電磁式互感器

在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬安都有。為便於二次儀表測量需要轉換為比較統一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。

較早前，顯示儀表大部分是指針式的電流電壓表，所以電流互感器的二次電流大多數是安培級的（如5A等）。當今電量測量大多數字化，而計算機的採樣的信號一般為毫安級（0-5V、4-20mA等）。微型電流互感器二次電流為毫安級，主要起大互感器與採樣之間的橋樑作用。

微型電流互感器稱之為“儀用電流互感器”。（“儀用電流互感器”有一層含義是在實驗室使用的多電流比精密電流互感器，一般用於擴大儀表量程。）

電流互感器原理線路圖微型電流互感器與變壓器類似也是根據電磁感應原理工作,變壓器變換的是電壓而微型電流互感器變換的是電流罷了。繞組N1接被測電流，稱為一次繞組（或原邊繞組、初級繞組）；繞組N2接測量儀表，稱為二次繞組（或副邊繞組、次級繞組）。

微型電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實際電流比K。微型電流互感器在額定工作電流下工作時的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示。Kn=I1n/I2n

電力系統用互感器是將電網高電壓、大電流的信息傳遞到低電壓、小電流二次側的計量、測量儀表及繼電保護、自動裝置的一種特殊變壓器，是一次系統和二次系統的聯絡元件，其一次繞組接入電網，二次繞組分別與測量儀表、保護裝置等互相連接。互感器與測量儀表和計量裝置配合，可以測量一次系統的電壓、電流和電能；與繼電保護和自動裝置配合，可以構成對電網各種故障的電氣保護和自動控制。互感器性能的好壞，直接影響到電力系統測量、計量的準確性和繼電器保護裝置動作的可靠性。

互感器分為電壓互感器和電流互感器兩大類，其主要作用有：將一次系統的電壓、電流信息準確地傳遞到二次側相關設備；將一次系統的高電壓、大電流變換為二次側的低電壓（標準值）、小電流（標準值），使測量、計量儀表和繼電器等裝置標準化、小型化，並降低了對二次設備的絕緣要求；將二次側設備以及二次系統與一次系統高壓設備在電氣方面很好地隔離，從而保證了二次設備和人身的安全。

互感器的功能是：將高電壓或大電流按比例變換成標準低電壓（100V或100/V）或標準小電流(5A或1A，均指額定值)，以便實現測量儀表、保護設備和自動控制設備的標準化、小型化。此外，互感器還可用於隔離開高電壓系統，以保證人身和設備的安全。根據電力系統的需要，互感器又分為獨立式和設備套管上配套用兩種。

保護用電壓互感器（或電壓互感器的保護繞組。在電網故障狀態下，向繼電保護等裝置提供電網故障電壓信息。

按絕緣介質分乾式電壓互感器：由普通絕緣材料浸漬絕緣漆作為絕緣，多用在及以下低電壓等級。

澆注絕緣電壓互感器：由環氧樹脂或其他樹脂混合材料澆注成型，多用在及以下電壓等級。

油浸式電壓互感器：由絕緣紙和絕緣油作為絕緣，是中國最常見的結構型式，常用於及以下電壓等級。

氣體絕緣電壓互感器：由氣體作主絕緣，多用在較高電壓等級。

通常專供測量用的低電壓互感器是乾式，高壓或超高壓密封式氣體絕緣(如六氟化硫)互感器也是乾式。澆注式適用於35kV及以下的電壓互感器，35kV以上的產品均為油浸式。

按相數分：絕大多數產品是單相的，因為電壓互感器容量小，器身體積不大，三相高壓套管間的內外絕緣要求難以滿足，所以只有3-15kV的產品有時採用三相結構。

按電壓變換原理分電磁式電壓互感器：根據電磁感應原理變換電壓，原理與基本結構和變壓器完全相似，我國多在及以下電壓等級採用。

電容式電壓互感器：由電容分壓器、補償電抗器、中間變壓器、阻尼器及載波裝置防護間隙等組成，用在中性點接地系統裏作電壓測量、功率測量、繼電防護及載波通訊用。

光電式電壓互感器：通過光電變換原理以實現電壓變換。

按使用條件分，户內型電壓互感器:安裝在室內配電裝置中，一般用在及以下電壓等級。

户外型電壓互感器：安裝在户外配電裝置中，多用在及以上電壓等級。

按一次繞組對地運行狀態分，一次繞組接地的電壓互感器：單相電壓互感器一次繞組的末端或三相電壓互感器一次繞組的中性點直接接地。

一次繞組不接地的電壓互感器：單相電壓互感器一次繞組兩端子對地都是絕緣的；三相電壓互感器一次繞組的各部分，包括接線端子對地都是絕緣的，而且絕緣水平與額定絕緣水平一致。

按磁路結構分,單級式電壓互感器。一次繞組和二次繞組（根據需要可設多個二次繞組同繞在一個鐵芯上，鐵芯為地電位。中國在及以下電壓等級均用單級式。

串級式電壓互感器。一次繞組分成幾個匝數相同的單元串接在相與地之間，每一單元有各自獨立的鐵芯，具有多個鐵芯，且鐵芯帶有高電壓，二次繞組（根據需要可設多個二次繞組處在最末一個與地連接的單元。我國在電壓等級常用此種結構型式。）

其工作原理與變壓器相同，基本結構也是鐵心和原、副繞組。特點是容量很小且比較恆定，正常運行時接近於空載狀態。電壓互感器本身的阻抗很小，一旦副邊發生短路，電流將急劇增長而燒燬線圈。為此，電壓互感器的原邊接有熔斷器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時，副邊出現對地高電位而造成人身和設備事故。測量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結構，其原邊電壓為被測電壓（如電力系統的線電壓），可以單相使用,也可以用兩台接成V-V形作三相使用。實驗室用的電壓互感器往往是原邊多抽頭的，以適應測量不同電壓的需要。供保護接地用電壓互感器還帶有一個第三線圈，稱三線圈電壓互感器。三相的第三線圈接成開口三角形，開口三角形的兩引出端與接地保護繼電器的電壓線圈聯接。正常運行時，電力系統的三相電壓對稱，第三線圈上的三相感應電動勢之和為零。一旦發生單相接地時,中性點出現位移,開口三角的端子間就會出現零序電壓使繼電器動作，從而對電力系統起保護作用。線圈出現零序電壓則相應的鐵心中就會出現零序磁通。為此，這種三相電壓互感器採用旁軛式鐵心（10kV及以下時）或採用三台單相電壓互感器。對於這種互感器，第三線圈的準確度要求不高，但要求有一定的過勵磁特性（即當原邊電壓增加時，鐵心中的磁通密度也增加相應倍數而不會損壞）。

電磁感應式電壓互感器的等值電路與變壓器的等值電路相同。

在電容分壓器的基礎上製成。電容C1和C2串聯，U1為原邊電壓,為C2上的電壓。空載時,電容C2上的電壓為 由於C1和C2均為常數，因此正比於原邊電壓。但實際上，當負載並聯於電容C2兩端時,將大大減小,以致誤差增大而無法作電壓互感器使用。為了克服這個缺點，在電容C2兩端並聯一帶電抗的電磁式電壓互感器YH，組成電容分壓式電壓互感器。電抗可補償電容器的內阻抗。YH有兩個副繞組，第一副繞組可接補償電容Ck供測量儀表使用；第二副繞組可接阻尼電阻Rd，用以防止諧振引起的過電壓。

電容式電壓互感器多與電力系統載波通信的耦合電容器合用，以簡化系統，降低造價。此時，它還需滿足通信運行上的要求。

測量用電流互感器（或電流互感器的測量繞組。在正常工作電流範圍內，向測量、計量等裝置提供電網的電流信息。

測量用電流互感器主要與測量儀表配合，在線路正常工作狀態下，用來測量電流、電壓、功率等。

測量用微型電流互感器主要要求：

1、絕緣可靠；

2、足夠高的測量精度；

3、當被測線路發生故障出現的大電流時互感器應在適當的量程內飽和（如500%的額定電流）以保護測量儀表；

保護用電流互感器（或電流互感器的保護繞組。在電網故障狀態下，向繼電保護等裝置提供電網故障電流信息。

保護用電流互感器主要與繼電裝置配合，在線路發生短路過載等故障時，向繼電裝置提供信號切斷故障電路，以保護供電系統的安全。保護用微型電流互感器的工作條件與測量用互感器完全不同，保護用互感器只是在比正常電流大幾倍幾十倍的電流時才開始有效的工作。

保護用互感器主要要求：

1、絕緣可靠；

2、足夠大的準確限值係數；

3、足夠的熱穩定性和動穩定性；

保護用互感器在額定負荷下能夠滿足準確級的要求最大一次電流叫額定準確限值一次電流。準確限值係數就是額定準確限值一次電流與額定一次電流比。當一次電流足夠大時鐵芯就會飽和起不到反映一次電流的作用，準確限值係數就是表示這種特性。保護用互感器準確等級5P、10P。

互感器分為電壓互感器和電流互感器兩大類測量用電壓互感器（或電壓互感器的測量繞組。在正常電壓範圍內，向測量、計量裝置提供電網電壓信息。

由電壓互感器和電流互感器組合並形成一體的互感器稱為組合式互感器，也有把與組合電器配套生產的互感器稱為組合式互感器。

乾式電流互感器。由普通絕緣材料經浸漆處理作為絕緣。

澆注式電流互感器。用環氧樹脂或其他樹脂混合材料澆注成型的電流互感器。

油浸式電流互感器。由絕緣紙和絕緣油作為絕緣，一般為户外型。當前中國在各種電壓等級均為常用。

氣體絕緣電流互感器。主絕緣由氣體構成。

電磁式電流互感器。根據電磁感應原理實現電流變換的電流互感器。

光電式電流互感器。通過光電變換原理以實現電流變換的電流互感器。

貫穿式電流互感器。用來穿過屏板或牆壁的電流互感器。

支柱式電流互感器。安裝在平面或支柱上，兼做一次電路導體支柱用的電流互感器。

套管式電流互感器。沒有一次導體和一次絕緣，直接套裝在絕緣的套管上的一種電流互感器。

母線式電流互感器。沒有一次導體但有一次絕緣，直接套裝在母線上使用的一種電流互感器。

按原理分為電磁感應式和電容分壓式兩類。

電磁感應式多用於 220kV及以下各種電壓等級。電容分壓式一般用於110kV以上的電力系統,330～765kV超高壓電力系統應用較多。電壓互感器按用途又分為測量用和保護用兩類。對前者的主要技術要求是保證必要的準確度；對後者可能有某些特殊要求，如要求有第三個繞組，鐵心中有零序磁通等。

利用變壓器原、副邊電流成比例的特點製成。其工作原理、等值電路也與一般變壓器相同，只是其原邊繞組串聯在被測電路中，且匝數很少；副邊繞組接電流表、繼電器電流線圈等低阻抗負載，近似短路。原邊電流（即被測電流）和副邊電流取決於被測線路的負載，而與電流互感器的副邊負載無關。由於副邊接近於短路，所以原、副邊電壓U1和都很小,勵磁電流I0也很小。 電流互感器運行時，副邊不允許開路。因為一旦開路，原邊電流均成為勵磁電流，使磁通和副邊電壓大大超過正常值而危及人身和設備安全。因此，電流互感器副邊迴路中不許接熔斷器，也不允許在運行時未經旁路就拆下電流表、繼電器等設備。 電流互感器的接線方式按其所接負載的運行要求確定。最常用的接線方式為單相，三相星形和不完全星形。

電流互感器在交接及大修前後應進行極性試驗，以防在接線時將極性弄錯，造成在繼電保護迴路上和計量回路中引起保護裝置錯誤動作和不能夠正確的進行測量，所以必須在投運前做極性試驗。

極性關係表徵：

標有L1、K1和C1的各出線端子在同一瞬間具有同一極性。

測量電流互感器的極性的方法很多，我們在工作時常採用的有以下三種試驗方法：①直流法；②交流法；③儀器法。

見圖1。用1.5～3V乾電池將其正極接於互感器的一次線圈L1，L2接負極，互感器的二次側K1接毫安表正極，負極接K2，接好線後，將K合上毫安表指針正偏，拉開後毫安表指針負偏，説明互感器接在電池正極上的端頭與接在毫安表正端的端頭為同極性，即L1、K1為同極性即互感器為減極性。如指針擺動與上述相反為加極性。

見圖2，將電流互感器一、二次線圈的L2和二次側K2用導線連接起來，在二次側通以1～5V的交流 電壓(用小量程)，用10V以下的電壓表測量U2及U3的數值若U3=U1-U2為減極性。

U3=U1+U2為加極性。注意：在試驗過程中儘量使通入電壓低一些，以免電流太大損壞線圈，為了讀數清楚電壓表儘量選擇小一些，變流比在5以下時採用交流法測量比較簡單準確，對變流比超過10的互感器不要採用這種方法進行測量，因為U2的數值較小U3與U1的數值接近，電壓表的讀數不易區別大小，所以在測量時不好辨別，一般不宜採用此法測量極性。

一般的互感器校驗儀都有極性指示器，在測量電流互感器誤差之前儀器可預先檢查極性，若指示器沒有指示則説明被試電流互感器極性正確(減極性)。

互感器的額定變比KN指電壓互感器的額定電壓比和電流互感器的額定電流比。前者定義為原邊繞組額定電壓U1N與副邊繞組額定電壓 U2N之比；後者則為額定電流I1N與I2N之比。即 KN=U1N/U2N （對電壓互感器） KN=I1N/I2N （對電流互感器） 電壓（或電流）互感器原邊電壓（或電流）在一定範圍內變動時,一般規定為0.85～1.15U1N（或10～120%I1N）,副邊電壓（或電流）應按比例變化,而且原、副邊電壓(或電流)應該同相位。但由於互感器存在內阻抗、勵磁電流和損耗等因素而使比值及相位出現誤差，分別稱為比差和角差。 比差為經摺算後的二次電壓（或二次電流）與一次電壓（或一次電流）量值大小之差對後者之比，即 fU 為電壓互感器的比差，fI 為電流互感器的比差。當KNU2>U1（或KNI2>I1）時，比差為正，反之為負。 角差為二次電壓(或二次電流)相量旋轉180°後與一次電壓(或一次電流)相量之間的夾角，以分為單位。並規定副邊的-妧2（或－夒2）超前於妧1（或夒1）時，角差為正，反之為負。 對沒有采取補償措施的電壓互感器，比差為負，角差一般為正值，比差的絕對值和角差均隨電壓的增大而減小；鐵心飽和時，比差與角差均隨電壓的增大而增大。 對於沒有采取補償措施的電流互感器，比差為負值，角差為正值，比差的絕對值和角差均隨電流增大而減小。 採用補償的辦法可以減小互感器的誤差。一般通過在互感器上加繞附加繞組或增添附加鐵心，以及接入相應的電阻、電感、電容元件來補償。常用的補償法有匝數補償、分數匝補償、小鐵心補償、並聯電容補償等。

沒有經過補償的互感器，比差均為負值，角差均為正值。而各級互感器的誤差允許範圍是正負偏差。因此可以利用正負偏差的富餘範圍，使互感器精度提高。

為了提高互感器的精度，一般採用各種補償方法。一般情況下因為補償的數值較小，可以認為對鐵芯的磁場基本不影響。這樣可以採用誤差疊加進行計算。互感器補償方法有匝數補償、輔助鐵芯補償、電容補償等。

互感器匝數補償方法最簡單，只要二次繞組比額定匝數少繞幾匝Nx即可。互感器補償前的比差為負值，少繞幾匝二次繞組電流增加起到補償作用。補償量如下，

Δf=Nx/（N2-Nx）×100%

匝數補償只對比差起到補償作用，補償量與二次負荷和電流大小無關。補償匝數一般只有幾匝，匝數補償應計算電流低端二次阻抗最大時，和電流高端二次阻抗最小時誤差。對於高精度的微型電流互感器匝數補償那怕只補償1匝，就會補償過量。這時可以採用半匝或分數匝補償。但是電流互感器的匝數是以通過鐵芯窗口的封閉迴路計算的，電流互感器的匝數是一匝一匝計算的，不存在半匝的情況。採用半匝或分數匝補償必須採用輔助手段如：雙繞組、雙鐵芯等。

輔助鐵芯補償對比差、角差都起到補償作用，但輔助鐵芯補償的方法制作工藝比較複雜。

電容補償，直接在二次繞組兩端並聯電容就可以。其對比差起正補償作用，補償大小與二次負荷Z=R+iX中X分量成正比，與補償電容大小成正比；對角差都起到負補償，補償大小與二次負荷Z=R+iX中R分量成正比，與補償電容大小成正比。電容補償是一種比較理想的補償方法。在微型精密電流互感器中，一般二次繞組直接接運放的電流/電壓變換，其二次阻抗基本為0，此時電容補償的作用就比較小。一般可以在電流/電壓變換階段增加移相電路可以解決角差問題。用户可以根據電流互感器出廠時所帶的該互感器的檢驗報告中檢驗誤差數據進行調整計算移相電路。

互感器最早出現於19世紀末。隨着電力工業的發展,互感器的電壓等級和準確級別都有很大提高,還發展了很多特種互感器,如電壓、電流複合式互感器,直流電流互感器,高準確度的電流比率器和電壓比率器,大電流激光式電流互感器,電子線路補償互感器,超高電壓系統中的光電互感器，以及SF6全封閉組合電器(GIS)中的電壓、電流互感器。在電力工業中，要發展什麼電壓等級和規模的電力系統，必須發展相應電壓等級和準確度的互感器，以供電力系統測量、保護和控制的需要。

隨着很多新材料的不斷應用，互感器也出現了很多新的種類，當前電磁式互感器得到了比較充分的發展，其中鐵心式電流互感器以乾式、油浸式和氣體絕緣式多種結構適應了電力建設的發展需求。然而隨着電力傳輸容量的不斷增長，電網電壓等級的不斷提高及保護要求的不斷完善，一般的鐵心式電流互感器結構已逐漸暴露出與之不相適應的弱點，其固有的體積大、磁飽和、鐵磁諧振、動態範圍小，使用頻帶窄等弱點，難以滿難以滿足新一代電力系統自動化、電力數字網等的發展需要。

隨着光電子技術的迅速發展，利用光學傳感技術和電子學方法研製的新型的電子式互感器逐漸興起，簡稱電子式互感器。國際電工協會已發佈電子式電流互感器的標準。電子式互感器的含義，除了包括光電式的互感器，還包括其它各種利用電子測試原理的電壓、電流傳感器。

電磁型互感器穩態及暫態特性分析，可總結出以下特點: 一次匝數少，二次匝數多; 正常工作時磁通密度低，故障時磁通密度大，存在飽和現象; 高內阻; 二次負載小，二次不能開路; 電氣絕緣薄弱、體積笨重; 可能導致鐵磁諧振過電壓; 為模擬量輸出 ^[1]  。

電子式互感器的特點: 絕緣簡單可靠; 體積小、質量小; CT動態範圍寬、無磁飽和; PT 無諧振現象; CT二次可以開路; 為數字量輸出; 抗電磁干擾能力強。電流互感器、電壓互感器可以合二為一，稱為電流電壓組合互感器( ECVT) ^[1]  。

伴隨着工業控制信息交換標準化需求和技術的發展，國外提出了以“一個世界，一種技術，一種標準”為理念的新的信息交換標準—IEC 61850 標準。在國內，現有信息交換技術在變電站自動化領域體現出的種種弊端嚴重製約了生產管理新技術的提高，因此，採用IEC 61850 實現信息交換標準化已經成為國內電力自動化業界的共識。同時，國家電網公司又提出了“建設數字化電網，打造信息化企業”的戰略方針，智能化變電站應運而生 ^[1]  。

既然智能化變電站是以IEC 61850 為標準來實現信息交換標準化的，那麼是否全部使用電子式互感器就不是區分常規站與智能站的標尺。通過對電磁式互感器和電子式互感器的對比可見，電壓等級越高，電子式互感器優勢越明顯。而對於低電壓等級來説，採用電子式互感器則意義不大，應採用常規互感器，原因如下:

(1) 採用電子式互感器是為了解決互感器飽和問題，而低壓常規互感器一般不存在飽和問題。

(2) 採用電子式互感器是為了解決互感器的二次信號長距離傳輸問題，但低壓常規互感器和保護裝置已就地安裝在開關櫃中，所以長距離傳輸問題已解決。

(3) 制約開關櫃體積減小的主要因素是操作機構的佔用體積而非互感器的體積，因而對於安裝於開關櫃中的電子式互感器來説，其體積小、質量小的優勢沒有體現出來。

(4) 低壓電子式互感器輸出的是小模擬電壓信號，其信號不易直接分享，需通過合併單元轉化成數字信號後才可分享，這無疑增加了合併單元成本，而常規互感器輸出的信號則易於供各保護測控裝置分享 ^[1]  。

所以，未來的變電站既不會形成電子式互感器一統天下的局面，也不會使傳統電磁型互感器走向終結。筆者認為，兩者相得益彰，最終會形成互補且同時存在的局面 ^[1]  。

隨着智能化變電站的建立，與常規站之間的配合( 常規互感器與電子式互感器會並存) 不可避免，兩者之間的採樣同步問題應予以重視。智能化變電站內部各個互感器之間的採樣同步問題亦應重視。可從以下幾方面加以解決:

(1) 常規站與智能化站之間可調整採樣時刻，對兩側的採樣路由延時差別進行補償，保證計算差動電流的兩側電流是同一時刻值。

(2) 智能化站內或與常規站之間可基於全球定位系統( GPS) /北斗衞星導航系統時間脈衝進行同步採樣。

(3) 通過保護、測控裝置的軟件算法進行修正 ^[1]  。