差的因素分析

1.4.1　激磁电流I₀的影响

　　由式(1)可知I₀减少，则δ₁和δ₂均减少，所以应尽量减小I₀，以降低误差。影响I₀的因素有：磁路铁芯材料、尺寸、二次负载大小和性质以及电网频率等。制造电流互感器，首先采用高导率的磁性材料，其次增大磁路面积，缩短磁路长度，并使铁芯工作在磁感应强度不高的情况下，或采用特殊线路和结构提高准确度。

1.4.2　一次线圈电流变化对误差的影响

　　由式(1)可知I₁增大，则δ_I、δ₂均减小。为此，使用电流互感器时，应注意使被测电流I₁应接近其额定电流I_IN时误差较小。

1.4.3　二次负载的影响

　　从等值电路可知：

　　 15-12.gif (903 bytes)

　　故：

　　由此可知，二次负载Z′减少，可使δ_I和δ₂均减小。所以使用时，二次所接的阻抗应降为最低值，不得超过允许值，否则将降低测量精度。

　　除此之外，在互感器误差中还要考虑测量仪表的误差，与测量仪表的误差相比，互感器的误差有时可忽略不计，但使用一级互感器作精密测量或互感器误差较大时，必须考虑互感器的误差。如果把测量仪器和互感器一起调节，互感器的误差可以全部消除。

2　电流互感器的应用

2.1　选择

　　根据被测电流的大小选择互感器的电流比。也就是要使电流互感器的一次电流大于被测电流，这是选择电流互感器最需注意的一点。对于一般的电流表，采用电流互感器后，应将电流表读数乘上互感器的电流比，才能得出被测大电流的数值。

　　因为电流互感器的误差与二次电路的负载有关，因此所接测量仪表的数目必须有所限制。在互感器的二次电路中不但可以接电流表，而且可以接入功率表和电度
表的电流线圈，所以要注意使同时接入的测量仪表及其连接导线所消耗的总功率不要超过电流互感器的额定负载。只有在一定的额定负载内，电流互感器才能保证其
准确度。因此须根据实际接入仪表线圈的容量来选定电流互感器。

2.2　接线

　　电流互感器的一次接入被测电路，而它的二次则与测量仪表连接。其接线图如图4所示，电流互感器在图中简称为CT。

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图4

2.3　注意事项

　　电流互感器正常运行时，由于二次电流产生的磁通和一次电流产生的磁通互相去磁的结果，使铁芯中的磁通密度能维持在较低水平，通常在0.1T以下。此时电流互感器二次电压也很低。

　　当电流互感器一次电流不变、二次绕组因某种原因开路。这样，一次电流全部变成励磁电流，使电流互感器的铁芯骤然饱和。使铁芯的磁密度可高达1.8T以上，很
大、二次绕组中感应出很高的电势，达几百伏，有时可达数干伏的高压、危及设备和人身安全。因此需更换电流互感器二次电路中测量仪表时，则应先将二次侧设短
路开关。此外，二次突然开路，引起铁芯过渡磁化，涡流损耗和磁滞损耗都增大，导致铁芯严重发热、绝缘及线圈烧坏。这样，铁芯和二次侧可能带上一次侧高压。
所以电流互感器的二次绕组和铁芯外壳必须牢固接地，使大部分电流通过接地体流入大地。

　　由上分析可知，运行中的电流互感器要注意其绕组绝不允许开路。

　　若一次回路中没有负载电流或负载很轻、铁芯没有饱和时，即使电流互感器二次开路后，也没有什么异常现象。因此运行中若发现电流互感器二次开路，应及时将一次侧的负载电流减少到最小，将所带的继电保护装置停用，并采用绝缘工具进行处理。

　　安全是煤矿生产的生命，坚决认真执行操作规程是保证安全生产的重要手段。电流互感器投入运行前，应严格按《电气设备试验规程》进行试验，还应检查电流
互感器油量是否充足；有无漏油现象；绝缘介质有无裂纹破损；一次侧引线、线卡及二次回路各连接螺丝是否紧固，接触是否良好；外壳及二次回路一点接地是否良
好。