电流互感器设计

摘要

本文主要介绍电流互感器的工作原理，以及电磁计算过程，在此过程中涉及到了电流互感器的基本电磁关系，特别是电流、电阻在一次侧与二次侧之间相互转化时涉及到的对应关系式以及在此过程中磁通的变化，在对误差及其补偿进行分析时我们发现由于空载电流的存在，在未采取补偿时，电流误差永远为负值。而对相位差进行分析时我们发现在大多数情况下电流互感器的相位差为正值，由图2-5可知即使一次电流为理想正弦波，二次电流也不会是正弦波在这时就需要用电流误差和相位差一起做用的复合误差在计算过程中我们会知道，油箱尺寸是根据一次绕组电容绝缘外形尺寸和二次绕组尺寸以及夹件尺寸来决定的而器身尺寸是根据油箱尺寸和瓷套高度来决定的。在计算过程中我们会知道在一次绕组主绝缘计算时，应按传统的方法将U字形一次绕组展开成直线，然后按同轴圆柱电容进行计算。最终我们会得到电流互感器是一种根据电磁感应原理改变一次侧与二次侧磁通进而改变电流的一种特种变压器。

关键词：电流互感器；电流误差；相位差

- I -

哈尔滨理工大学学士学位论文 Design and Calculation of Current Transformer

Abstract

This paper describes the working principle of Current Transformer, and the electromagnetic calculation process involved in this process the basic electromagnetic current transformer relations, especially current, resistance in the primary side and secondary side involved in the conversion between the corresponding time Relationship and the magnetic flux in the process of change in And compensation for the error analysis we found that the presence of the load current, without compensation to the current error is always negative. The analysis of the phase when we found that in most cases, the phase current transformer is positive, even by the Figure 2-5 shows an ideal sinusoidal current Wave, sinusoidal secondary current will not be needed at this time to do together current error and phase error in the calculation of compound used in the process, we will know that the tank size is based on a winding capacitance and the secondary winding insulation dimensions Size and the size of the folder to decide which pieces of the body of the tank size is based on scale Inches and height of Porcelain determined. In the calculation process, we will know in a winding main insulation calculation, should be the traditional way to start the U-shaped into a winding line, Eventually we will get the current transformers are based on the principle of electromagnetic induction to change the primary side and secondary side magnetic flux and thus change the current of a special transformer.

Keywords：Current transformer； the current error； phase

- II -

哈尔滨理工大学学士学位论文 目录

摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II

第1章 绪论 .................................................... 2 1.1 我国电流互感器的发展史 ................................... 2 1.2 国内外电流互感器发展现状 ................................. 3 第2章 电流互感器的原理与技术 .................................. 6 2.1 基本的电磁关系 ........................................... 6 2.2 等值电路图与相量图 ....................................... 9 2.3 误差及其补偿 ............................................ 10 2.3.1 电流互感器误差 ...................................... 10 2.3.2 影响误差因素 ........................................ 13 2.4 本章小结 ................................................ 15 第3章 电流互感器的设计过程 ................................... 16 3.1 设计条件 ................................................ 16 3.2 结构设计 ................................................ 16 3.3 电磁计算 ................................................ 20 3.4 本章小结 ................................................ 25 结论 .......................................................... 26 致谢 .......................................................... 27 参考文献 ...................................................... 28 附录 .......................................................... 29

- 1 -

哈尔滨理工大学学士学位论文 第1章 绪论

1.1 我国电流互感器的发展史

随着社会主义经济建设的发展，我国电力工业建设得到迅速的发展，电力系统输电容量不断加大，远距离输电迅速增加，电网电压等级逐步升高，为高压电器包括互感器制造业提供了广阔市场，并推动我国高压互感器制造业向前飞跃发展。

我国高压互感器制造的发展，经历了从建国初期的仿制，20世纪60年代的改型，到此后自行设计、逐步完善、提高、引进、消化、研制、开发，以适应我国市场不断提高的、需要的发展过程。

20世纪50年代初期，我国只生产油浸式高压互感器，基本上是访苏制造的，产品从外形、结构、基本技术参数都完全一样。当时全国的互感器制造厂很少，大都依附于变压器厂和开关厂，生产的品种不多、规格不全，不能满足用户的需求。直到20世纪50年代后期，沈阳变压器厂于1956年和1958年先后试访苏型220kv电磁式电压互感器和220kv电流互感器成功问世，从而结束了我国不能自行制造超高压互感器的历史。

20世纪60年代初期，我国互感器生产厂家逐渐增多，互感器行业开始走自行设计创业道路，为适应我国国情，促进技术进步，提高产品水平坐了不少努力，如我国自行设计10kv环氧树脂浇注互感由沈阳变压器厂和上海华通开关厂试制成功，达到了外形尺寸小、质量轻的目的。对35-220kv油浸纸绝互感缘器产品进行改型，形成国产产品系列。20世纪70年代，通过研究开发，沈阳变压器厂又先后于1972年和1979年完成了我国重点工程需要的330kv和500kv型电流互感器的试制任务。

我国电容式互感器的发展也很我国生产此类互感器最早在1963年，由西安电力电容厂首先研制开发，开始是生产110-220kv电容式电压互感器，随后又分别于1970年和1980年完成330kv和500kv电容式电压互感器的试制工作电容式电压互感器是目前国内输变电设备中几乎唯一无引进技术和无引进关生产设备的产品。

20世纪80年代初为提高产品的设计和制造水平，提高互感器的运行可靠性，加快互感器的发展，我国互感器行业进行了产品质量整顿，对对新产品开始了两部联合鉴定，同时引进发达国家的先进设计和制造技术，逐步与国际接轨，行业等效采用IEC标准，企业通过ISO 9000系列认证，产品提高了技术含量和技术制造水平，缩短了与发达国家的差距。从20世纪80年代到90年代我国互感器制造取得了长足进步，主要有以下标

2

哈尔滨理工大学学士学位论文 志：

(1)500kv及以下电压等级电压，电流互感器形成完整系列。

如形成固体、油浸、sf6气体多种绝缘产品系列。高电压、大电流具有暂态行的电流互感器系列。具有高动、热稳定的电流互感器系列。 (2)设备技术参数逐步发展提高。

如220-500kv电流互感器额定电流可以达到3000-5000A，热稳定达50-63KA(3s)，动稳定达125-160KA，测量精度达0.2和0.2s及级保护级达5P或TP级。

(3)向无油化、小型化、免维护方向发展。 (4)运行可靠性逐步提高。

20世纪90年代以来，由于我国互感器产品的不断完善，互感器运行可靠性逐年提高。统计表明，我国110kv以上互感器事故率呈稳中有降趋势。互感器运行可靠性的提高，与近年来制造厂采用金属膨胀器密封。电力系统加强技术监督。对油中溶解气体检测和红外测温技术不断推广应用有关。

(5)市场竞争推动互感器行业进步

首先使企业进一步认识到提高产品质量的重要性，不少企业争相通过ISO 9000系列的认证。此外，企业进一步认识到发展新产品、应用新技术、新工艺、新材料的重要性，不少企业特别是行业骨干重点企业和新兴的民营企业，非常重视新技术和新产品的开发，一些技术含量较高的新产品不时进入市场。

1.2 国内外电流互感器发展现状

近年来，我国高压互感器加快了向sf6气体绝缘发展的步伐，20世纪90年代中期我国西安高压开关厂和上海互感器厂相继开发了sf6电流互感器，随后扩展到500kv电压等级。根据形势发展，目前由较多专业厂开始转向sf6产品的生产，以适应城网供电系统的需求。由于不可燃、机械强度好和免维护等优势，树脂绝缘互感器早已占领我国35kv及以下户内型互感器的市场。根据需要，现已发展为全国况户内互感器系列，并正在向户外型发展和向更高压等级如110kv及以上电压等级互感器的方向发展。

高压互感器是电网中的重要组成部分，互感器是接在母线上的电器，一旦发生事故，往往会造成大面积停电，甚至酿成系统事故；互感器爆炸，必然危及周围设备，也包括对人身的安全威胁，后果是非常严重的。因此提高互感器运行可靠行，减少事故发生率是非常必要的。那么就要做到以下几点

(1)互感器绝缘安全可靠。高压互感器的绝缘，应保证电网在最高工作电压

3

哈尔滨理工大学学士学位论文 下长期安全运行，并能承受各种过电压的短时作用而无损伤。

(2)密封切实可靠。高压互感器密封不良，如发生漏油、漏气、进水受潮，均会引起互感器损坏甚至爆炸事故，在事故统计中所占比例很大，因此成为多年来运行部门关注的焦点。

(3)温度设计可靠。电流互感器在通过最大工作电流时，互感器各部位的温度不应超过允许值以保证安全运行。当前存在较突出的问题是常见引线端子内外接触不良造成发热故障，轻则温度异常，造成色谱不良，重则接头烧毁，甚至造成整台互感器损坏。

(4)热动稳定可靠。电流互感器的选择，应按一次母线短路时的短时热电流和动稳定电流选择。电流互感器用过电流时，其电动力与一次安匝数的平方成正比，对小电流变比互感器而言，根据设计需要，一次绕组往往匝数较多，受材料强度，对应匝数较多的互感器将出现较小的允许动稳定电流，因而难以满足日益增大的母线短路容量的要求，制造厂对此需设法研究解决。

不可否认，目前我国高压互感器的制造质量和技术水平，还不能完全满足电力系统不断发展的需求，与国外发达国家相比，仍存在一定差距，为尽快满足用户需求，赶超世界先进水平，预期我国高压互感器近期发展有以下几个方面。

(1)先更高等级电压进军，

(2)随着全国电力系统联网的发展，电网容量将越拉越大，要求电流互感器向更高的参数发展，

(3)sf6互感器将获得更为广泛的应用，我国城市电网设备的选择注重小型化、无油化、免维护或少维修，而sf6高压互感器具有防爆、阻燃、体积小、质量轻、制造简单、维护方便等优点，因此将有广泛的市场。但产品质量需提高，才能适应用户需求。

(4)树脂浇注式互感器，由于其优势，将不断向更高电压领域发展，目前树脂浇注电容型支柱式电流互感器和套管式电流互感器最高电压等级已达到110kv，估计不久将有更高电压等级的树脂浇注式电流互感器出现，而树脂浇注式互感器向户外型发展将受到用户普遍欢迎。

(5)一种全新原理的互感器——光电式互感器将很快走出科研新领域。

国外互感器互感器的发展比我国早，我们的技术大多是从国外引进，我国再以此为基础进行进一步的技术改造，国外的许多技术都领先于我国如ABB公司作为国际上提供标准化光学电流和电压传感设备的领先者之一，已经研制出多种无源电子式互感器及有源电子式互感器，在插接式智能组合电器(PASS)、SF6气体绝缘开关(GIS)、高压直流及中低压开关柜中都有应用。组合式光电互感器、用于GIS中的复合式电子互感器都已达到0.2级的标准度；数字光学仪用互感器已有电压等级72～800KV，电流等级50～4000A的产品推向市场；其33KV GIS空气绝缘开关柜用电子式互

4

哈尔滨理工大学学士学位论文 感器已经用于我国广州地铁二号线、三号线，实现与保护控制设备的直接弱电接口。

法国的AREVA公司主要研究无源电子式互感器，包括CTO、VTO和CMO，自1996年以来该公司已有七十多台电子式互感器在美国、法国、英国、加拿大、荷兰、比利时等多个国家的多个变电站运行。而且目前正在研究145～1100KV，AIS用光电电流电压互感器和145～500KV GIS用混合式电子互感器。

日本三菱公司的伊丹工厂制造的6.6KV、600A的组合式光学零序电流互感器在中部电力公司的配电网中安装经过长期户外运行试验，满足JEC202～1885标准。另外东芝、东电、住友等都已经开发或正在开发一系列的OCT和OVT产品，并有现场挂网。

目前我国清华大学、华中科技大学、西安交通大学等高校以及电力科学研究院、武汉高压研究所等机构和上海互感器厂、沈阳变压器制造有限公司等单位都在积极的从事互感器的研究工作[1]。

5

哈尔滨理工大学学士学位论文 第2章 电流互感器的原理与技术

2.1 基本的电磁关系

电流互感器是一种专门用作变换电流的特种变压器，其工作原理如图2-1所示。

I1.P1P20.S1I2S2Z2图2-1 电流互感器的工作原理

.

互感器的一次绕组串联在被测量的电力线路中，线路电流就是互感器的一次电流I1；二次绕组外部回路串接有测量仪表、继电保护、自动装置等二次设备。由于各类阻抗很小，正常运行时二次接近于短路状态。二次电流I2在正常使用条件下实质上与一次电流成正比，二次负荷对一次电流不会造成影响。在图2-1中，用一个集中阻抗Z2来表示二次设备的（电流绕组）阻抗及二次回路的连接导线阻抗[2]。

当一次绕组中流过电流I1时，由于电磁感应在二次绕组中就会感应出电势E2，在二次绕组接通二次负荷的情况下，有二次电流I2流通。电力线路中的一次电流各不相同，通过电流互感器一、二次绕组匝数比的配置，一般将不同的一次电流变换为标准值为5A或1A的二次电流[3]。 (1)根据变压器工作原理。当电流1流过互感器匝数为N1的一次绕组时，将建立一次磁势IN1，一次磁势又叫一次安匝。同理，二次电流I2与二次绕组匝数N2的乘积构成二次磁势I2N2，又叫二次安匝。一次磁势与二次磁

6

..

.....哈尔滨理工大学学士学位论文 势的相量和即为励磁磁势

I1N1I2N2I0N1 (2-1)

...式中

I1———一次电流；

.N1———一次绕组匝数；

I2———二次电流；

N2———二次绕组匝数；

.I0———励磁电流。

式(2-1)就是电流互感器的磁势平衡方程式。可见，一次磁势I1N1包括两部分，其中一很小部分用来励磁，它是励磁电流与一次匝数的乘I0N1，叫励磁磁势或叫励磁安匝，以产生主磁通0，另外一大部分用来平衡二次磁势I2N2这一部分磁势与二次磁势大小相等，方向相反。

当忽略励磁电流时，式(2-1)可简化为

I1N1I2N2

若以额定值表示，则可写成I1nN1I2nN2,即

INKn1n2 (2-2)

I2nN1Kn称为额定电流比，即电流互感器额定一次电流对额定二次电流之比，它是电流互感器主要参数之一。 式(2-1)还可表示为

..N.2 I1I2 I0N1I1I2I0 (2-3)

.........

...N2为折算到一次侧的二次电流。 N1(2)全部物理量折算后，电流互感器的二次电势平衡方程式为 式中,I2I2'..E2U2I2(R2'JX2') (2-4)

式中

..'.'.'E2———主磁通0在二次绕组感应的电势（折算到一次侧），kv；

7

'.哈尔滨理工大学学士学位论文 'R2———二次绕组电阻（折算到一次侧），； 'X2———二次绕组漏电抗（折算到一次侧），0

式(2-4)表示了互感器的二次绕组感应电势E2'与二次绕组内部阻抗压降I2(R2JX2)和二次端电压U2相平衡的关系。

因为二次端电压就是二次负何上的电压降，即 U2I2ZnI2(RzjXz) 将上式代人(2-4)

E2I2[(R2Rz)j(X2Xz)] (2-5)

.'.'''''.'''.'..'.''.'''式中

'Rz———二次负荷的电阻（折算到一次侧），；

'Xz———二次负荷的电抗（折算到一次侧），0

式(2-5)中，R2RzR2为二次回路总电阻，X2XzX2为二次回路总电抗。和变压器一样，电流互感器一次侧的电势平衡方程为 U1E1I1(R1jX1) 式中

U1———一次绕组端电压，

.''''''...E1———主磁通0在一次绕组感应的电势，V； R1———一次绕组电阻，； X1———一次绕组漏电抗，0。

..电流互感器一次绕组的阻抗Z1R1jX1很小，可以近似认为

I1(R1jX1)0故电压U1与一次感应电势相平衡，即

..... U1E1E2

故得出一次绕组端电压与二次阻抗的关系如下：

U12[(R2Rz)j(X2Xz)] (2-6)

从式(2-6)可以看出，电流互感器的一次端电压是随一次电流和二次负荷的变化而改变的，由U1E2，所以感应此电势的主磁通0是经常有较大改变的，自然其励磁电流I0也是有较大改变的，这一点与电压互感器磁路基本上是稳定的有显著的区别[9]。

但在分析电流互感器的工作特性时，只注意一、二次电流的变换关系，而不考虑一次端电压的变化。因此，在绘制电流互感器的等值电路

8

...'.'..'''''哈尔滨理工大学学士学位论文 图和相量图时，通常都将一次绕组端电压和一次绕组阻抗等参数略。

[4]

2.2 等值电路图与相量图

根据基本电磁关系，可得出电流互感器的等值电路图和相量图。

X2'R2'I2'.I1X0XZ'I0.R0图2-2 为电流互感器等值电路图

RZ'

(1)图2-2 为电流互感器等值电路图，图2-3中将二次侧各物理量折算到一次

''侧。图2-2中将一次绕组阻抗略去，二次绕组阻抗为R2与X2，励磁回路阻抗由电阻R0与电抗X0组成，二次负荷用Rz’与Xz表示[5]。

E2'.''

jI2'X2'I2'R2'...I2'.I1.U2'.jI2'XZ'.I2'RZ'.20I00..图2-3 电流互感器简化相量图

...

''(2)图2-3为电流互感器简化相量图，本图是按等值电路图绘出，其中E20..与主磁通0之夹角为90，励磁电流I0超前于0一个铁芯损耗角，二次电流I2与二次绕组端电压U2之间的功率因数角为2

9

''哈尔滨理工大学学士学位论文 ..电流I1根据式(2-3)求出，电势E2根据式(2-4)求出，二次阻抗角按下式计算[6]

XXz atg12R2Rz'2.3 误差及其补偿 2.3.1 电流互感器误差

1电流误差

电流误差就是按额定电流比折算到一次侧的二次电流与实际一次电流在数值上的差，它是由于实际电流比不等于额定电流比所造成的，故又叫比值差[7]。

标准规定电流误差的百分数用下式表示

KnI2I1fi(%)100 (2-7)

I1式中

Kn———额定电流比；

I1———实际一次电流；

I2———一次侧流过I1时实际测得的二次电流。

由式(2-7)可见，如果折算后的二次电流大于一次电流，即KnI2I1，则电流误差为正值，反之为负值。由于空载电流的存在，未采取补偿措施时，电流误差永远为负值[8]。

省略二次侧各量的负号与撇号，重作相量图，如图(2-4)所示，并作出相应的辅助线，图(2-4)中ODOB，AB//I0,得ABC

.10

哈尔滨理工大学学士学位论文 .E2jI2X2I2'R2'C...DB.U2'jI2XZ.AI2.I2RZ20I00..图2-4 电流互感器误差相量图

由图(2-4)可见,I2与I1的大小之差为线段AD的长度，由于实际的电流互感器中角很小，故可近似地认为OCOD，即有

I2I1OAOCACABsin()I0sin()

电流误差

I0ACfi(%)100sin()100 (2-8)

I1OD或

INfi(%)01sin()100 (2-9)

I1N1式中，I0N1为励磁安匝；I1N1为一次绕组安匝。这就得到了用磁势（安匝）表示的误差计算公式[9]。 2相位差

相位差是指一次电流与二次电流相量的相位之差，故又叫相角差，即图2-4中的标准规定：若二次电流I2相量超前于一次电流I1相量时，相位差为正值，它通常用分或厘弧表示。在大多数情况下，电流互感器的相位差为正值[10]。

由于相位差20，其值很小，以弧度表示角度时，近似地等于该角的正弦值，即sin。由图2-4可知

BCABcos()I0cos()

相位差

11

.'.'哈尔滨理工大学学士学位论文 sin或 式中

BCI0cos() (2-10) OBI1I0N1cos()344' 0 (2-11) I1N1..———二次阻抗角，即E2与I2之间的相位角；

———铁芯损耗角，即I0与0之间的相位角。 3复合误差

电流互感器在额定电流附近工作条件下，磁密很低，空载电流很小，一次及二次电流都是正弦波，电流互感器的误差是指额定频率和正弦波下的误差。但当系统发生短路后，短路电流很大，铁芯趋向饱和。由于励磁电流中高次谐波含量很大，即使一次电流为理想正弦波，二次电流也不会是正弦波，如图2-5 所示。由于二次电流不是正弦波，就不能用相量图来分析它与一次电流的关系，这样就要用到复合误差的概念[11]。

i1i2t..i0t图2-5 过电流时电流波形图

复合误差的定义是：在稳态情况下，按额定电流折算到一次侧的二次电流瞬时值与一次电流瞬时值之差的方均根值（有效值），这样定义既适合正弦电流，也适合于非正弦电流。复合误差c通常以一次电流有效值的百分数来表示，即

1001T2c(%)(KIi)dt (2-12) n21I1T0式中

Kn———额定电流比；

I1———一次电流有效值，A； i1———一次电流瞬时值，A； i2———二次电流瞬时值，s；

12

哈尔滨理工大学学士学位论文 T———一个电流基波周期的时间，s。

复合误差用于衡量保护用电流互感器（P级）的准确限值特性和测量用电流互感器的仪表保安特性。

设计时也可以进行近似计算，此时假定一、二次电流接近正弦波，仍用相量图来表示相互关系，则复合误差用有效值来表示，即

I c(%) (2-13) 0100I1式中。I0———复合误差，等于短路电流下的电流误差与相位差（弧度）的相量和[12]。

2.3.2 影响误差因素

电流互感器的误差主要与一次安匝数I1N1二次回路总阻抗Z2（或者说输出容量S）、负荷功率因数、铁芯尺寸和铁芯材料等有关，下面推导出一较为直观的公式。

(1)假设铁芯的导磁系数为常数，根据电磁感应定律有

2E2 02fN2式中

0———铁芯中主磁通的幅值，

E2———二次感应电势有效值，V； N2———二次绕组匝数，匝。 由式(2-5)得

E2I2Z2I2(R2Rz)2(X2Xz)2

于是有

0式中Z22I2Z2 (2-14)

2fN2(R2Rz)2(X2Xz)2为二次回路总阻抗。

2AcI0N1 (2-15)

Lc又根据磁路定律0BAc2HAc，HLcI0N1，则

0式中

———铁芯导磁系数； B———磁通密度幅值，T；

Ac———铁芯有效截面积，mm2；

13

哈尔滨理工大学学士学位论文 H———磁场强度有效值，A/m； Lc———铁芯的平均磁路长度mm。

由式(2-14)、式(2-15)得出

I2Z2Lc (2-16)

2fAcN2将式(2-16)代入式(2-9)和式(2-11)得

I2Z2Lc fi(%)sin()100 (2-17)

2fAcN2I1N1I2Z2Lc cos()344' 0 (2-18)

2fAcN2I1N1从以上两式可归纳出，影响电流互感器误差的因素如下[13]。 I0N11)误差与一次安匝成反比，故要减小误差，就要增加一次安匝，因此对额定一次电流小的互感器，通常采用增加一次绕组匝数，来增加一次安匝。 2)互感器误差与二次回路总阻抗Z2成正比，要减小误差，就应该减小二次负荷阻抗和绕组阻抗[14]。

3)在其他参数不变的条件下，二次负荷功率因数增大时，2角减小，角减小，电流误差减小，而相位差增大；当功率因数减小时，角增大，电流误差增大，而相位差减小；当等于900时，相位差为零；当超过900时，相位差变为负值[15]。

4)减小平均磁路长度Lc增加铁芯截面Ac都会使误差减小。

5)在其他参数不变的情况下，铁芯损耗角%增加时，电流误差增大，而相位差减小；当减小时，电流误差减小，而相位差增大。此外，铁芯导磁率越高，误差也越小[8]。

(2)以上的分析，是建立在导磁率为常数的基础上的，实际上铁磁材料的导磁率随B值在运行中是变化的，如图2-6所示[9]。

未采取误差补偿的电流互感器，如Z2和功率因数不变，当一次电流小于额定值的情况下，随着一次电流的增大，电流误差和相位差都会减小；而当一次电流达到额定值后，随着一次电流的增大，电流误差和相位差均会逐渐增大。这是因为一次电流小于额定值时，铁芯磁密处在磁化曲线Bf(H)的直线段，即处于导磁率增加的区域，电流增加时E2增加B值上升值增加，误差减小。当一次电流达到额定值后，随着一次电流的增加Bf(H)进入饱和曲线后段，B值增加，值反低，故误差加大。因此，电流互感器应在产保证准确度的电流限值内运行[1]。

14

哈尔滨理工大学学士学位论文 BfBcBf(H)baOH、图2-6 铁芯磁化曲线图

2.4 本章小结

本章主要介绍了电流互感器的原理，以及在工作过程中电流、电磁、磁通之间的关系，电流、电阻在一次侧与二次侧之间相互转化时所对应关系的推导以及他们之间的关系，还有电流互感器的等值电路图及相量图的绘制，电流误差与相位差的具体解释和与之相对应的关系式的推导。

15

哈尔滨理工大学学士学位论文 第3章 电流互感器的设计过程

这里介绍的LB-220、2600/1A电流互感器设计主要计算，计算公式前已介绍。

3.1 设计条件

(1)额定电压220KV/3 (2)设备最高电压:252KV (3)额定频率:50Hz

(4)额定电流比：2*600/1A

(5)级次组合:5p/5p/5p/5p/0.2/0.2 (6)额定负荷:30VA

(7)测量级仪表保安系数:FS5

(8)保护级准确限值系数：ALF=30 (9)额定短时热电流:50KA (10)额定动稳定电流：125KA

(11)额定绝缘水平：252/395/950KV

(12)外绝缘防污等级：二类9爬电比距：20mm/KV。

3.2 结构设计

1结构选型

(1)一次绕组采用60/30，厚壁空心铝管，整形成U形后再对半剖分。采用传统多屏电容型绝缘结构。

(2)采用环形铁芯，环绕圆铜漆包线二次绕组。

(3)二次绕组套人U形一次绕组，每边三个，固定在一次绕组的下部，U形绕组两根引线间衬垫以成型木块并用无纬玻璃丝粘带捆扎固定，以保证动稳定性能要求。

(4)器身下端放在椭圆形油箱内，油箱侧面有二次出线盒，油箱上还有起吊吊拌，放油活门，接地螺栓和安装孔等。

(5)一次引线由高压瓷套上部侧壁开孔引出，在外部实现串并联换接。瓷套上端装有金属膨胀器构成全密封微正压结构。 2铁心和绕组设计 (1)额定安匝。

选取额定安匝(IN)1n(IN)2n1200，一次绕组额定匝数N1n1~2二

16

哈尔滨理工大学学士学位论文 次绕组额定匝数N2n1200。

(2)一次绕组。

导线选用60/30空心铝管，对半剖分，剖缝宽4mm，一次导线有效截面

S1(D2d2)4(Dd)(602302)4302000(mm2)

4412000.6(A/mm2)，剖分部分用0.5厚一次导线额定电流密度j12000电工纸板和皱纹纸作导线匝间绝缘，绝缘厚度为2.1mm，再用0.01mm的铝箔外包一层做零屏，零屏要与一半铝管等电位。 (3)二次绕组。

二次导线采用1mm漆包铜线，导线截面

S2d2120.785(mm2)

44二次导线额定电流密度为

1j21.27(A/mm2)

0.7851)测量级铁芯及绕组。0.2 级铁芯采用超微晶合金铁芯，选用铁芯尺寸为D290H40(mm)，由此求出 d250(Dd)H(2925)40.735.84(cm2) 铁芯截面积Sc22(Dd)(2925)84.82(cm) 铁芯平均磁路长Lc22 铁芯质量GcScLcdc5.8484.827.2/10003.57(kg) 二次导线质量（平均匝长l平157mm）

G2S2N2nl平d20.7851200157/10008.9/10001.32(kg)

在合金铁芯固定圈上半叠皱纹纸一层，然后用漆包线绕线三层，每层400匝。层间用皱纹纸半叠两层作绝缘，绕组外绝缘用皱纹纸半叠两层，用直纹布带半叠一层扎紧。

2)保护级铁芯及绕组.P级铁芯采用冷轧硅钢片，选用尺寸号

D300H110(mm) d250由此求出

(Dd)H(3025)110.9826.95(cm2) 铁心截面积Sc2217

哈尔滨理工大学学士学位论文 铁心平均磁路长Lc(Dd)22 铁心质量GcScLcdc26.9586.397.65/100017.81(kg)

(3025)86.39(cm)

二次导线质量（平均匝长l平307mm）

G2S2N2nl平d20.7851200307/10008.9/10002.58(kg)

在环形铁心两端面各垫一个0.5mm厚纸圈，铁芯内外圆圈各垫一张0.2mm厚纸板和0.02mm厚聚酯薄膜，角环用0.2mm电工纸张两张，错开剪口包扎在内外环面和上下端面交界处，再用直纹布带稀绕扎紧，接着用1mm漆包线绕制三层，每层400匝，层间绝缘为皱纹纸半叠两层。绕组外绝缘用皱纹纸半叠两层，再用直纹布带半叠一层扎紧。 3外层绝缘瓷套设计

(1)瓷套有效高度的确定。 1)按全波冲击耐受电压

冲击试验电压=0.19501045(kV)

式中1.1———电压分布不均匀系数和裕度系数。

查绝缘特性曲线图得l1750mm 2)按一分钟工频耐受电压

工频试验电压=1.11.5395652(kv)

式中1.1———电压分布不均匀系数和裕度系数；

1.5———电容绝缘伏一秒特性系数。 查绝缘特性曲线图得l1750mm 3)从1)与2)中取较大值l1760mm (2)计算套管总高度

L=瓷套有效高度l+瓷套机械夹持部分长度+瓷套高度公差 =17601603019502000(mm) (3)爬电比距计算

1)选伞宽70mm，伞距70mm，伞数24个，得爬电距离Lx5040mm 2)外绝缘爬电比距Lx504020mm，此值符合二类污秽等级的要Um252求。

4一次绕组绝缘设计 (1)一次绕组绝缘尺寸。

一次绕组采用U形，同心圆柱体电容绝缘。主绝缘由10个主屏间的层绝缘组成，主屏用打孔铝箔制作（搭接处不打孔）。采用设置四端屏及端部加强绝缘措施，主屏间绝缘厚度为4mm。一次绕组绝缘尺寸，如图3-1所示。

(2)一次绕组主绝缘计算（工频电压下）。

18

哈尔滨理工大学学士学位论文 计算采用最高设备电压Um252/3KV，工频试验电压395kv，主屏数n=10，端屏数k=4，按传统计算方法，将U字形一次绕组展开成直线，然后按同轴圆柱电容进行计算结果如表3-1所示，计算式如下

r主屏间电容 Cn20xLn/lnn） (PF)

rn1C屏间电压分布率 Un(%) 0100Cnr径向场强 EmUn(%U)m/rn1lnn (KV/cm)

rn1轴向场强 ELKnUn(%U)m/5L (KV/cm) 屏间沿面电压 ULELL (KV)

3200280010411212012813614415272968088R200190190190160140120120100100100图3-1 一次绝缘尺寸图

19

径向场强 轴向场强 径向场强 10.74 10.58 10166 1032 Ern1,KV/cm 41.34 40.52 39.32 38.29 10.31 10.07 1059 1084 EnKV/cm 1.03 1.02 1.14 1.25 1.39 Ern2,Kv/cm 111.84 109.6 106.3 103.5 3.76 99.4 97.78 最高工作电压下

表3-1 一次绕组主绝缘计算表

哈尔滨理工大学学士学位论文 1.37 1.58 37.36 36.76 9. 9.73 36.14 屏间电压分布率(Un) 相邻两主屏间电容Cn 9.58 1误差计算及励磁性能计算 (1)测量绕组。

1)计算采用超微晶合金的磁化特性数据，误差计算程序及结果见表3-2。 2)电流误差及相位差计算时，二次绕组电阻

lN0.1481200r2(60c)60220.024.7()

S20.785二次绕组漏电抗x20.2。

1107 1121 1139 工频试验电压下 轴向场强 El2,Kv/cm 2.79 2.76 3.08 3.38 3.76 3.71 4.27 rn/rn-1) ln(rn-1×ln(rn/rn-1) 主电屏梯差 主电屏长度 主电屏半径 0.379 0.381 0.105 0.095 5△L,cm Ln,cm rn,cm .0382 0.384 0.087 0.08 0.385 0.384 0.074 0.06 0.387 0.0 583 3.6 19 545 4 19 507 4.4 16 475 4.8 14 447 5.2 12 423 5.6 12 399 6 10 379 6.4 3.3 电磁计算

20

哈尔滨理工大学学士学位论文

表3-2测量级绕组误差计算及保安系数计算表

准确级0.2级，电流比1200/1A，N1n1匝,(IN)1n1200N2n1200匝 铁芯Sc5.84cm2,Lc84.82cm,r2(60)4.7,r2(80)4.97,x20.2x 计算条件 误差计算 100%负荷 1/4负荷 7.5 0.8 6 4.5 4.7 10.7 保安系数 100%负荷 30 0.8 24 18 18.2 28.97 Z2 cos R2Z2cos， X2Z2sin， X2X2x2， R2R2r2, Xtg12 R2Z2R2X2, 2230 0.8 24 18 18.2 28.7 32.380 33.98 5 0.05 1.70 1.35 0.123 20 0.2 6.80 4.2 0.356 100 1.0 33.98 11 0.933 23.710 11.69 120 1.2 40.77 12 1.018 120 1.2 32.140 34.12 500，FS 5 I1/I1n100,% I2I2nI1/I1n,A E2I2Z2,V 由B查出(IN)0/cm (IN)0/cmLc(IN)0 由(IN00/cm查出 14.171.05 03 5.2 铁芯已0.4饱和 41 40 0200 0360 0350 0270  (IN)0sin()fL (IN)1nI1/I1n36.38 52.38 68.38 67.38 50.710-0.12 -0.12 -0.07 -0.07 -0.02 (NN2)fb2n100 N2nffLfb 复合误差，% 21

哈尔滨理工大学学士学位论文 3)仪表保安系数计算时，二次绕组漏电阻

lN0.1481200r2(80c)80220.0224.97()

S20.785二次绕组电抗x20.2()

4)因铁心已饱和，测量级的伏安特性计算数据不能按误差计算表得出。 5)励磁特性计算时，励磁线圈选用1匝，控制线圈选用2匝，选用计算点20%I1n、120%I1n两个点，计算数据见表3-3

计算点 E2，V 6.8 40.77 表 3-3 计算数据表 (IN)0 I0，1匝，A 0.356 1.018 0.356 1.018 E0，2匝，mV 11.33 67.95 20%I1n 120%I1n 感应电势E2及(IN)0由误差计算表查出E0N2E2/N2n。 由表3-3可得到E0与I0的关系，供试验用。

(2)保护绕组。

1)设计采用Z11冷轧硅钢片的磁化特性数据，误差计算程序及结果见表3-4

表 3-4 保护绕组误差计算及准确限值系数计算

准确级5p级，电流比1200/1A，N1n1匝，（IN）匝，铁芯1n1200Sc26.95cm2，Lc86.39cm，r2(60)8.6 ，r2(80)9.46，x20.2

计算条件 误差计算 100%负荷 30 0.8 24 18 18.2 32.6 准确限值系数 100%负荷 30 0.8 24 18 18.2 33.46 Z2， cos R2Z2cos， X2Z2sin， X2X2x2， R2R2r2， Xtg12 R2Z2R2X2， 2229.170 37.34 100 1 37.34 28.540 38.09 3000，ALF 30 1142.7 I1/I1n100，% I2I2nI1/I1n，A E2I2Z2,V 22

哈尔滨理工大学学士学位论文 45E2，T BN2nSc由B查出(IN)0/cm (IN)0/cmLc(IN)0 由(IN)0/cm查出  (IN)0sin()fL100 (IN)1nI1/I1n0.0536 0.022 1.9 1.59 0.574 49.59 300 59.170 -0.14 (NN2)fb2n100 N2nffLfb 2.8 (IN)0cos()3400， (IN)1nI1/I1n 0.14 (IN)0100复合误差(%) N2nI22)电流误差及相位差计算时，二次绕组电阻 lN0.2711200r2(60c)60220.0228.6()

S20.785二次组漏电抗x20.2。

3)准确限值系数计算时，二次绕组电阻

lN0.2711200r2(80c)80220.0229.46()

S20.785二次绕组漏电抗x20.2

4)伏安特性计算点为准确限值系数ALF一个点，计算数据见表3-5

E2及(IN)0由误差计算表查出。由本数据表可得到表3-5中Z2r2(80C)，U0与I0的关系，供试验用。

表3-5 计算数据表

计算点 ALF=30 Z2， 9.46 I0，A 0.0413 U2I0Z2，V 0.39 极限感应电势E2，V 1142.7 U0U2E2，V 1143.09 5)励磁特性计算时，励磁线圈选取1匝，控制线圈选用2匝，计算点仍选择准确限值系数ALF一个点，计算数据见表3-6。

23

哈尔滨理工大学学士学位论文 计算点 ALF=30 表3-6计算数据表 E2，V (IN)0 I0，1匝，A 1142.7 49.59 49.59 E0，2匝，mV 1905 表3-5中E2、(IN)0由误差计算表查出，由本表数据可得到E0与I0的关系供试验用。

2短时热电流密度计算 (1)一次绕组。

额定短时热电流50KA，一次绕组导线截面

S1(602302)4302000.58(mm2)

4短时热电流密度

50000j125(A/mm2)90A/mm2(铝)

2000.58(2)二次绕组。

1)磁路未饱和时二次绕组短时热电流

I50000I2I2nth141.67(A)

Iin12002)磁路饱和时最大二次绕组电流I2max

测量绕组（取BIT）

NSB12005.841I2max2nc31.3(A)

45Z2454.97保护绕组（取B1.6T）

120026.951.6I2max121.6(A)

459.463)以上计算表明，测量绕组在未达到短时热电流前，铁芯已饱和，故二次电流取最大值31.3A，而保护绕组铁芯尚未饱和，二次电流取实际值41.67A

4)二次绕组短时热电流密度

31.339.87(A/mm2)160A/mm2(铜) 测量绕组j20.78541.6753.08(A/mm2)160A/mm2(铜) 保护绕组j20.7853油箱尺寸及器身尺寸确定

(1)油箱尺寸系根据一次绕组电容绝缘外形尺寸及二次绕组尺寸和夹件尺寸来确定，如图3-2所示。

(2)器身尺寸系根据油箱尺寸和瓷套高度来确定。器身与瓷套内壁之间应留有10—20mm的间隙，从而瓷套内径即可确定。如图下端内径为

24

哈尔滨理工大学学士学位论文 340mm，外径为440mm。

320R2801000图3-2 油箱尺寸图

4膨胀器选择

互感器油质量：G300kg（计算从略）。

油温变化范围：最高为60C（已计入绕组温升），最低为30C

cm3.，膨胀器节数 选用PB480膨胀器，单节有效容积V1967GTm3001030.0007(6030)n10.7可选用12节

rV0.919673.4 本章小结

本章主要是对当前较流行的LB-220，2*600/A电流互感器的主要计算，其中主要包括结构选型、铁芯和绕组设计、外绝缘瓷套设计、一次绕组绝缘设计，还有主要的误差计算及励磁性能计算以及短时热电流密度和油箱尺寸和器身尺寸的确定最后的一部分是膨胀器的选择，在这章中主要是对电磁方面的计算。

25

哈尔滨理工大学学士学位论文 结论

1电流误差分析中可以知道如果折算后的二次电流大于一次电流则电流误 差为正值，否则为负值。

2未采取补偿措施时，电流误差将永远为负值，而相位差在大多数为正值。

3 测量绕组在未达到短时热电流前，铁心已饱和，所以这时二次电流取最 大值

4 一次绕组短时热电流密度25

5 二次绕组短时测量绕组电流密度39.87 6 二次绕组短时保护绕组电流密度53.08 7 一次绕组的有效截面积为2000（mm2），二次导线采用1mm漆包铜线，导线截面积为0.785mm2

8 由计算得到膨胀器节数为10.7所以可选用12节的膨胀器

26

哈尔滨理工大学学士学位论文 致谢

首先，非常感谢吕德刚老师。本论文的选题，课题研究以及撰写工作都是在吕德刚老师的悉心指导下成功完成的，吕德刚老师严谨的治学态度、科学的思维方法和渊博的理论知识及丰富的实践经验使我受益匪浅。他对我无微不至的帮助和鼓励，为我的论文的完成减少了不少阻力和困难。特别是他严谨的作风、求实的态度以及丰富的经验让人感动万分，使我敢于自己动手解决实际遇到的各种困难和难题。

同时，也特别感谢和我同组的刘振柱、孙福春同学，他们在整个设计过程中给了我很大的帮助，在遇到问题时我们一起研究，一起努力，互相帮助，终于顺利的完成论文。在此过程中吕老师的严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作学习中的榜样；他的不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

感谢所有参与我论文评审的老师们，感谢你们抽出宝贵的时间评审我的论文，并提出宝贵的意见，我一定虚心接受，你们的教导就是对我的帮助。

最后，再次衷心地感谢所有帮助过我的老师和同学们，谢谢你们！

27

哈尔滨理工大学学士学位论文 参考文献

1 张贵新.赵清姣.罗承沐.电子式互感器的发展现状与前景.7（4）.清华大

学电机系，2006：108～109

2 陈向群.电流互感器的工作原理及误差.电力互感器技术讲座（2）. 电

工课堂，2003：34～36

3 宋婀娜.程彦华.张海宁.电流互感器的误差分析及其应用技术.煤炭技

术，1999：18（4）.14～16

4 张猛.电流互感器的误差分析.内蒙古电力技术，2003: 21.152～154

5 彭昱.郭其一.黄世泽. 电流互感器的误差计算及改进措施探讨. 煤炭技

术，2010:29（8）.221～224

6 吴激扬.王积成.林芳锐.电流互感器磁分路的测量和计算.汕头大学报 7 Richard C,Dorf Robort, H Bisho. Modern Control System. Ninth

Edition,Beijing: Science EducationPress,2002. 575-577

8 曹团结.张剑.张哲等.电流互感器的误差分析与工程计算.电力自动化设

备，2007：27（1）：53～55

9 凌子怒.高压互感器技术手册.中国电力出版社，2005：46～52，1996：

11(1).11～15

10 胡浩亮.电流互感器分析仪原理及测量方法研究.华中科技大学硕士学位

论文，2008：1～3

11 袁季修.盛和乐.吴聚业等.保护用电流互感器应用指南.中国电力出版

社，2003: 1～10

12 叶启明.电流互感器的原理及校验方法.湖北省电力试验研究院，2011:

19～20

13 钟永安.电流互感器的误差计算. 江西电力职业技术学院学报，2003:16

（1）.31～35

14 Richard C,.Dorf Robort,.H Bisho. Modern Control System. Ninth Edition,

Beijing: Science Education Press,2002. 575-576

15 D.W.Ackermann. Potchefstroom University for Christian Higher Education, RSA.

28

哈尔滨理工大学学士学位论文 附录

Current Transformer Measurements of Distorted

Current Waveforms

with Secondary Load Impedance.

D. W. Ackermann. Potchefstroom University for

Christian Higher Education, RSA.

Tel: 018 2991944 Fax: 018 2991977 email: eeidwaQpuknet.puk.ac.za

Abstract - This paper evaluates current measurementswith current transformers underdistorted current conditions. Power qualityassessment relies on the accurate measurementof current and voltage. Currenttransformers exhibit a good frequency response under distorted conditions, althoughthis is only valid for a low impedance loadThe effect of load impedance on the error ofmeasurement for different scenarios are illustrated.Keywords - current measurement, currentransformer, current distortion, harmonics.

1 Introduction

Current transformers are the most widely used currentsensing devices in the power industry. D E signed to obtain a certain accuracy [l] at supplyfrequency, it has been used in industryformeasurement and protection. Current transformers usedfor measurement must be accurate under normalconditions, whereas for protection, current transformersmust maintain their accuracy at the highestlevels of faultor waveform distortion.For power quality evaluation, accurate measurementsare essential. Ameasurement error will affectthe amplitude as well as the phase shift of thevariable. Current distortion are typically a few percent,whether caused by fluorescent lights [2] orcommercial consumers [3]. The economics of powersystems are directly

29

哈尔滨理工大学学士学位论文 influenced by the accuracy ofthe measurements. Possible billing inequities canonly be resolved by accurate measurements [4]

2 Current Transformer Model

Current transformers operate on the same principlesas other transformers with magnetic cores.The transformer consist of a primary and one ormore secondary winding around a closed magnetic path formed by the magnetic coreCurrent in the primary winding sets up a changeof flux in the core. Ignoring losses, the secondarywinding sets up a change of flux, equal in magnitudebut reversed in direction to oppose this changein flux. This simplified (and ideal) description canbe refined to account for secondary effects due thematerials and construction methods used. For example,lumped modeling of stray capacitances canbe added to this ideal model. A lumped model of a current transformer can have many components,therefore a simplified model is often used for a specificapplication. At low frequencies, a simplified model of a currenttransformer can be used as shown in Figure 1. Thevalues of the resistance and inductance of the secondarycircuit are referenced to the primary. It isassumed that the same model is valid for the harmonicfrequencies that will be used in this paper.The phasor diagram for the current transformerwith a load impedance of Z1 is shown in Figure 2From the phasor diagram in Figure 2 it can beseen that the smallest phase shift between the primaryand secondary currents occurs when the loadimpedance is a minimum. The phase shift, however,will always be lagging when using this model

30

哈尔滨理工大学学士学位论文 .

31

哈尔滨理工大学学士学位论文

3 Experimental Setup

The experimental setup consists of a current generator,two amplifiers and a A/D converter. Synchronousmeasurements are achieved with sampleand-hold circuitry. By using the current from thegenerator, a current can be applied to a currenttransformer. This enables measurements to bemade in order to characterize the current transformer.

3.1 Measurement Description

The measurement system has a computer programrunning on a personal computer, a 16 bit analog to digital and digital to analog card [6] that is connectedto the personal computer 1/0 bus, timingcircuitry, instrumentation amplifiers, sample-andholdcircuitry, and a voltage to current converter

32

哈尔滨理工大学学士学位论文 3.2 Measurement Accuracy

The primary and secondary current of the CTwas measured using low inductance current shuntswith 0.97mfl and 5.00mR resistances respectively.A 16 bit converter with a sampling rate of 1250Hzper channel was used for data capturing. This r esults in 25 samples per fundamental, allowing upto the twelfth harmonic to be measured accordingthe sampling theorem. Measurements have a80dB S/N ratio. When the frequency componentswere calculated, 1000 samples were used. Becauseof the small amplitude of the superimposed harmonics,the accuracy of the measurements of theharmonics, are much smaller than the accuracy expectedfrom the fundamental. This is illustrated inTable 3

3.3 Test Waveform

The waveforms that were used for the current generatorare in the form of data files and are createdusing a computer program. Subsequently, for allthese experiments, a 50Hz fundamental waveformswith superimposed harmonics were created. Sucha waveform has the general expression as in Equationl, with odd harmonic numbers l...N. The valuesA, are the amplitude for the relevant harmonicnumber. The fundamental is 50Hz, thus the valuefor w is 50.

A waveform that is representative of that found ina practical power system was generated current

[3].

Table2

shows

the

amplitude total

of RMS

each

of

the from

harmonicssuperimposed on the input current of CT and the% of full scale of the

converter

dynamicrange.

The

current

SUMNn0i225.278A.

33

哈尔滨理工大学学士学位论文

3.4 Current Generator

The current generator generates a curreit proportionalto the test waveform that has been createdby the computer program. Figure 3 shows the inputand output currents of the current transformer.The current generator has a S/N ratio of 74dB.Following from this S/N ratio, the expected accuracyfor the results are as in Table 3. This S/Nratio exceeds the NRS048 specification of a 12 bitmeasuring system.

34

哈尔滨理工大学学士学位论文

3.5 Secondary Loads for Tests

In all the experiments a 15 : 1 instrument class (BS3938:1973) 2.5VA current transformer has beenused. The loads that were used include the currentshunt impedance and are tabulated in Table4

4 Results

The results of the measurements for the differentloads are tabulated in Tables 5 to 9.

35

哈尔滨理工大学学士学位论文

36

哈尔滨理工大学学士学位论文

5 Discussion of Results

Figure 4 shows the phase error of different frequencies.Figure 4 should be read in conjunctionwith Table 3 in order to verify accuracy of theaccuracy of a specific frequency. Table 10 showsthe VA as a function of the load impedance. Itcan be seen that the most accurate measurementsare made, as expected, with the lowest secondaryload impedance. Nevertheless, errors of the amplitudeand phase of the harmonics with small amplitudesbecomes significant even at low aspossiblesecondary load impedance.

37

哈尔滨理工大学学士学位论文 波形畸变的电流互感器波形测量与二次负载阻抗

D. W.阿克曼，波切夫斯特鲁姆大学教高等教育，

RSA

摘要

本文计算电流。测量根据电流互感器扭曲的现状。电能质量评估依赖于精确测量电流和电压。当前变压器表现出良好的频率响应扭曲的条件下，虽然这仅适用于低阻抗负载且只对电流互感器二次绕组。关于误差的影响，负载阻抗将针对不用的情况下的测量进行说明。

关键词 ： 电流测量；电流变压器；电流失真；谐波

1 导言

电流互感器是最广泛使用的电流测量工具，是电力行业中重要的检测设备。D E 签约获得制造在供给一定的准确度的频率下的电流互感器，它已被用于工业测量和保护。电流互感器的使用要求测量要准确，在正常条件，而对于保护，电流互感器 必须保持最高的准确度 各级故障或波形失真。 对于电能质量的评价，准确的测量是必不可少的。一个测量误差会影响振幅以及相移变量。目前失真通常的几个百分点， 是造成荧光灯或商业用户。现在的电力学系统直接影响测量的准确性。可能的测量不准确只有通过精确的测量解决。

2 电流互感器型号

电流互感器的运行原则与其他变压器磁芯的运行原则相通。变压器由一个主绕组和一个或几个辅助绕组围绕成一个封闭的磁路组成。而电流互感器则是由多个磁芯形成的路径组成。在高压电网中，利用电流互感器把一次电流变换后通入电测仪表和继电保护装置中，以监视电网运行状态和

38

哈尔滨理工大学学士学位论文 及时切除电网故障。为保证运行参数的准确测量和继电保护装置正确动作，电流互感器必须满足一定的准确级要求。为了保证电力系统安全经济运行,必须对电力设备的运行情况进行监视和测量.但一般的测量和保护装置不能直接接入一次高压设备,而需要将一次系统的大电流按比例变换成小电流,供给测量仪表和保护装置使用。

在测量交变电流的大电流时,为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A或1A），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。 它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。同时，电流互感器的一次电流在正常运行中不应超过其额定电流，在故障情况下不应超出与其额定准确限值系数相对应的电流值电流互感器是个电流源，其输出电流是固定的，不随二次回路电阻改变而改变，但是电流互感器允许输出功率是一定的，不能超过最大的输出功率。否则将影响准确度，还会使电流互感器发热，铁芯饱和，二次回路感应电压将升高。主要目的用于在将大电流转变为小电流的过程中，目前在初级绕组有一个主级磁通。在次级也就是二次绕组还将产生一个由电磁感应原理产生的二次磁通，如果忽略损失，二级绕组中的磁通变化将与一次绕组中的磁通大小相等，但相反方向，这种变化在不断的进行中。这种简单（理想）的描述在材料的选择和施工中将起到辅助效果。例如，几种杂散的电容建模可以被应用到这个理想的模式当中。这种类型的电流互感器可以有许多组件， 因此，简化模型通常可以起到特殊的应用。 在低频时，一个电流互感器的简化模型可以用如图1所示。该图中的电阻和电感将被引用到二次电路中。这是假设同一型号的电流互感器所产生的谐波效应，这时用到的将是本文中使用的频率。 对于电流互感器相量图如图2所示。 从相量图2可见，当出现电阻之间的最小相移和次级负载电流时，电流互感器将会发生阻抗最小。然而， 相移始终落后时，将采用这种模式。

图1 低频率下的电流互感器模型

39

哈尔滨理工大学学士学位论文 图2 电流互感器的相量图 Vp 初级电压 Es 二次端子电压 E2 二次电压 Rp 初级绕组电阻 Lp 初级绕组电感 Rm 磁芯损耗等效电阻 Lm 等效磁化电感 Rs 二次绕组电阻 Ls 次级绕组电感 n 匝数比= NS/ NP Ip 初级电流 Ie 铁芯损耗 Im magnitizing电流 Io 励磁电流= IE+ IM Zs 二次阻抗 Is 二次电流  变压器相位角  工作流变压器  二次回路的相位角 A 二次电流相位角 a 初级电流和工作电流间角度 表1 图一和图二中的符号名称 40

哈尔滨理工大学学士学位论文 3 实验装置

实验装置包括一个电流发生器，两个放大器和一个A / D转换器。用以实现抽样测量与保持电路这两种作用，同时还要保证抽样测量与保护电路同步进行。通过使用当前的发电机，就可以应用到当前变压器中的电流。从而保证是在用特征的电流互感器进行电路中的测量。

3.1 测量说明

测量系统有一个计算机程序，一直在个人电脑中运行，16位数字模拟和数字模拟卡[6]已连接到个人电脑的I/O总线，时序电路将以一个仪表放大器，以及一个电流转换器中的电压来采样并且控制电路的运行。

3.2 测量精度

电流互感器的初级和次级电流，分别采用低电感的电流分流与0.97mfl和5.00mR电阻测量。这将带有一个1250Hz的采样频率为16位的转换器，这其中的每个通道都将用于捕获数据。这个的样本中将有25％的基本模板，根据采样定理，谐波最多可以允许进行十二次的测量。测量S / N比率为为80分贝。如果在对1000个样本进行研究时，将分别计算各元件的频率。在对谐波进行精度测量时，由于小振幅谐波的叠加效应，其测得的精确度将大大超过预想的理论值。在表3中的数据都表明了这些。

3.3 波形的测试

目前使用的电流互感器的波形都是以数据文件的形式存在的，并且使用计算机程序进行创建的。然后，将通过大量的试验，创建频率为50赫兹的叠加谐波的基本波形。这种波形与谐波方程的一般表达式之间具有奇次方的关系，An是有关谐波的振幅数。50赫兹则是最基本的频率值。因此w的值为50。

它是被发现的实际电力系统中形成的一个具有代表性波形，表2显示了在输入电流和电流互感器中的电流转换器的最大量程范围内，各次谐波叠加振幅的动态变化。RMS总电流为25.278A。

41

哈尔滨理工大学学士学位论文 表2 RMS的输出电流和波动范围

3.4 电流互感器

目前电流互感器产生的波形比例已交由计算机程序测试并创建。图3显示了目前变压器的输入和输出电流的数值。目前互感器的S/N比率为74分贝。在S/N的这个比率下，测试结果将达到预想的精确度，如表3所示。S / N 的这个比例超过了NRS048规范的12项测量系统。

表3 RMS的输入电流和调整率

图3 电流互感器输入和输出电流

42

哈尔滨理工大学学士学位论文 3.5 负载的测试

在目前所有的实验中的仪器中已有1/15使用2.5VA电流互感器。而当前的分流阻抗则主要使用负载，于列表-4。

表4 负载的测试数据

4 结果

对于在不同载荷情况下的测量结果已列于表5至9。

表5 电流互感器A负载情况下的相位差

43

哈尔滨理工大学学士学位论文 表6 电流互感器B负载时的相位差

表7 电流互感器C负载情况下的相位差

表8 电流互感器B负载情况下的相位差

表9 电流互感器E负载情况下的变比和相位差

44

哈尔滨理工大学学士学位论文 5 结果与讨论

图4显示了不同频率的相位误差。图4和表3结合起来更能说明特定频率下的精确度。表10显示了VA作为一个负载阻抗。用它可以制成测量最精确的，且能达到预想效果的负载电阻。然而，相位和振幅的误差会变得较明显，而且会有小幅度的谐波产生，甚至在负载电阻的阻值最低时这种效应也会产生。

图4 谐波幅值随负载阻抗的变化

表10 VA的电流互感器随VA额定载荷不同的百分比

45