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1.4 电流互感器

几乎所有的交流保护继电器在各种保护系统中都是由电流互感器提供的电流驱动的。使用低量程的安培表测量高幅值的交流电流并非易事。而且，继电器必须额定在高电流下，以便在这些高交流电流下动作。因此，电流互感器将电流从高电流转换到可测量的电流范围。电流互感器的具体应用涉及多种考虑因素，例如机械结构类型、初级与次级电流的比值、绝缘类型（油浸式或干式）、热条件、精度、服务类型等。

电流互感器（CTs）​

电流互感器是一种电流传感器，其次级电流与流过初级的电流在幅值上成比例。它们用于将高电流电路中的电流转换为仪器和控制设备可测量的电流范围。此外，它们还为安培表、其他测量仪器和控制设备提供与高电压电路的隔离。这是在数字电表和动圈式仪表量程范围之外的电流测量中最便宜和最简单的方法。

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电流互感器的初级绕组包含一个或多个匝数，具有较大的截面积，并与需要检测电流流动的电路串联连接。在条形CT中，初级绕组仅有一匝，即导体本身作为初级绕组。次级绕组由大量匝数的细线组成，截面积较小。这个绕组连接到继电器的操作线圈或仪器的电流线圈，如图所示。通常，CT被设计为在额定初级电流下，次级端子输出5A或1A的电流。

电流互感器的工作原理​

电流互感器的工作原理与传统电力变压器相似。CT本质上是升压变压器，另一方面，从电流角度来看，它们是降压变压器。这是因为高电压侧的电流较低，而低电压侧的电流较高。当CT的初级被激励时，初级侧的安匝数在铁芯中产生磁场。这个磁通与次级相连，感应出电动势，这个电动势驱动CT次级中的电流。次级电流试图平衡初级安匝数。因此，初级和次级之间的关系为：

I1N1=I2N2I_1 N_1 = I_2 N_2
I1I2=N2N1\frac{I_1}{I_2} = \frac{N_2}{N_1}
I1I2=n\frac{I_1}{I_2} = n

这被称为电流互感器的变比。

其中 I1I_1 和 I2I_2 分别是初级电流和次级电流，N1N_1 和 N2N_2 分别是初级和次级匝数，nn 是次级与初级绕组之间的匝数比。

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例如，一个典型的100A到5A的电流互感器具有单个初级匝与20个次级匝的标称比，即1:20。从上述公式可知，通过已知的次级安培表电流和电流比，我们可以轻松确定流过初级的电流，该初级连接到主线路。在电力变压器中，初级电流取决于次级电流。相比之下，CT的初级绕组直接与电路串联连接，并且其上的电压降非常小，因此初级电流与次级电流无关。

需要注意的是，当初级被激励时，CT的次级不应保持开路。如果次级保持开路，次级电流变为零，但实际上次级安匝数会抵消初级安匝数。因此，未抵消的初级磁动势在铁芯中产生较大的磁通，因为没有反向的次级磁动势。这导致更多的铁芯损耗，并增加铁芯的热量。此外，这还会在初级和次级侧感应出高电动势，从而损坏绝缘。因此，非常重要的是，次级必须与仪器的低电阻电流线圈串联连接，或者简单地短路。此外，为了避免触电危险，次级侧必须接地。实际上，CT在次级端子处提供了一个短路开关。

电流互感器的构造​

电流互感器的构造可以是绕组型或条形型。绕组型CT类似于传统的双绕组变压器。初级绕组包含多个匝数，缠绕在铁芯上。对于低电压绕组型CT，次级绕组缠绕在酚醛树脂绝缘架上，并在两者之间使用适当的绝缘材料，初级直接缠绕在次级绕组的顶部。根据铁芯结构，这些可以是环形、矩形或窗口型CT。在条形CT中，初级绕组实际上是一个单条，穿过铁芯中心形成单匝初级绕组。

CT中使用的磁通密度远低于电力变压器。因此，选择铁芯材料以确保低磁阻、低铁芯损耗，并且能够在低磁通密度下工作。由于环形铁芯是无缝且坚固的，因此它们提供低磁阻。常用的铁芯材料包括热轧硅钢、冷轧取向硅钢和镍铁合金。对于高精度计量，CT的铁芯由一种称为Mu meal的非常高等级合金钢制成。为了提供绝缘，对于小线电压，使用漆和胶带材料。但对于高线电压，使用填充化合物或油的CT。对于用于更高传输电压的CT，次级绕组和高压导体之间的绝缘使用油浸纸。再次，这种CT的构造可以是活罐和死罐形式。

电流互感器的类型​

根据用途类型、电路电压、安装方法等因素，电流互感器分为不同类型。其中一些类型包括：

户内电流互感器​

这些通常用于低电压电路，并进一步分为绕组型、条形型和窗口型变压器。与普通变压器类似，绕组型变压器具有初级和次级绕组。这些用于非常低的电流比，例如求和应用。由于初级安匝数较高，这些CT可以实现高精度。条形CT包含条形初级，这是CT的一个组成部分，带有次级铁芯。由于需要磁化铁芯，条形CT的精度会降低，这在低电流额定值下需要总安匝数的很大一部分。窗口型CT安装在初级导体（或线路导体）周围，因为它们的构造没有初级。这些是最常见的CT，有实心和分裂核心结构。在安装实心窗口CT之前，必须断开初级导体，而对于分裂核心，可以直接安装在导体周围，无需断开它。

户外电流互感器​

这些通常用于更高电压电路，例如开关场和变电站。这些CT提供油或SF6气体绝缘。与油浸式CT相比，SF6绝缘CT更轻。顶部油箱连接到初级导体，因此这些被称为活罐结构CT。由于初级导体和油箱处于同一电位，使用小套管。这个油箱安装在绝缘结构上，如图所示。在底部，次级端子位于端子箱中。此外，在底部提供接地端子。

对于多比CT，初级绕组是分裂型的。因此，在油箱上为初级绕组提供抽头。使用这些变压器，通过在初级或次级上提供抽头，可以获得可变的电流比。当应用于次级时，操作安匝数发生变化，而应用于初级时，除了最低范围外，大部分铜空间未被使用。

套管式电流互感器​

套管型CT与条形CT类似，其中铁芯和次级安装在初级导体周围。次级绕组缠绕在圆形或环形铁芯上，安装在电力变压器、断路器、发电机或开关设备的高压套管中。导体穿过套管作为初级绕组，铁芯排列成围绕绝缘套管。由于成本较低，套管CT主要用于高压电路中的继电保护。

便携式电流互感器​

这些是高精度CT，用于高精度安培表和功率分析仪。这些可以是分裂核心、柔性或钳式便携式CT。典型的便携式CT电流测量范围为1000到1500安培，这些CT还为测量仪器提供与高电压电路的隔离。

电流互感器的误差​

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产生的磁动势在完全反相位中相等。然而，在实际应用中，电流比偏离匝数比，并且它们之间存在一定的相位角。这些被称为比值误差和相位角误差。对于用于高精度计量和测量的CT，这些误差必须尽可能小。

考虑下图所示的电流互感器的相量图：

其中，

电流互感器的误差分析​

  • I0I_0 = 空载电流
  • ImI_m = 空载电流的励磁分量
  • IeI_e = 空载电流的有功分量
  • EsE_s 和 EpE_p = 次级和初级绕组中感应的电压
  • NpN_p 和 NsN_s = 初级和次级绕组的匝数
  • IpI_p 和 IsI_s = 初级电流和次级电流
  • RsR_s = 次级绕组的电阻
  • XsX_s = 次级绕组的电抗
  • β\beta = 相位角误差
  • nn = 匝数比 = NsNp\frac{N_s}{N_p}

为了使铁芯保持励磁状态，电流互感器（CT）会抽取初级电流。这种电流激励电流包含两个分量，即励磁分量和有功分量，如图所示。次级绕组中感应的电动势使次级电流通过负载循环流动，并且由于次级绕组的固有电阻和电抗，会在次级产生电压降。在上述相量图中，I2I_2 被引用到初级（以虚线表示），因此初级和次级电流之间存在一个角度 β\beta。

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比值误差​

在上述相量图中，I1I_1 或初级电流包含激励电流分量。因此，通过考虑三角形OBC，我们可以根据 I2I_2、I0I_0（这又取决于励磁和有功分量）和 I1I_1 的矢量分量来计算实际的比值误差。此外，次级电流还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的比值。因此，CT的比值误差被定义为实际变比与标称变比之间的变化。

电流或比值误差=标称比−实际比实际比\text{电流或比值误差} = \frac{\text{标称比} - \text{实际比}}{\text{实际比}}
=Kn−RR×100%= \frac{K_n - R}{R} \times 100\%

相位角误差​

在理想的电流互感器中，次级电流必须与初级电流完全相差180度。换句话说，初级电流和反向次级电流之间应该有一个零相位角。在上述相量图中，反向次级电流领先初级电流一定角度，从而引入相位角误差。如果反向次级电流滞后于初级电流，则相位偏移为负；如果领先，则相位角为正。

为了减少CT中的这些误差，必须保持较小的激励或空载电流，同时次级负载的负载角也必须较小。为了满足这些要求，铁芯应具有低铁损和低磁阻，以最小化激励电流的有功和励磁分量。此外，通过减少次级的匝数并降低次级阻抗，可以使这些误差最小化。

电流互感器的应用​

电流互感器广泛应用于从电力系统控制到工业、医疗、汽车和电信系统中精确电流测量的各种应用。一些应用包括：

  • 扩展测量仪器（如安培表、电能表、千伏安表、瓦特表等）的量程。
  • 差动循环电流保护系统。
  • 电力传输系统中的距离保护。
  • 过电流故障保护。