电磁式互感器

互感器(instrument transformer)是按比例变换电压或电流的设备。互感器的功能是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A或10A，均指额定值），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。按比例变换电压或电流的设备。

工作原理

在供电用电的线路中电流电压大大小小相差悬殊从几安到几万安都有。为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。

较早前，显示仪表大部分是指针式的电流电压表，所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的（如5A等）。当今电量测量大多数字化，而计算机的采样的信号一般为毫安级（0-5V、4-20mA等）。微型电流互感器二次电流为毫安级，主要起大互感器与采样之间的桥梁作用。

微型电流互感器称之为“仪用电流互感器”。（“仪用电流互感器”有一层含义是在实验室使用的多电流比精密电流互感器，一般用于扩大仪表量程。）

电流互感器原理线路图微型电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作,变压器变换的是电压而微型电流互感器变换的是电流罢了。绕组N1接被测电流，称为一次绕组（或原边绕组、初级绕组）；绕组N2接测量仪表，称为二次绕组（或副边绕组、次级绕组）。

微型电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比K。微型电流互感器在额定工作电流下工作时的电流比叫电流互感器额定电流比，用Kn表示。Kn=I1n/I2n

仪器作用

电力系统用互感器是将电网高电压、大电流的信息传递到低电压、小电流二次侧的计量、测量仪表及继电保护、自动装置的一种特殊变压器，是一次系统和二次系统的联络元件，其一次绕组接入电网，二次绕组分别与测量仪表、保护装置等互相连接。互感器与测量仪表和计量装置配合，可以测量一次系统的电压、电流和电能；与继电保护和自动装置配合，可以构成对电网各种故障的电气保护和自动控制。互感器性能的好坏，直接影响到电力系统测量、计量的准确性和继电器保护装置动作的可靠性。

互感器分为电压互感器和电流互感器两大类，其主要作用有：将一次系统的电压、电流信息准确地传递到二次侧相关设备；将一次系统的高电压、大电流变换为二次侧的低电压（标准值）、小电流（标准值），使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化，并降低了对二次设备的绝缘要求；将二次侧设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，从而保证了二次设备和人身的安全。

互感器的功能是：将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V或100/V）或标准小电流(5A或1A，均指额定值)，以便实现测量仪表、保护设备和自动控制设备的标准化、小型化。此外，互感器还可用于隔离开高电压系统，以保证人身和设备的安全。根据电力系统的需要，互感器又分为独立式和设备套管上配套用两种。

按用途分类

电压互感器分类

保护用电压互感器（或电压互感器的保护绕组。在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电压信息。

按绝缘介质分干式电压互感器：由普通绝缘材料浸渍绝缘漆作为绝缘，多用在及以下低电压等级。

浇注绝缘电压互感器：由环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型，多用在及以下电压等级。

油浸式电压互感器：由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，是中国最常见的结构型式，常用于及以下电压等级。

气体绝缘电压互感器：由气体作主绝缘，多用在较高电压等级。

通常专供测量用的低电压互感器是干式，高压或超高压密封式气体绝缘(如六氟化硫)互感器也是干式。浇注式适用于35kV及以下的电压互感器，35kV以上的产品均为油浸式。

按相数分：绝大多数产品是单相的，因为电压互感器容量小，器身体积不大，三相高压套管间的内外绝缘要求难以满足，所以只有3-15kV的产品有时采用三相结构。

按电压变换原理分电磁式电压互感器：根据电磁感应原理变换电压，原理与基本结构和变压器完全相似，我国多在及以下电压等级采用。

电容式电压互感器：由电容分压器、补偿电抗器、中间变压器、阻尼器及载波装置防护间隙等组成，用在中性点接地系统里作电压测量、功率测量、继电防护及载波通讯用。

光电式电压互感器：通过光电变换原理以实现电压变换。

按使用条件分，户内型电压互感器:安装在室内配电装置中，一般用在及以下电压等级。

户外型电压互感器：安装在户外配电装置中，多用在及以上电压等级。

按一次绕组对地运行状态分，一次绕组接地的电压互感器：单相电压互感器一次绕组的末端或三相电压互感器一次绕组的中性点直接接地。

一次绕组不接地的电压互感器：单相电压互感器一次绕组两端子对地都是绝缘的；三相电压互感器一次绕组的各部分，包括接线端子对地都是绝缘的，而且绝缘水平与额定绝缘水平一致。

按磁路结构分,单级式电压互感器。一次绕组和二次绕组（根据需要可设多个二次绕组同绕在一个铁芯上，铁芯为地电位。中国在及以下电压等级均用单级式。

串级式电压互感器。一次绕组分成几个匝数相同的单元串接在相与地之间，每一单元有各自独立的铁芯，具有多个铁芯，且铁芯带有高电压，二次绕组（根据需要可设多个二次绕组处在最末一个与地连接的单元。我国在电压等级常用此种结构型式。）

电磁式

其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压（如电力系统的线电压），可以单相使用,也可以用两台接成V-V形作三相使用。实验室用的电压互感器往往是原边多抽头的，以适应测量不同电压的需要。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈，称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形，开口三角形的两引出端与接地保护继电器的电压线圈联接。正常运行时，电力系统的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时,中性点出现位移,开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用。线圈出现零序电压则相应的铁心中就会出现零序磁通。为此，这种三相电压互感器采用旁轭式铁心（10kV及以下时）或采用三台单相电压互感器。对于这种互感器，第三线圈的准确度要求不高，但要求有一定的过励磁特性（即当原边电压增加时，铁心中的磁通密度也增加相应倍数而不会损坏）。

电磁感应式电压互感器的等值电路与变压器的等值电路相同。

电容式

在电容分压器的基础上制成。电容C1和C2串联，U1为原边电压,为C2上的电压。空载时,电容C2上的电压为由于C1和C2均为常数，因此正比于原边电压。但实际上，当负载并联于电容C2两端时,将大大减小,以致误差增大而无法作电压互感器使用。为了克服这个缺点，在电容C2两端并联一带电抗的电磁式电压互感器YH，组成电容分压式电压互感器。电抗可补偿电容器的内阻抗。YH有两个副绕组，第一副绕组可接补偿电容Ck供测量仪表使用；第二副绕组可接阻尼电阻Rd，用以防止谐振引起的过电压。

电容式电压互感器多与电力系统载波通信的耦合电容器合用，以简化系统，降低造价。此时，它还需满足通信运行上的要求。

电流互感器

测量用电流互感器

测量用电流互感器（或电流互感器的测量绕组。在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息。

测量用电流互感器主要与测量仪表配合，在线路正常工作状态下，用来测量电流、电压、功率等。

测量用微型电流互感器主要要求：

1、绝缘可靠；

2、足够高的测量精度；

3、当被测线路发生故障出现的大电流时互感器应在适当的量程内饱和（如500%的额定电流）以保护测量仪表；

保护用电流互感器

保护用电流互感器（或电流互感器的保护绕组。在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。

保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。保护用微型电流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。

保护用互感器主要要求：

1、绝缘可靠；

2、足够大的准确限值系数；

3、足够的热稳定性和动稳定性；

保护用互感器在额定负荷下能够满足准确级的要求最大一次电流叫额定准确限值一次电流。准确限值系数就是额定准确限值一次电流与额定一次电流比。当一次电流足够大时铁芯就会饱和起不到反映一次电流的作用，准确限值系数就是表示这种特性。保护用互感器准确等级5P、10P。

互感器分为电压互感器和电流互感器两大类测量用电压互感器（或电压互感器的测量绕组。在正常电压范围内，向测量、计量装置提供电网电压信息。

组合式互感器

由电压互感器和电流互感器组合并形成一体的互感器称为组合式互感器，也有把与组合电器配套生产的互感器称为组合式互感器。

按绝缘介质分类

干式电流互感器。由普通绝缘材料经浸漆处理作为绝缘。

浇注式电流互感器。用环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型的电流互感器。

油浸式电流互感器。由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，一般为户外型。当前中国在各种电压等级均为常用。

气体绝缘电流互感器。主绝缘由气体构成。

按电流变换原理分

电磁式电流互感器。根据电磁感应原理实现电流变换的电流互感器。

光电式电流互感器。通过光电变换原理以实现电流变换的电流互感器。

按安装方式分

贯穿式电流互感器。用来穿过屏板或墙壁的电流互感器。

支柱式电流互感器。安装在平面或支柱上，兼做一次电路导体支柱用的电流互感器。

套管式电流互感器。没有一次导体和一次绝缘，直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器。

母线式电流互感器。没有一次导体但有一次绝缘，直接套装在母线上使用的一种电流互感器。

按原理分为电磁感应式和电容分压式两类。

电磁感应式多用于 220kV及以下各种电压等级。电容分压式一般用于110kV以上的电力系统,330～765kV超高压电力系统应用较多。电压互感器按用途又分为测量用和保护用两类。对前者的主要技术要求是保证必要的准确度；对后者可能有某些特殊要求，如要求有第三个绕组，铁心中有零序磁通等。

电流互感器

利用变压器原、副边电流成比例的特点制成。其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。由于副边接近于短路，所以原、副边电压U1和都很小,励磁电流I0也很小。电流互感器运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流，使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。因此，电流互感器副边回路中不许接熔断器，也不允许在运行时未经旁路就拆下电流表、继电器等设备。电流互感器的接线方式按其所接负载的运行要求确定。最常用的接线方式为单相，三相星形和不完全星形。

电流互感器的极性

电流互感器在交接及大修前后应进行极性试验，以防在接线时将极性弄错，造成在继电保护回路上和计量回路中引起保护装置错误动作和不能够正确的进行测量，所以必须在投运前做极性试验。

极性关系表征：

标有L1、K1和C1的各出线端子在同一瞬间具有同一极性。

测量电流互感器的极性的方法很多，我们在工作时常采用的有以下三种试验方法：①直流法；②交流法；③仪器法。

1　直流法

见图1。用1.5～3V干电池将其正极接于互感器的一次线圈L1，L2接负极，互感器的二次侧K1接毫安表正极，负极接K2，接好线后，将K合上毫安表指针正偏，拉开后毫安表指针负偏，说明互感器接在电池正极上的端头与接在毫安表正端的端头为同极性，即L1、K1为同极性即互感器为减极性。如指针摆动与上述相反为加极性。

2　交流法

见图2，将电流互感器一、二次线圈的L2和二次侧K2用导线连接起来，在二次侧通以1～5V的交流电压(用小量程)，用10V以下的电压表测量U2及U3的数值若U3=U1-U2为减极性。

U3=U1+U2为加极性。注意：在试验过程中尽量使通入电压低一些，以免电流太大损坏线圈，为了读数清楚电压表尽量选择小一些，变流比在5以下时采用交流法测量比较简单准确，对变流比超过10的互感器不要采用这种方法进行测量，因为U2的数值较小U3与U1的数值接近，电压表的读数不易区别大小，所以在测量时不好辨别，一般不宜采用此法测量极性。

3　仪表法

一般的互感器校验仪都有极性指示器，在测量电流互感器误差之前仪器可预先检查极性，若指示器没有指示则说明被试电流互感器极性正确(减极性)。

额定变比和误差

互感器的额定变比KN指电压互感器的额定电压比和电流互感器的额定电流比。前者定义为原边绕组额定电压U1N与副边绕组额定电压 U2N之比；后者则为额定电流I1N与I2N之比。即 KN=U1N/U2N （对电压互感器） KN=I1N/I2N （对电流互感器）电压（或电流）互感器原边电压（或电流）在一定范围内变动时,一般规定为0.85～1.15U1N（或10～120%I1N）,副边电压（或电流）应按比例变化,而且原、副边电压(或电流)应该同相位。但由于互感器存在内阻抗、励磁电流和损耗等因素而使比值及相位出现误差，分别称为比差和角差。比差为经折算后的二次电压（或二次电流）与一次电压（或一次电流）量值大小之差对后者之比，即 fU 为电压互感器的比差，fI 为电流互感器的比差。当KNU2>U1（或KNI2>I1）时，比差为正，反之为负。角差为二次电压(或二次电流)相量旋转180°后与一次电压(或一次电流)相量之间的夹角，以分为单位。并规定副边的-妧2（或－夒2）超前于妧1（或夒1）时，角差为正，反之为负。对没有采取补偿措施的电压互感器，比差为负，角差一般为正值，比差的绝对值和角差均随电压的增大而减小；铁心饱和时，比差与角差均随电压的增大而增大。对于没有采取补偿措施的电流互感器，比差为负值，角差为正值，比差的绝对值和角差均随电流增大而减小。采用补偿的办法可以减小互感器的误差。一般通过在互感器上加绕附加绕组或增添附加铁心，以及接入相应的电阻、电感、电容元件来补偿。常用的补偿法有匝数补偿、分数匝补偿、小铁心补偿、并联电容补偿等。

误差补偿

没有经过补偿的互感器，比差均为负值，角差均为正值。而各级互感器的误差允许范围是正负偏差。因此可以利用正负偏差的富余范围，使互感器精度提高。

为了提高互感器的精度，一般采用各种补偿方法。一般情况下因为补偿的数值较小，可以认为对铁芯的磁场基本不影响。这样可以采用误差叠加进行计算。互感器补偿方法有匝数补偿、辅助铁芯补偿、电容补偿等。

匝数补偿

互感器匝数补偿方法最简单，只要二次绕组比额定匝数少绕几匝Nx即可。互感器补偿前的比差为负值，少绕几匝二次绕组电流增加起到补偿作用。补偿量如下，

Δf=Nx/（N2-Nx）×100%

匝数补偿只对比差起到补偿作用，补偿量与二次负荷和电流大小无关。补偿匝数一般只有几匝，匝数补偿应计算电流低端二次阻抗最大时，和电流高端二次阻抗最小时误差。对于高精度的微型电流互感器匝数补偿那怕只补偿1匝，就会补偿过量。这时可以采用半匝或分数匝补偿。但是电流互感器的匝数是以通过铁芯窗口的封闭回路计算的，电流互感器的匝数是一匝一匝计算的，不存在半匝的情况。采用半匝或分数匝补偿必须采用辅助手段如：双绕组、双铁芯等。

辅助铁芯补偿

辅助铁芯补偿对比差、角差都起到补偿作用，但辅助铁芯补偿的方法制作工艺比较复杂。

电容补偿

电容补偿，直接在二次绕组两端并联电容就可以。其对比差起正补偿作用，补偿大小与二次负荷Z=R+iX中X分量成正比，与补偿电容大小成正比；对角差都起到负补偿，补偿大小与二次负荷Z=R+iX中R分量成正比，与补偿电容大小成正比。电容补偿是一种比较理想的补偿方法。在微型精密电流互感器中，一般二次绕组直接接运放的电流/电压变换，其二次阻抗基本为0，此时电容补偿的作用就比较小。一般可以在电流/电压变换阶段增加移相电路可以解决角差问题。用户可以根据电流互感器出厂时所带的该互感器的检验报告中检验误差数据进行调整计算移相电路。

进展状况

互感器最早出现于19世纪末。随着电力工业的发展,互感器的电压等级和准确级别都有很大提高,还发展了很多特种互感器,如电压、电流复合式互感器,直流电流互感器,高准确度的电流比率器和电压比率器,大电流激光式电流互感器,电子线路补偿互感器,超高电压系统中的光电互感器，以及SF6全封闭组合电器(GIS)中的电压、电流互感器。在电力工业中，要发展什么电压等级和规模的电力系统，必须发展相应电压等级和准确度的互感器，以供电力系统测量、保护和控制的需要。

随着很多新材料的不断应用，互感器也出现了很多新的种类，当前电磁式互感器得到了比较充分的发展，其中铁心式电流互感器以干式、油浸式和气体绝缘式多种结构适应了电力建设的发展需求。然而随着电力传输容量的不断增长，电网电压等级的不断提高及保护要求的不断完善，一般的铁心式电流互感器结构已逐渐暴露出与之不相适应的弱点，其固有的体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小，使用频带窄等弱点，难以满难以满足新一代电力系统自动化、电力数字网等的发展需要。

随着光电子技术的迅速发展，利用光学传感技术和电子学方法研制的新型的电子式互感器逐渐兴起，简称电子式互感器。国际电工协会已发布电子式电流互感器的标准。电子式互感器的含义，除了包括光电式的互感器，还包括其它各种利用电子测试原理的电压、电流传感器。

电子式与电磁式互感器在智能电网中的应用

电磁型互感器稳态及暂态特性分析，可总结出以下特点: 一次匝数少，二次匝数多; 正常工作时磁通密度低，故障时磁通密度大，存在饱和现象; 高内阻; 二次负载小，二次不能开路; 电气绝缘薄弱、体积笨重; 可能导致铁磁谐振过电压; 为模拟量输出。

电子式互感器的特点: 绝缘简单可靠; 体积小、质量小; CT动态范围宽、无磁饱和; PT 无谐振现象; CT二次可以开路; 为数字量输出; 抗电磁干扰能力强。电流互感器、电压互感器可以合二为一，称为电流电压组合互感器( ECVT)。

伴随着工业控制信息交换标准化需求和技术的发展，国外提出了以“一个世界，一种技术，一种标准”为理念的新的信息交换标准—IEC 61850 标准。在国内，现有信息交换技术在变电站自动化领域体现出的种种弊端严重制约了生产管理新技术的提高，因此，采用IEC 61850 实现信息交换标准化已经成为国内电力自动化业界的共识。同时，国家电网公司又提出了“建设数字化电网，打造信息化企业”的战略方针，智能化变电站应运而生。

既然智能化变电站是以IEC 61850 为标准来实现信息交换标准化的，那么是否全部使用电子式互感器就不是区分常规站与智能站的标尺。通过对电磁式互感器和电子式互感器的对比可见，电压等级越高，电子式互感器优势越明显。而对于低电压等级来说，采用电子式互感器则意义不大，应采用常规互感器，原因如下:

(1) 采用电子式互感器是为了解决互感器饱和问题，而低压常规互感器一般不存在饱和问题。

(2) 采用电子式互感器是为了解决互感器的二次信号长距离传输问题，但低压常规互感器和保护装置已就地安装在开关柜中，所以长距离传输问题已解决。

(3) 制约开关柜体积减小的主要因素是操作机构的占用体积而非互感器的体积，因而对于安装于开关柜中的电子式互感器来说，其体积小、质量小的优势没有体现出来。

(4) 低压电子式互感器输出的是小模拟电压信号，其信号不易直接分享，需通过合并单元转化成数字信号后才可分享，这无疑增加了合并单元成本，而常规互感器输出的信号则易于供各保护测控装置分享。

所以，未来的变电站既不会形成电子式互感器一统天下的局面，也不会使传统电磁型互感器走向终结。笔者认为，两者相得益彰，最终会形成互补且同时存在的局面。

随着智能化变电站的建立，与常规站之间的配合( 常规互感器与电子式互感器会并存) 不可避免，两者之间的采样同步问题应予以重视。智能化变电站内部各个互感器之间的采样同步问题亦应重视。可从以下几方面加以解决:

(1) 常规站与智能化站之间可调整采样时刻，对两侧的采样路由延时差别进行补偿，保证计算差动电流的两侧电流是同一时刻值。

(2) 智能化站内或与常规站之间可基于全球定位系统( GPS) /北斗卫星导航系统时间脉冲进行同步采样。

(3) 通过保护、测控装置的软件算法进行修正。

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