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電流互感器
來源:互聯網

電流互感器(current 變壓器,簡稱CT)又叫變流器,是一種在正常使用條件下其二次電流與一次電流實際成正比、且在聯接方法正確時其相位差接近于零的互感器。

電流互感器的工作原理與變壓器類似,基于電磁感應現象,電流互感器的一次繞組(原繞組)串聯在電路中,匝數很少,其電流完全取決于被測線路中的負荷電流,與二次繞組的電流大小無關。電流互感器的種類很多,按安裝地點可分為戶內式和戶外式,按原理可分為電磁式、霍爾式和光電式,按絕緣形式,可分為干式、澆注式、油浸式等。

電流互感器最早可以追溯到19世紀英國物理學家邁克爾·法拉第 (Michael Faraday)發現的電磁感應現象,在他的實驗中,他將一根導體線環繞在一個磁鐵上,并將導體線的一端連接到一個電池。當電池通電時,導體中就會出現電流,而在關閉電池時,導體中會出現反向電流,這種現象的發現打開了電磁學的新紀元,也為電流互感器的發明奠定了基礎。

電流互感器的二次繞組(副繞組)與測量儀表、繼電器等的電流線圈串聯,由于測量儀表和繼電器等的電流線圈阻抗都很少,電流互感器的正常工作方式接近于短路狀態。

為了規范電流互感器的規格和應用,眾多國家也將其納入法規的管理對象,比如最新的中國的GB1208-2016,IEC的IEC60044-8-2002電流互感器等。

歷史

1831年,邁克爾·法拉第 (Michael Faraday)發現了電磁感應現象,他在一個鐵環上繞了兩個線圈,第一個線圈通過一個電鍵與電池相連接,第二個線圈則與一個電流計連接,磁場會在第二個線圈內感生一個電流,由電流計指示出來,這為電流互感器的發明奠定了基礎。

1865年,詹姆斯·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)出版了他的著作《電磁場理論》,這本書為電流互感器的發展提供了更好的理論依據。在書中,麥克斯韋提出了電磁場的理論,即電和磁相互作用產生了電場和磁場。這個理論成為了電磁學的基礎,為電力系統的實際應用提供了更多的理論支持。

1885年,美國發明家和工程師喬治·夏倫伯格(George Shallenberger)發明了世界上第一臺電流互感器,它在美國、英國歐洲的電力系統中得到了廣泛應用。

1954年中國第一臺110KV電流互感器問世,之后中國的高壓電流互感器制造技術開始迅速發展。

1986年,美國五大電氣公司各自成立研究小組,研制了161kV等級的獨立式光纖電流傳感器。

1987年到1989年間,日本東方電氣公司與東芝集團合作研制了gis設備用的光纖電流互感器,實現了長時間良好的運行效果。

2002年按IEC新標準對互感器標準進行了修改并發布了新的標準號IEC60044-1《電流互感器》和IEC60044-2《電壓互感器》。

2022年9月15日,由中國國國網國網安徽省電力有限公司牽頭研制的世界首臺量子電流互感器在合肥市110千伏掛網運行,標志著量子精密測量技術在電力行業的應用邁出了第一步。

原理

電流互感器的原理接線如下圖所示。

基本結構和變壓器相似,其原邊匝數很少,串接在被測量的電路中,因此一次電流完全取決于被測電路的負荷電流,其副邊數較多與低阻抗的儀表或繼電器的電流線困相連接。因為電流互感器副邊負載阻抗很小,所以它實際上就相當于一個短路運行的變壓器。

它的一、二次額定電流之比,叫變流比,其變流比的表達式為:

式中為互感器原、副邊電感線圈范數,為互感器原、副邊額定電流,是互感器原、副邊的實際電流。已知互感器二次電流,根據上式便可以計算出一次電流值。

電流互感器在工作中不允許副邊開路。因為在電流互感器正常運行時,原副邊的磁勢是相互平衡的。即:

為了防止二次側開路,電流互感器的副邊不準裝熔斷器,在運行中若更換或拆除儀表及繼電器時,要首先用導線將二次側短路,同時為防止萬一,副邊必須可靠接地。

基本結構

電流互感器根據種類不同,存在不同結構,其最基本結構主要包括鐵芯、一次繞組和二次繞組,這和變壓器非常類似。

分類

電流互感器按安裝地點可分為戶內式和戶外式,按原理可分為電磁式、霍爾式和光電式,按絕緣形式,可分為干式,澆注式,油浸式等,詳細可以參考下表。

技術參數

額定電壓

電流互感器的額定電壓,是指一次繞組所接線路上的線電壓。電流互感器一次繞組是串聯接在線路上的,所以電流互感器額定電壓并不是電流互感器一次繞組兩端的電壓,而是電流互感器一次繞組對二次繞組和地的絕緣電壓,因而電流互感器的額定電壓只是說明電流互感器的絕緣強度,而和電流互感器的容量沒有任何直接的關系。

額定電流

為了生產和使用的方便,電流互感器的額定電流是規定有標準,額定電流的意思就是說,在這個電流下,繞組可以長期通電而不被燒壞。當繞組的電流超過額定電流時,叫做過負荷。長期過負荷運行,會把繞組燒壞或降低互感器的壽命。

一次額定電流

電力系統用電流互感器的額定一次電流標準值列于下表,單位為A。

二次額定負荷

電流互感器二次額定負荷,就是指電流互感器二次所接電氣儀表和聯結導線的總阻抗,它包括這些儀表或繼電器的阻抗,以及聯結導線的電阻和聯結點的接觸電阻等所有二次外接負載的全部阻抗。

額定電流比

額定一次電流與額定二次電流之比,就叫做額定電流比,用表示,簡稱為電流比。因此,一般所謂電流互感器的電流比,都是指它的額定電流比,即

誤差

由于互感器鐵心要消耗勵磁安匝,這個勵磁安匝由一次安匝中提供,這就是說,在一次安匝中要扣去勵磁安匝后,才傳遞成為二次安匝。因此,這時二次安匝就不等于一次安匝,電流互感器也就有了誤差。

電流互感器的誤差就是由鐵心所消耗的勵磁安匝引起的。在交流電中,電流除了大小以外,還有方向,就像鐘表中的時針和分針一樣。如果我們將一次電流和經過折算后的二次電流當做時針和分針,也放在鐘表盤中,那么當電流互感器沒有誤差時,這支針和這支針的長短應該相同,而且這兩支針應該成一直線,這也就是說,如果將這支針轉180o即轉半圈后,同這兩支針完全重合,即長短和位置都完全一致,則電流互感器就沒有誤差。如果轉180o后,與不完全重合,即電流互感器有誤差。與的長短之差,就叫做電流誤差,一般簡稱比值差,并用百分數表示。

與的位置之差,也就是與之間所夾的角度,就叫做相位誤差,一般簡稱相位差。因此,電流互感器的誤差分比值差和相位差兩部分。

準確級

根據測量時電流互感器誤差的大小,電流互感器的準確級分為0.01級、0.02級、0.05級、0.1級、0.2級、0.5級、1級、3級和5級。根據電流互感器國家標準,和測量用電流互感器檢定規程的規定,各級電流互感器允許的比值差和相位差如上表所示。

勵磁電流

當一次電流通過互感器的一次繞組時,必須消耗一小部分電流來勵磁,勵磁就是使鐵心有磁性,這樣二次繞組才能產生感應電勢,也才能有二次電流。用來勵磁的電流。就叫做勵磁電流,一般用表示。勵磁電流與一次繞組匝數的乘積,叫做勵磁安匝,也叫做勵磁磁動勢。

熱穩定電流和動穩定電流

為了滿足電流互感器對精度和穩定性的要求,電流互感器通常需要調整其設計參數,以滿足系統的要求。其中,兩種重要的設計參數是動穩定電流和熱穩定電流。

動穩定電流表示電流通過電流互感器時,其誤差隨時間的變化情況。動穩定電流越小,表示電流互感器的測量誤差越小,穩定性越高。通常,大型電力系統中對電流互感器的動穩定電流限制比較嚴格,在0.5-1.0倍額定電流范圍內,動穩定電流應該小于0.5%。

熱穩定電流表示電流通過電流互感器時,其熱穩定性能的變化情況。常見的電流互感器中,磁性芯心的熱參數是影響熱穩定電流的主要因素。隨著磁性芯心溫度的升高,電流互感器的磁化曲線會發生變化,從而導致測量誤差的變化。熱穩定電流的設定要根據電流互感器的磁芯材料、繞組溫度系數、工作溫度等因素進行綜合考慮。通常情況下,大型電力系統中,熱穩定電流應該大于或等于額定電流的2倍。

精度等級

電流互感器的精度等級足用電流的相對誤差表示的,即:

100%

式中,為電流相對誤差,也叫變流比誤差;為變流比;為實測二次電流;為一次額定電流。例如:0.5級電流互感器的電流相對誤差為±0.5%。

額定容量

電流互感器的額定容量,是指電流互感器在額定電流和額定負載下運行時二次所輸出的容量,容量的單位為伏安(VA)。所以額定容量和額定負荷之間的關系,可以用下面的公式來表示:

應用

電力系統保護

電力系統中,電流互感器通常用于保護裝置中,以便實時監測電力系統的電流,并對系統內部的故障進行定位和保護動作。

電力系統測量

電流互感器也常用于電力系統的測量中,以確保電力系統的穩定運行。電流互感器可以用于測量電力系統中的電流大小和方向,可根據測量結果對電力系統進行調整和優化。

電力質量排查

電流互感器也可以用于電力質量監測中,用于監控電力系統中的各種異常和問題。電流互感器可以檢測電力系統內部的各種故障,如過載、短路電弧等問題,幫助防止電力系統發生事故和損失。

家居

電流互感器還可應用于非電力領域,例如家用電器、家居智能插座的保護等領域中,在這些領域中,電流互感器通常被用于測量各種電流,用來確認是否有漏電等異常發生,以確認設備的安全。

發展趨勢

標準

命名規則

電流互感器的型號表示為L□□□□一□/□一□

第一字母:L一電流互感器。

第二字母:A一穿墻式;B一支持式;C一瓷箱式;D一單匝式;F一多匝式;J一接地保護;M一母線式;Q一線圈式;R一裝入

式;Z一支柱式。

第三字母:C一瓷絕緣;J一樹脂澆注絕緣;K一塑料外殼;W一戶外式:Z一澆注絕緣。

第四字母:B一保護級;D一差動保護;p一加強型;J一加大容量。

第五字母:D一差動保護。

第六數字:電壓等級。

第七數字:精度等級。

第八數字:額定電流

例如,LA一10為穿墻式、額定電壓為10KV的電流互感器。LQJ一10為線圈式、樹脂澆注、額定電壓為10KV的電流互感器。LFZJ一10為貫穿復匝式、澆注絕緣加大容量的額定電壓為10KV的電流互感器。LMZB一0.5為0.5KV、母線式,澆注絕緣、保護用電流互感器等。

各國法規

電流互感器相關法規主要是電力行業的法規。

制造商

參考資料 >

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