互感器是一特殊变压器,其原理接线图如图4-31所示。用于电力系统或电气设备中的互感器包括电压互感器(TV)和电流互感器(TA)。

图4-31　电压互感器和电流互感器的原理接线图

电压互感器TV的一次绕组并联接在被测的一次电路中,将高电压变成低电压,二次绕组与测量仪表或继电器的电压线圈并联。二次侧的额定电压为100V或100/V。

电流互感器TA的一次绕组串联于被测的一次电路中,将大电流变成小电流,二次绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串联。二次侧的额定电流为5A或1A。

互感器的作用有以下几个方面。

(1)使测量仪表和继电器实现标准化和小型化。

(2)使二次设备和工作人员与高电压隔离,且互感器二次侧均接地,从而保证了人身和设备的安全。

(3)所有二次设备可采用低电压、小电流的控制电缆连接,使屏内布线简单,安装方便。

(4)一次侧电路发生短路时,能够保护测量仪表和继电器的电流线圈免受大电流的损害。

(一)电流互感器

1.电流互感器的工作原理与特性

(1)电流互感器的工作原理。电流互感器是专门用作变换电流的特殊变压器,其工作原理与普通变压器相似,是按电磁感应原理工作的。

电流互感器的一次绕组串联于一次电路内,二次绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串联,如图4-31所示。

电流互感器的一次、二次额定电流之比,称为电流互感器的额定变流比,用Ki表示

式中 IN1、IN2——电流互感器的一次、二次额定电流;

N1、N2——一次、二次绕组匝数;

KN——匝数比。

电流互感器二次侧仪表测得的二次侧电流I2乘以电流互感器的额定变流比Ki这一常数,即为一次侧电流I1。这就是应用电流互感器测量电流的原理。

(2)电流互感器的特性。

1)电流互感器的一次绕组串接于一次电路中,且匝数N1较少,通常仅一匝或几匝,阻抗小,故其一次侧电流完全由被测电路的负荷电流决定,而不受二次侧电流影响。

2)电流互感器二次绕组所接的仪表或继电器电流线圈的阻抗很小,因此正常情况下,电流互感器是在近似于短路的状态下运行。

图4-32　电流互感器二次侧开路时磁通和电动势波形

3)电流互感器运行时,绝对不允许二次绕组开路。二次绕组开路时将产生很高的尖顶波电动势,数值可达几千伏,如图4-32所示,危及人身和设备的安全。同时,由于磁感应强度剧增,将使铁芯损耗增大,严重发热,损坏绕组绝缘。因此,运行中的电流互感器二次侧是绝对不允许开路的。

同理,电流互感器二次侧也不允许装设熔断器。在运行中,如果需要拆除测量仪表或继电器时,应先在断开处将电流互感器二次绕组短接,再拆下仪表或继电器。

2.电流互感器的准确度级

(1)电流互感器的准确度级。在不同的用途和工作条件下,对电流互感器规定的误差标准也不同。根据电流互感器测量误差的大小划分为不同的准确度级(即:在规定的二次负荷范围内,一次电流为额定值时的最大容许电流误差)。我国电流互感器准确度级和误差限值见表4-4。

(2)电流互感器的额定容量。电流互感器的额定容量SN2是指电流互感器在二次额定电流IN2和二次侧额定负载阻抗ZN2下运行时,二次绕组的输出容量。即

由于电流互感器的二次侧额定电流IN2为标准值(5A或1A),为了方便计算,额定容量可用二次俺额定负载阻抗代替。

由于电流互感器的误差与二次侧负荷阻抗有关,故同一台电流互感器使用在不同的准确度级时,有不同的额定容量。例如,某电流互感器的二次额定负荷,当其在0.5级下工作时为0.4Ω,在1级下工作时为0.6Ω,即说明:该电流互感器当二次侧负荷在0.4Ω以内时,其准确度级为0.5级;二次负荷在0.4～0.6Ω时,其准确度级为1级;二次负荷大于0.6Ω时,其准确度级就要降到3级或以下。所以,互感器的额定容量是与其准确度级相联系的,它是为达到一定的准确度级而要求的一种保证容量。

表4-4　电流互感器的准确度级和误差限值

图4-33　电流互感器与测量仪表的连接方式

(a)单相连接;(b)星形连接

3.电流互感器的接线

图4-33所示为最常用的电工测量仪表接入电流互感器的三种方式,对于继电器及自动装置的电流线圈也有类似的连接方式。

图4-33(a)所示的接线,适用于三相对称负荷,测量一相电流。图4-33(b)所示的接线为完全星形接线,可测量三相负荷电流,监视各相负荷的不对称情况。小电流接地系统的线路测量及保护回路多采用这种接线。由于三相电流=0,则),通过公共导线上电流表的电流,等于U、W两相电流的相量和即-。电流互感器的二次绕组应有一接地点,以免一、二次之间的绝缘击穿使二次侧也带上高电压,危及人身和设备的安全。

电流互感器的一、二次绕组的端子上必须标明极性。通常一次侧端子用L1、L2表示,二次侧端子用K1、K2表示,在互感器的同极性端标出符号“*”,如图4-33(a)所示,L1与K1,L2与K2彼此同极性。当一次电流从L1流向L2时,二次侧的电流从K1经负荷流回K2。

4.电流互感器的类型

电流互感器的种类很多,大致可分为以下几种类型。(www.daowen.com)

(1)按安装地点可分为户内式和户外式。额定电压在20kV及以下的多制成户内式,35kV及以上多制成户外式。

(2)按安装方式可分为穿墙式、母线式、套管式和支持式。穿墙式装在墙壁或金属结构的孔中,可代替穿墙套管;母线式利用母线作为一次绕组,安装时将母线穿入电流互感器瓷套的内腔;套管式是套装在35kV及以上变压器或多油断路器油箱内的套管上;支持式是安装在平面或支柱上。

(3)按绝缘可分为干式、浇注式和油浸式。干式是经过绝缘漆浸渍烘干处理,适用于低压户内;浇注式是用环氧树脂等作绝缘浇注成型,适用于35kV及以下各电压等级;油浸式多用于户外。

(4)按一次绕组的匝数可分为单匝式和多匝式。单匝式电流互感器当被测电流很小时,一次磁通势,I1N1较小,故测量的准确度很低。通常当一次侧被测电流超过600～1000A时,才使用单匝式电流互感器。

5.电流互感器运行注意事项

(1)电流互感器的准确度与其二次侧所接负荷的大小有关。一定的准确度,对应一定的二次侧额定容量。实际负荷超过规定的额定容量时,准确度将降低。

(2)电流互感器的二次侧有一端必须保护接地。

(3)电流互感器在连接时,要注意其一、二次绕组接线端子上的极性不能接错。

(4)电流互感器的二次侧在工作时绝对不能开路。

(5)巡视电流互感器时应注意检查:瓷质部分是否清洁,有无破损和放电现象:注油电流互感器的油面是否正常,有无漏油、渗油现象;接头是否过热;二次回路有无冒火现象;以及有无异味及异常声响。

(二)电压互感器

按照工作原理,电压互感器可分为电磁式和电容分压式两种。目前电力系统广泛应用的电压互感器,电压等级为220kV及以下时多为电磁式,220kV及以上时多为电容分压式。

1.电压互感器的工作原理与特性

(1)电压互感器的工作原理。电压互感器的一次绕组并联于电网中,二次绕组向并联的测量仪表和继电器的电压线圈供电,如图4-31所示。电压互感器的工作原理与电力变压器相同,构造原理、接线图也相似。其主要区别在于电压互感器的容量很小,最大不过数百伏安,并且在大多数情况下,它的负荷是恒定的。

电压互感器一、二次绕组的额定电压之比称为电压互感器的额定变压比,用KU表示

式中 UN1——一次绕组额定电压,等于电网额定电压;

UN2——二次绕组额定电压,已统一为100(或100/)V;

N1、N2——一、二次绕组匝数;

KN——匝数比。

由上可以看出,电压互感器的额定变压比KU已标准化。

(2)电压互感器的特性。

1)电压互感器一次侧电压为电网电压,不受二次侧负荷的影响,并且在大多数情况下,其负荷是恒定的。

2)电压互感器二次侧所接测量仪表和继电器的电压线圈的阻抗很大,通过的电流很小,因此电压互感器正常工作时接近于空载状态,二次电压接近于二次电动势,并随一次电压的变动而变动。所以,通过测量二次侧电压U2可以反应一次侧电压U1的值。

3)电压互感器在运行中,二次侧不能短路。这是因为正常工作时,电压互感器二次侧有100(或100/)V电压,短路后在二次电路中会产生很大的短路电流,使电压互感器烧毁。为此,在电压互感器的一次侧和二次侧均应装设熔断器,用于过载及短路保护。

2.电压互感器的接线方式及特点

电压互感器有单相和三相两种。单相的可制成任何电压等级,而三相的一般只制成20kV及以下的电压等级。

在三相电力系统中,通常需要测量的电压有线电压、相对地电压和发生单相接地故障时的零序电压。为了测量这些电压,图4-34示出了几种常见的电压互感器接线。

图4-34　电压互感器的接线方式

(a)一台单相电压互感器接线;(b)Vv接线;(c)Y,y0接线;(d)三相五柱式接线;(e)三台单相三绕组电压互感器接线

图4-34(a)所示为一台单相电压互感器的接线,可测量某一相间电压(35kV及以下的中性点非直接接地电网)或相对地电压(110kV及以上中性点直接接地电网)。

图4-34(b)所示为两台单相电压互感器接成Vv形连接,广泛用于20kV及以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中测量线电压,不能测相电压。

图4-34(c)所示为一台三相三柱式电压互感器接成Y,y0形接线,只能用来测量线电压,不许用来测量相对地电压。

图4-34(d)所示为一台三相五柱式电压互感器接成的Y,Nynd形接线,其一次绕组、基本二次绕组接成星形,且中性点均接地,辅助二次绕组接成开口三角形。该种接线可用来测量线电压和相电压,还可用作绝缘监察,故广泛用于小接地电流电网中。当系统发生单相接地时,三相五柱式电压互感器内出现的零序磁通可以通过两边的辅助铁芯柱构成回路。辅助铁芯柱的磁阻小,零序励磁电流也小,因而不会出现烧毁电压互感器的情况。

图4-34(e)所示为三台单相三绕组电压互感器接接线方式,广泛应用于35kV及以上电网中,可测量线电压、相对地电压和零序电压。这种接线方式在发生单相接地时,各相零序磁通以各自的电压互感器铁芯构成回路,因此对电压互感器无影响。该种接线方式的辅助二次绕组接成开口三角形,对于35～60kV中性点非直接接地电网,其相电压为100/3V,对中性点直接接地电网,其相电压为100V。

在380V的装置中,电压互感器一般只经过熔断器接入电网。在高压电网中,电压互感器经过隔离开关和熔断器与电网连接。一次侧熔断器的作用是当电压互感器及其引出线上短路时,自动熔断切除故障,但不能作为二次侧过负荷保护。因为熔断器熔件的截面是根据机械强度选择的,其额定电流比电压互感器的额定电流大很多倍,二次侧过负荷时可能不熔断。所以,电压互感器二次侧应装设低压熔断器,来保护电压互感器的二次侧过负荷或短路。

3.电压互感器的类型

电压互感器可分为以下几种类型。

(1)按安装地点可分为户内式和户外式。35kV及以下多制成户内式,35kV以上则制成户外式。

(2)按相数可分为单相式和三相式。只有20kV以下才制成三相式。

(3)按每相绕组数可分为双绕组、三绕组和四绕组式。双绕组式每相有一个一次绕组,一个二次绕组;三绕组式每相有一个一次绕组,一个基本二次绕组和一个辅助二次绕组。基本二次绕组供测量、保护、自动装置用,辅助二次绕组常接成开口三角形,供接地保护用;四绕组式比三绕组式多一个基本二次绕组,把测量与保护和自动装置分开,其他绕组作用与三绕组式相同。

(4)按绝缘可分为干式、浇柱式和油浸式。干式电压互感器用于电压较低的户内装置中;浇注式电压互感器适用于3～35kV户内配电装置;油浸式多用于10kV以上电压互感器。

(5)按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器。