1000A電流互感器的設(shè)計

1、 沈陽化工大學(xué) 本科畢業(yè)論文題 目： 1000A測量級電流互感器的設(shè)計 院 系： 信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣0703 學(xué)生姓名： 李宗霖 指導(dǎo)教師： 肇巍 論文提交日期：2011年 6 月 25 日論文答辯日期：2011年 6 月 28 日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書電氣工程及自動化專業(yè)電氣0703班學(xué)生：李宗霖畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：1000測量級電流互感器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容：電流互感器行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，電磁場基本知識，電流互感器工作原理，電流互感器產(chǎn)品設(shè)計流程及參數(shù)計算畢業(yè)設(shè)計（論文）專題部分：電流互感器產(chǎn)品設(shè)計。包括一次繞組設(shè)計、二次繞組設(shè)計及誤差分析計算

2、等起止時間：2011年 3月- 2011年 6月指導(dǎo)教師： 簽字 年 月 日教研主任： 簽字 年 月 日學(xué)院院長： 簽字 年 月 日摘要 電流互感器是電力系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)備，起到測量和保護作用，是用來測量電路中電流大小的裝置。當(dāng)某一電路中的電流過大以至于不能通過儀器直接測量出來，這時在電路中電流互感器的另一側(cè)會準(zhǔn)確地產(chǎn)生成比例的小電流，這樣就可以方便直接用儀器測量并記錄。電流互感器同時可以隔絕待測電路中可能出現(xiàn)的高電壓，以便保護測量儀器。 本次設(shè)計是根據(jù)對600A電流互感器的分析，進而設(shè)計1000A測量級的電流互感器。通過了解電流互感器的發(fā)展趨勢，電磁場的基本知識，所需材料的相關(guān)參數(shù)，進

3、行計算鐵心截面積，繞線長度，平均磁路長，繞組阻抗，以及0.5準(zhǔn)確級時對應(yīng)的5%，20%，100%，120%倍額定電流及0.25倍額定電壓，120%倍額定電流時所對應(yīng)的磁場強度，鐵損角及誤差。通過計算出的比差值和相位差與誤差限制表進行對比，得到所計算的誤差處在誤差限制之內(nèi)。 通過對1000A測量級電流互感器的設(shè)計，達到對電流互感器的深入了解，對以后從事相關(guān)行業(yè)起到重要的幫助。 關(guān)鍵詞：電流互感器；設(shè)計；測量AbstractCurrent transformer is the key basic instrument in electrical power system. Current tran

4、sformer is used for measurement and protection. It is a instrument used for measuring the current in a circuit. When current in a circuit is too high to directly apply to measuring instruments, a current transformer produces a reduced current accurately proportional to the current in the circuit, wh

5、ich can be conveniently connected to measuring and recording instruments. A current transformer also isolates the measuring instruments from what may be very high voltage in the monitored circuit. Current transformers are commonly used in metering and protective relays in the electrical power indust

6、ry.This project is based on the analysis of a 600A current transformer, and then makes a design of a 1000A current transformer. Through the understanding of the development of current transformers and the basic knowledge of electromagnetic field to get the parameters of the material. And calculate r

7、esponding current of 5%, 20%, 100%,120% when it at the accuracy of 0.5, and the magnetic power at 120% and the errors. Through the results of errors and comparing with the diagram we have already got . Through achieve above projects, to make the design of 1000A current transformer come true. The sig

8、nificance of the this design of current transformer is to get a more completed understanding of it, maybe of a help in the future.Keywords: current transformer; design; measure目 錄第一章 緒論11.1 本課題研究的背景意義11.2 我國電流互感器行業(yè)研究發(fā)展過程以及發(fā)展趨勢21.2.1我國電流互感器研究發(fā)展過程21.2.2 發(fā)展趨勢41.3 課題的主要研究工作5第二章 電流互感器的理論62.1 電磁場的基本概念62.2

9、 電與磁的關(guān)系62.3 電流互感器的基本原理62.3.1 電流互感器的用途，分類62.3.2 電流互感器的工作原理82.3.3 電流互感器的電與磁的關(guān)系102.4 電流互感器的誤差特性122.4.1 穩(wěn)定狀態(tài)下的電流互感器的誤差122.4.2誤差計算13第三章 電流互感器的設(shè)計流程及參數(shù)計算143.1 繞組設(shè)計計算143.2 誤差計算163.2.1. 電流互感器設(shè)計163.2.2 計算203.3 1000A/5A CT的主要參數(shù)和誤差分析計算結(jié)果22第4章 結(jié)論24參考文獻25致謝26第一章 緒論1.1 本課題研究的背景意義隨著我國1000kv交流高壓試驗示范工程的啟動，使得我國成為世界電網(wǎng)建

10、設(shè)的中心。而前不久游海嘯造成的日本福島核電站設(shè)施毀壞，導(dǎo)致核泄漏，使人民群眾不得不對核電站感到恐慌，而最近我國南方出現(xiàn)了大面積的停電事件，這也對我國電力系統(tǒng)公司對電力系統(tǒng)的安全性能提出更高的要求；為了緩解供電緊張的局面，我國將在未來幾年里將有一定數(shù)量的大型火力發(fā)電機組和核電項目投入建設(shè)，根據(jù)有關(guān)部門的資料顯示，我國將在今后每年新建35kv-500kv變電站1160個，新增發(fā)電機組271臺，并且以5%-15%的速度增長，由于作為電力輸變電設(shè)備的重要的組成部分，對互感器的設(shè)計和完善也就提上了日程。我國的電力互感器用量以8%的速度增長，2006年全國互感器產(chǎn)值近20個億左右，近150家互感器制造廠在

11、生產(chǎn)10kv及以上電壓等級產(chǎn)品。電流互感器是各種保護裝置和測量儀表中的重要裝置，是反應(yīng)一次系統(tǒng)真實電流信號的接口元件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)監(jiān)控，保護，錄波和測距等技術(shù)領(lǐng)域。它在運行過程中能否真實反應(yīng)一次電流，對繼電保護裝置和正確動作起著決定性的作用。尤其是在超高壓，大容量系統(tǒng)中，一方面由于傳輸容量的增大，使得一次電流迅速增加，這需要有電流互感器；另一方面，在使用電流互感器的同時還需要對電流互感器進行保護，以確保電流互感器能夠正常工作，從而保證對電力系統(tǒng)的實時監(jiān)測。1.2 我國電流互感器行業(yè)研究發(fā)展過程以及發(fā)展趨勢 我國電流互感器研究發(fā)展過程我國互感器的整體技術(shù)水平有了更大的提高，品種日益增加。各

12、互感器制造廠也不斷對產(chǎn)品進行改進和完善，我國已具有現(xiàn)在國際上互感器行業(yè)最高電壓等級的產(chǎn)品制造能力。 50年代初期，互感器制造僅是按得到的樣機及資料仿制，品種少、結(jié)構(gòu)簡單，未形成系列。沈陽變壓器廠在1953年翻譯了蘇聯(lián)圖紙，建立起仿蘇的產(chǎn)品系列并開始試制，并于1956年試制成功仿蘇220kv油浸絕緣電壓互感器，1958年試制成功仿蘇220kv油浸絕緣電流互感器。 自此，中國已可以制造0.5kv220kv各種規(guī)格的電流互感器和電壓互感器并形成了系列。 1958年后開始在仿制產(chǎn)品的基礎(chǔ)上自行設(shè)計。沈陽變壓器廠、華通開關(guān)廠試制成功l0kv環(huán)氧樹脂澆注電流互感器，取代了仿蘇產(chǎn)品。同時對油浸絕緣互感器進行

13、了改型設(shè)計，形成了新的互感器系列。 60年代后，沈陽變壓器研究所先后組織了多次全國統(tǒng)一設(shè)計，完成了0.5kv干式電流、電壓互感器，l0v澆注絕緣電流、電壓互感器，35kv油浸絕緣電流、電壓互感器，110kv油浸絕緣電流、電壓互感器新系列的設(shè)計、試制，提高了產(chǎn)品的技術(shù)性能，使產(chǎn)品更符合中國國內(nèi)市場的需要。 1970年后，我國互感器的整體技術(shù)水平有了更大的提高，品種日益增加。沈陽變壓器廠先后又試制成功330kv和500kv油紙絕緣電流互感器。西安電力電容器廠也試制成功500kv電容式電壓互感器。 隨著城市供電系統(tǒng)的發(fā)展需要，我國開始發(fā)展使用SF6組合電器。1973年，西安高壓開關(guān)廠研制的110kv

14、SF6組合電器在湖北丹江口水電站投入運行。與組合電器配套的110kvSF6氣體絕緣電壓互感器和電流互感器于1979年在上?；ジ衅鲝S試制成功，以后又試制成功220kvSP6氣體絕緣電壓互感器和電流互感器。 為了進一步提高互感器技術(shù)水平，我國開始引進國外先進的互感器制造技術(shù)。1979年沈陽變壓器廠從法國阿爾斯通公司引進了500kv油浸絕緣電流互感器制造技術(shù)。上海互感器廠于1984年從德國MWB公司引進了72.5kv-500kvSP6氣體絕緣互感器制造技術(shù)，又從瑞士BBC公司引進了l0kv-35kv澆注絕緣互感器制造技術(shù)。之后，天津互感器廠、沈陽互感器廠、江西互感器廠等先后從國外引進了澆注絕緣互感器

15、制造技術(shù)，北京互感器廠還引進了西門子油浸絕緣互感器制造技術(shù)。 1993年，上?；ジ衅鲝S與德國MWB公司合資，成立了上海MWB互感器有限公司。引進的72.5kv750kv獨立式SF6氣體互感器制造技術(shù)，在國內(nèi)制造并于1995年投入運行。2000年，上?；ジ衅鲝S與傳奇集團（TRENCH）擴大合資，引進瑞士HAEFELY35kv550kv油浸絕緣電流互感器、油浸絕緣電壓互感器、電容式電壓互感器、套管及電抗器制造技術(shù)。 1964年，我國制定了第一個互感器產(chǎn)品的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB572575-1964，但它只是在蘇聯(lián)國家標(biāo)準(zhǔn)FOCT基礎(chǔ)上作了少量改動、翻譯而成。1975年根據(jù)我國電力系統(tǒng)的發(fā)展需要互感器行業(yè)的

16、實際技術(shù)水平，對專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB572-575-1964作了修改后上升為國家標(biāo)準(zhǔn)GBl207-1975電壓互感器和GBl208-1975電流互感器。1986年對國家標(biāo)準(zhǔn)進行較大幅度更改，修訂為國家標(biāo)準(zhǔn)GBl207-1986電壓互感器和GBl208-1987電流互感器，等效采用了IEC標(biāo)準(zhǔn)185、186。1997年又對國家標(biāo)準(zhǔn)進行大幅度更改，修訂為國家標(biāo)準(zhǔn)GBl207-1997電壓互感器和GBl208-97電流互感器，等同采用了IEC標(biāo)準(zhǔn)IECl85：1987和IEC186：1987。 互感器制造業(yè)的發(fā)展歷程是從零星制造到專業(yè)化生產(chǎn)直至大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量多年來也不斷提高，基本上達到了互感器產(chǎn)品質(zhì)量

17、分等標(biāo)準(zhǔn)要求。70年代末至80年代初，互感器行業(yè)進行過三次規(guī)模較大的行業(yè)質(zhì)量檢查，對互感器行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)分批進行了質(zhì)量抽查，促進了各企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和管理水平的提高。 科研工作是每個行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)進步、產(chǎn)品質(zhì)量提高的根本。在我國互感器制造業(yè)形成規(guī)模數(shù)量后，鑒于標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，以及產(chǎn)品在制造、運行中發(fā)生的質(zhì)量問題，有針對性地開展科研工作就顯得特別重要。沈變所曾組織行業(yè)力量對行業(yè)共存的難題不斷進行研究、攻關(guān)。先后對澆注絕緣互感器的局部放電、油浸絕緣互感器產(chǎn)品的局部放電、內(nèi)部含水量、含氣量及介損等影響互感器質(zhì)量的因素，通過集中行業(yè)力量分析其產(chǎn)生原因、防止方法及探索檢測段等，經(jīng)過多年的研究和實踐，取得了較大

18、收獲，研制了局部放電專用的測試儀器。有的生產(chǎn)企業(yè)已把它與計算機配套使用，但精確計算及定量、定位測量尚待進一步研究。 對于互感器的誤差測試，國外已普遍使用自動檢測、顯示及輸出裝置，我國曾引進過樣。有些單位也自行研制了數(shù)據(jù)自動顯示及輸出裝置，并已有專業(yè)制造單位，為組建互感器生產(chǎn)線提供了適用的測試手段。目前，這些裝置已在大多數(shù)互感器專業(yè)制造廠廣泛得到使用。原沈陽變壓器廠在500kv電流互感器研制過程中，著重地作了研究并提出了設(shè)計和制造方法。 目前，上海MWB互感器有限公司通過引進國外技術(shù)也已掌握了設(shè)計、制造保證暫態(tài)特性的電流互感器的技術(shù)，并能設(shè)計、制造發(fā)電機保護用保證暫態(tài)特性的大電流互感器。1997

19、年我國頒布實施了等同采用IEC44-6：1992標(biāo)準(zhǔn)的國家標(biāo)準(zhǔn)GBl6847-1997保護用電流互感器暫態(tài)特性技術(shù)要求。 變電所從1970年就開始研究光電式互感器，以后在清華大學(xué)、四平電業(yè)局的積極協(xié)作下，1979年研制出第一臺樣機。90年代后，新一代的光電式互感器又引起重視。不少制造廠及大專院校相繼研制、開發(fā)了光電式互感器，也有一些投入試運行。但終因國內(nèi)元器件性能較差、不穩(wěn)定，暫時處于重新擬定方案的狀態(tài)。 當(dāng)前，國際上正在開發(fā)新型原理、結(jié)構(gòu)的低阻抗互感器（即LOPO），其結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)品體積小、性能穩(wěn)定、造價低廉，可望在不久的將來會成為互感器新的品種，也會對電力系統(tǒng)的發(fā)展起到一定的推動作用。總之

20、，回顧40多年的我國互感器發(fā)展史，可以說國內(nèi)互感器行業(yè)通過幾個階段的發(fā)展已在國際上處于領(lǐng)先地位1。 發(fā)展趨勢目前的發(fā)展趨勢是：電力設(shè)計部門采用高速差動保護，減少繼電保護裝置功率消耗，采用新原理保護裝置，以適應(yīng)電流互感器暫態(tài)性能或降低對電流互感器暫態(tài)性能的要求?；ジ衅髦圃鞆S商與電力用戶商制定合理的電流互感器使用技術(shù)條件，生產(chǎn)不同的鐵心型式和規(guī)格的產(chǎn)品，供電力設(shè)計部門選用，保證發(fā)電機組繼電保護裝置的正確動作。針對電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以預(yù)測：在不久的將來，傳統(tǒng)型的CT將逐步地淡出電力系統(tǒng)，新型實用的互感器將取而代之。但是，新型的技術(shù)發(fā)展到成熟階段總需要一定的時間。傳統(tǒng)型電流互感器就經(jīng)歷了數(shù)百年的發(fā)展

21、，而基于Faraday磁光效應(yīng)的新型光電電流互感器才出現(xiàn)了幾十年，在很多方面還不完善。全光型電流互感器實現(xiàn)的最大困難是其本身的光學(xué)系統(tǒng)折射效應(yīng)會隨環(huán)境因素變化而變化，從而影響整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。其根本原因在于光纖的線性雙折射效應(yīng)對測量結(jié)果的影響：降低系統(tǒng)靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性，使測量結(jié)果與被測電流在光路內(nèi)的位置有關(guān)等。研究表明：光纖的線性雙折射效應(yīng)可分為內(nèi)在和外在兩類。內(nèi)在線性雙折射是由于制備光纖過程中引入的光纖不完備性引起的，諸如纖芯的非圓度和光纖內(nèi)部非對稱性應(yīng)力等；而外在線性雙折射則由光纖的彎曲、環(huán)境溫度、壓力、振動等外部非對稱性橫向壓力引起?？梢姡a(chǎn)生線性雙折射效應(yīng)的原因是復(fù)雜的、多

22、方面的，要建立起完善的光纖線性雙折射效應(yīng)的表達式，克服線性雙折射效應(yīng)的影響是非常困難的2-5。1.3 課題的主要研究工作 本次畢業(yè)設(shè)計是設(shè)計1000A/5A電流互感器，對此不僅要理解電流互感器的基本原理，也要對電場和磁場的關(guān)系進行深入的理解。而且還要準(zhǔn)確計算出在0.5準(zhǔn)確級時所對應(yīng)的誤差計算,并且對所測得出的數(shù)據(jù)進行誤差分析。第二章 電流互感器的理論2.1 電磁場的基本概念 電磁場，electromagnetic field，是有內(nèi)在聯(lián)系，相互依存的電場與磁場的統(tǒng)一體和總稱。隨時間變化的電場產(chǎn)生磁場，隨時間變化的磁場產(chǎn)生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場可以由變速運動的帶電粒子引起，也可以

23、由強弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒介物，具有能量和動量，是物質(zhì)存在的一種型式。電磁場的性質(zhì)，特征及其運動變化規(guī)律是有麥克斯韋方程組確定。2.2 電與磁的關(guān)系 從科學(xué)的角度來說，電磁波是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會釋出電磁波。電與磁可說是一體兩面，變動的電會產(chǎn)生磁，變動的磁則會產(chǎn)生電。2.3 電流互感器的基本原理2.3.1 電流互感器的用途，分類 電流互感器的用途，在正常條件下使用時，二次電流實質(zhì)上與一次電流成正比；而在正確接線時，二次電流對一次電流的相位差接近于零的互感器叫做電流互感器。電流互感器的一次繞組串聯(lián)在回路里，

24、二次繞組要經(jīng)過某些負(fù)荷（測量儀表和繼電器）而閉合，并保證通過的負(fù)荷電流與一次繞組的電流成正比。通過圖2.1來具體說明CT的應(yīng)用。圖2.1為一臺電流互感器的應(yīng)用接線示意圖。二次繞組是測量用繞組，接至保護繼電器。當(dāng)電力線路正常工作時，二次電流不大，繼電器不會動作，其常開觸點是打開的，斷路器的跳閘線圈沒有電流，斷路器處于接通狀態(tài)。互感器的線路發(fā)生短路或嚴(yán)重過載，就有很大的電流經(jīng)過CT的一次繞組，二次電流也將增加許多，當(dāng)二次電流增加到等于或大于繼電器的動作電流時，繼電器動作將常開觸點接通，斷路器跳閘線圈跳過電流，跳閘機構(gòu)動作，斷路器跳閘。將故障線路從電力系統(tǒng)中切斷。值得注意的是，CT在運行中如果二次不

25、接負(fù)荷，則必須可靠地短接，決不允許開路，因為二次沒有電流，一次安匝全部用來勵磁。圖 2.1 CT的應(yīng)用 圖 2.2 二次開路時的磁通和電動勢波形電流互感器的分類. 按用途分 測量用電流互感器 在測量交變電流的大電流時,為便于二次儀表測量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流（我國規(guī)定電流互感器的二次額定為5A或1A），另外線路上的電壓都比較高，如果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。 它是電力系統(tǒng)中測量儀表、繼電保護等二次設(shè)備獲取電氣一次回路電流信息的傳感器，電流互感器將高電流按比例轉(zhuǎn)換成低電流，電流互感器一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測量儀表、繼電保護等。 保護用電流互感器保護用電流互

26、感器主要與繼電裝置配合，在線路發(fā)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(tǒng)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：a. 絕緣可靠b. 足夠大的準(zhǔn)確限值系數(shù)c. 足夠的熱穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性保護用電流互感器分為：a. 過負(fù)荷保護電流互感器b. 差動保護電流互感器c. 接地保護電流互感器. 裝置種類分 戶內(nèi)式，即只能安裝于戶內(nèi)的電流互感器，其額定電壓一般不高于35kv。 戶外式，即可以在戶外安裝使用的電流互感器，電壓一般在35kv以上。. 按絕緣介質(zhì)分，可以分：油絕緣，

27、澆注絕緣，一般干式絕緣，瓷絕緣，氣體絕緣等。.按結(jié)構(gòu)形式分，可分為：支柱式，母線式，套管式，正立式，倒立式6。2.3.2 電流互感器的工作原理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。為便于二次儀表測量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)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(shù)是安培級的（如5A等）?，F(xiàn)在的電量測量大多數(shù)字化，而計算機的采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，主要起到互感器與采樣之間的橋梁作用。 微型電流互感

28、器也有人稱之為“儀用電流互感器”。微型電流互感器與變壓器類似，也是根據(jù)電磁感應(yīng)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。額定的二次電流標(biāo)準(zhǔn)電流值為1A和5A，以5A為優(yōu)先值，這樣可以減少儀表和繼電器的尺寸，也可以簡化其規(guī)格，有利于儀表和繼電器的小型化，標(biāo)準(zhǔn)化。因此電流互感器的主要作用是：a. 傳遞信息給測量儀表或保護控制裝置：b. 使測量和保護與高壓電力線路相隔離；c. 有利于儀表和保護繼電器的小型化，標(biāo)準(zhǔn)化。圖2.3 電流互感器的工作原理圖2.4 電流互感器的等效電路圖2.3.3 電流互感器的電與磁的關(guān)系在圖2.3中，當(dāng)電流I1流過互感器的一次繞組時，建立一次磁動勢，I1

29、與一次繞組匝數(shù)N1的乘積就是一次磁動勢，也稱一次安匝。一次磁動勢分為兩部分，其中一小部分用來勵磁，使鐵心中產(chǎn)生磁通；另一部分用來平衡二次磁動勢。二次磁動勢也稱為二次安匝，是二次電流I2與二次繞組匝數(shù)N2的乘積。用以勵磁的里此次董事也可稱為勵磁安匝，等于勵磁電流I0與一次繞組匝數(shù)N1的乘積，用于平衡二次磁動勢的這一部分的一次磁動勢，其大小與二次磁動勢相等，但是方向相反，具體的磁動勢平衡可用下列公式說明： (2-1) 式中I1，I2，I0- 二次電流和勵磁電流的相量(A)，如用復(fù)數(shù)表示既可表示大小還可表示相位;N1，N2二次繞組匝數(shù); 如果忽略很小的勵磁安匝，并且只考慮一、二次電流大小之間的關(guān)系

30、式可簡寫為: (2-2)若以額定值表示: (2-3)額定一次電流與額定二次電流之比稱為電流互感器的額定電流比,用KN 表示： (2-4)圖 2.5 電流互感器的向量圖但在實際工程設(shè)計中，這一小部分的勵磁電流是不能忽略不計的，現(xiàn)在我們討論電流互感器的相量圖，圖2.5中給出了較為完整的電流互感器的相量圖，這個相量圖為一次側(cè)各量折算到二次側(cè)后所得的相量圖，折算關(guān)系如下: (2-5) (2-6) (2-7) (2-8) (2-9) (2-10) 根據(jù)現(xiàn)有的電工知識可以知道，勵磁電流I0在鐵心中建立起主磁通，這個磁通同時穿過一次和二次繞組的全部線匝，故稱為主磁通0。鐵心材料有磁滯和渦流損耗，勵磁電流中有

31、一部分是供給這些損耗所必需的，稱之為有功分量;另一部分是用勵磁的，稱之為無功分量;這兩個分量的相量和才是I0，所以勵電流與主磁通相差一個角，這個角稱為鐵損角。主磁通在二次繞組中感應(yīng)出電動勢E2。在相位上，E2滯后于主磁通90o角。 電流互感器的一次線圈通過的電流是待測的網(wǎng)路電流，它與互感器二次側(cè)的負(fù)荷無關(guān)，即電流互感器的一次側(cè)是接電流源的，穩(wěn)態(tài)運行時，電勢方程式為: (2-11)或用有效值表示為： (2-12) E2. 12一二次感應(yīng)電動勢(V)和電流的相量（A） E2,I2一二次感應(yīng)電動勢(V)和電流(A)的有效值 Z2一二次繞組內(nèi)阻抗，也是一個復(fù)數(shù)量 Zb一二次負(fù)荷阻抗，復(fù)數(shù)量 R2,RB

32、一二次繞組電阻和二次負(fù)荷電抗 X2,XB一二次繞組電抗和二次負(fù)荷電抗 因為在大多數(shù)情況下，電抗X2和Xb都是電感性的，國家標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定用電感性負(fù)荷(功率因數(shù)為0.8)來測量互感器的誤差，所以在圖2.4中二次電流相量滯后二次感應(yīng)電動勢角， (2-13) 一次電流I1應(yīng)是I0與(-I2)之和，所以一次電流I1與(-I2)相差b角。由圖2.5可見，由于勵磁電流I0的存在，一、二次電流在大小和相位上都出現(xiàn)了差別。電流大小的差別就是電流變換出現(xiàn)了誤差，相位差別就是相位差，在討論電流互感器的誤差特性一節(jié)中，我們將詳細說明。2.4 電流互感器的誤差特性2.4.1 穩(wěn)定狀態(tài)下的電流互感器的誤差 表2.1 測量級

33、誤差計算點準(zhǔn)確級誤差計算點額定電流的百分?jǐn)?shù) % 二次負(fù)荷范圍 0.2S；0.5S0.1；0.2；0.5；13；51；5；20；100；1201205；20；100；12012050；120 額定負(fù)荷 四分之一額定負(fù)荷額定負(fù)荷 四分之一額定負(fù)荷 額定負(fù)荷 理想的電流互感器，在變換電流時沒有能量消耗，一次磁勢與二次磁勢在數(shù)量上相等，繞組中電流與匝數(shù)成反比，互感器沒有誤差。但是，在實際的電流互感器中，由于鐵心中產(chǎn)生磁通、鐵心發(fā)熱和交變勵磁以及二次繞組和二次回路導(dǎo)線的發(fā)熱，電流變換將消耗附加磁勢，電流互感器繞組中電流與匝數(shù)不成反比，這就造成了電流變換中存在誤差。但設(shè)計電流互感器時應(yīng)能保證其有一定的準(zhǔn)確

34、度，這才能保證測量精確，或保護裝置正確地動作，因此電流互感器誤差必須在一定的限值內(nèi)。GB1208- 87規(guī)定測量用電流互感器的準(zhǔn)確級有:0.1, 0.2, 0.5,1, 3和5級，0.1級5級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，負(fù)荷的功率因數(shù)為0.8。 電流誤差 從電流互感器的工作原理知道，只有當(dāng)勵磁電流為零時，二次電流乘以額定電流比等于實際的一次電流，由于勵磁電流總是存在，所以二次電流乘以額定電流比總是小于實際一次電流，也就是說，電流誤差總是負(fù)值，只有在采取了特殊的誤差補償措施以后，才可能出現(xiàn)正值電流誤差。 相位誤差 相位差的定義是:互感器的一次電流與二次電流相量的相位之差。相量方向以理想狀態(tài)下互感器的相位差為零來確

35、定。當(dāng)二次電流相量超前一次電流相量時，相位差為正值，它通常以分或厘弧度表示。 在此特別要說一點:相位差的定義只在電流為正弦波形時正確。因為當(dāng)電流不是正弦波形時，就不能用相量圖表示它們之間的關(guān)系。2.4.2誤差計算根據(jù)前面的誤差定義和參照互感器的相量圖，其中式的誤差定義包含了比值差和相位差的相量式，比值差和相位差的計算公式如下:比值差： (2-14)相位差： (2-15) 為了減少誤差，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上就要盡可能減少二次繞組阻抗，減少磁路長度，增加鐵心面積，而且要選用磁導(dǎo)率高的鐵心材料。實際上，上面所說的這些措施是相互影響的，例如增加鐵心截面積必將使二次繞組電阻和電抗增加，而且還可能增加磁路長度，這

36、又部分地抵消了增加鐵心截面的效果7。第三章 電流互感器的設(shè)計流程及參數(shù)計算 本章將簡要說明電流互感器的設(shè)汁計算步驟和設(shè)計計算時要考慮的若干問題，并主要通過誤差計算和絕緣計算實例說明有關(guān)的計算方法和計算公式的應(yīng)用。3.1 繞組設(shè)計計算繞組設(shè)計的步驟一般是: 確定繞組額定匝數(shù)。對某些電流互感器，如母線型、套管型互感器，以及單匝貫穿式電流互感器，一次繞組只有一匝，其額定安匝（IN）1n，已是定數(shù)，即 (3-1) 對多匝式電流互感器.則需先初選一個額定安匝，由此計算一、.二次繞組額定匝數(shù)。額定安匝的選取需考慮各方面的因數(shù)。從保證產(chǎn)品的誤差性能出發(fā)，要求額定安匝高，但高額定安匝卻不易滿足動穩(wěn)定要求。準(zhǔn)確

37、級高的產(chǎn)品要取較高的額定安匝，準(zhǔn)確級低的產(chǎn)品可取較低的額定安匝，電壓較低的產(chǎn)品，主絕緣距離小，鐵心的平均磁路長短，取較低的額定安匝比較容易滿足誤差性能要求，電壓較高的產(chǎn)品在誤差性能要求相同的條件下則要困難些，采用導(dǎo)磁性能好的材料可取較低的額定安匝，反之則要取較高的額定安匝對于有多個額定變比的系列產(chǎn)品，還必須考慮取合適的額定安匝.以減少二次繞組規(guī)格，額定安匝數(shù)高意味著繞組用銅量增加，成本提高。總之，額定安匝數(shù)是與產(chǎn)品技術(shù)性和產(chǎn)品成本密切相關(guān)的參數(shù)，設(shè)計計算時要通過多方案比較.才能得到經(jīng)濟合理的設(shè)計。表3-1給出的是鐵心采用冷軋硅鋼板，額定二次電流為5A,準(zhǔn)確級為0.5，不同額定二次負(fù)荷下的額定安

38、匝初選參考值。 表3-1 額定安匝初選參考值額定二次符合初選額定安匝0.40.61.22300400600800800100010001200 選取額定安匝后，按下式計算一、二次繞組額定匝數(shù) (3-2) (3-3)式中 N1n 額定一次匝數(shù); N2n 額定二次匝數(shù); I1n 額定一次電流，A: I2n 額定二次電流，A 已知一次繞組匝數(shù)后，根據(jù)額定連續(xù)熱電流和額定短時熱電流要求選擇一次導(dǎo)體截面和規(guī)格:已知一次繞組匝數(shù)后，先根據(jù)誤差和溫升要求選擇二次導(dǎo)線截面和規(guī)格。 按結(jié)構(gòu)要求確定繞組結(jié)構(gòu)型式。 計算一次繞組絕緣。 設(shè)計二次繞組要與鐵心設(shè)計和誤差計算結(jié)合進行)。3.2 誤差計算3.2.1. 電流

39、互感器設(shè)計 計算鐵心截面。根據(jù)誤差要求和準(zhǔn)備采用的鐵心材料的性能初選鐵心截面。當(dāng)無其它參考數(shù)據(jù)時?？捎孟率阶鞒醪焦浪恪?(3-4) 式中 K2Z考慮繞組內(nèi)阻抗的系數(shù)， Ace鐵心截面，cm2 I2n額定二次電流，A; Z2額定一次負(fù)荷,: f 額定頻率，Hz; N2額定二次匝數(shù); BN 初選的額定磁密. T 初選的額定磁密值，依準(zhǔn)確級和鐵心材料而定，對于O.5級鐵心。采用冷軋硅鋼板時，可初步取Bn=0.2T。更高的準(zhǔn)確級，或有儀表保安系數(shù)要求時.則應(yīng)選用高導(dǎo)磁材料，如超微晶合金或玻莫合金。 確定鐵心幾何尺寸。鐵心窗口(或內(nèi)徑應(yīng)保證一、二次繞組之間有足夠的絕緣距離并有適當(dāng)?shù)难b配間隙。內(nèi)窗口尺寸確

40、定后，根據(jù)所需的截面以及結(jié)構(gòu)要求確定鐵心的外框(或外徑)和高度。在比較準(zhǔn)確地確定鐵心尺寸以后。再對二次繞組設(shè)計進行調(diào)整，確定繞組尺寸。鐵心和二次繞組尺寸確定后即可計算誤差。 計算鐵心參數(shù)，計算鐵心有效截面，平均磁路長。 計算二次繞組電阻：計算二次繞組電阻時，銅導(dǎo)線電阻系數(shù)通常取55的值。即取= O.02 /m (3-5)式中 銅導(dǎo)線電阻系數(shù) l2 二次繞組導(dǎo)線平均匝長 N2n 額定二次匝數(shù) S2 泛次導(dǎo)線截面積 鐵心截面為矩形的電流互感器。二次繞組平均匝長的計算式為 (3-6) 圖3-1 鐵心截面為矩形的二次繞組 1二次導(dǎo)線 2層間絕緣 3鐵心 4鐵心絕緣 5鐵心面端絕緣 當(dāng)層數(shù)較多且各層匝數(shù)

41、不等時，要分層計算平均匝長和每層導(dǎo)線長度，將各層導(dǎo)線長相加得出二次導(dǎo)線總長。然后計算電阻。當(dāng)二次引線較長時，還應(yīng)將引線電阻計入。 計算二次漏抗：準(zhǔn)確計算二次漏抗是困難的，通常采用經(jīng)驗公式計算或按經(jīng)驗數(shù)據(jù)取值。 對于環(huán)形二次繞組，如果二次線匝均勻分布在整個鐵心的圓周上，且單匝一次繞組在鐵心中心穿過?；蚨嘣岩淮卫@組也均勻分布在整個鐵心的圓周上，可以認(rèn)為二次漏抗x2等于零、實際的繞組不可能如此完全對稱。 表3-2 環(huán)形二次繞組的漏抗額定一次安匝 X2的近似值600600 計算二次負(fù)荷阻抗的電阻分量和電抗分量二按額定負(fù)荷和下限負(fù)荷分別計算 (3-7) (3-8) (3-9) (3-10) (3-11)

42、 計算二次回路總電阻、總電抗和總阻抗以及相應(yīng)的阻抗角 (3-12) (3-13) (3-14) (3-15) (3-16) (3-17) (3-18) (3-19) 確定誤差計算點。不同準(zhǔn)確級有不同的誤差計算點，如果規(guī)定了額定擴大一次電流值，則還應(yīng)計算額定擴大一次電流下的誤差，計算不同電流和負(fù)荷下，GB12081997規(guī)定：額定擴大一次電流下的誤差限值與120%額定電流下的限值相同，故計算額定擴大一次電流下的誤差時，應(yīng)增加額定負(fù)荷和四分之一額定負(fù)荷兩個計算點。 計算不同電流和負(fù)荷下的二次感應(yīng)電勢。按下式計算二次感應(yīng)電勢E2， (3-20) 不同的準(zhǔn)確級有不同的計算點 計算不同電流和負(fù)荷下的磁密

43、: (3-21)式中f 額定頻率。Hz: N2n 額定二次匝數(shù): Ac 鐵心有效截面積 由B查磁化曲線，得出磁場強度單位勵磁安匝)和鐵心損耗角圖3-2 磁化曲線 計算勵磁安匝 (3-22)式中H對應(yīng)于不同的計算磁密B時的磁場強度 LN平均磁路長 計算電流誤差和相位差3.2.2 計算 選額定安匝，選定額定安匝為1000A，由此得出額定二次匝數(shù)N2n=1000/5=200額定二次匝數(shù)為200匝，二次用兩根單線直徑為1.5/1.6mm的QQ2漆包線并繞 鐵心計算。鐵心材料采用30QG120硅鋼板，估算鐵心截面 (3-23)計算出鐵心的截面積后，再來確定a, b的值，一般都是由經(jīng)驗選取。環(huán)形鐵心的內(nèi)徑

44、d或矩形鐵心的窗寬由一次和二次繞組的厚度、二者之間的間隙以及鐵心絕緣厚度確定;鐵心高度a(硅鋼片片寬)常取5的倍數(shù)；a /b取大于1。但a /b的比值不同，鐵心截面的周長和鐵心的平均磁路長度也就不同。前者影響二次繞組的用銅量和負(fù)荷誤差，而后者影響硅鋼片消耗量和空載誤差。當(dāng)a /b=1時，周長最短，但平均磁路長度增加；而a /b值大于1越多，則相反的結(jié)果越嚴(yán)重。為使有效材料消耗量和總誤差最小，可以按鐵心截面周長與鐵心磁路平均長度之和為最小的原則，來確定a /b的比值，即確定鐵心截面最佳尺寸。鐵心截面周長： (3-24)鐵心平均磁路長： (3-25)令函數(shù) ： (3-26)當(dāng)鐵心內(nèi)直徑d己確定情況

45、下，函數(shù)y的極小值，可對式子對b求一階導(dǎo)數(shù)等于零。即可得到： (3-27)得到b后，就可以得到a 初選鐵心尺寸為150/250×30鐵心有效面積（取疊片系數(shù)為0.96）為A=（25-15）×3×0.96=14.4cm平均磁路長為L=×（25+15）/2=62.83cm鐵心絕緣采用絕緣紙板，鐵心上下端面絕緣厚3mm，內(nèi)，外側(cè)厚2mm 二次阻抗計算，先計算繞線層數(shù)，鐵心包絕緣后內(nèi)徑為150-2×2=146mm 按內(nèi)徑展開長排線計算可繞匝數(shù)，預(yù)計有效繞線角度為350o ，繞線取1.1，第一層可繞匝數(shù)為。 N=124即只需繞一層計算二次平均匝長 L2=

46、185.1二次導(dǎo)線總長為22.2m計算二次繞組電阻，已知導(dǎo)線截面積為3.53mm2 ，取二次引線截面2.5mm2 ，長1m r2=0.134 取X2=0.05，Z2=0.02計算額定負(fù)荷時的二次回路阻抗和阻抗角R2n=0.134+1.6=1.734X2n=0.05+1.2=1.25Z2n=2.137=arctan1.25/1.734=35.79o 計算額定電流及額定負(fù)荷時的二次感應(yīng)電動勢E2=5×2.137=10.685V 額定電流及額定負(fù)荷時的磁密 B=0.1424 由磁化曲線查得磁場強度為0.034×1.2=0.0408，鐵損角為47.4o （IN）o=2.56 i=0

47、.254%i=1.03 額定負(fù)荷下，5%，20%，120%額定電流時的誤差3.3 1000A/5A CT的主要參數(shù)和誤差分析計算結(jié)果 測量級誤差計算1.給定參數(shù) 額定電流比：1000/5A 準(zhǔn)確級：0.5 二次負(fù)荷：50VA FS:無規(guī)定2.鐵心計算尺寸：150/ 250×30 磁路長：62.83 凈截面：14.4 材料：硅鋼片30QG120 鐵心絕緣：徑向2，軸向3 疊片系數(shù) 0.96 3.繞組及阻抗計算 一次匝數(shù)：1 額定二次匝數(shù)：200二次導(dǎo)線：1.501.61 2根并繞 截面：3.53mm2 導(dǎo)線長：22.2m二次引線：長度1.0m 截面：2.5mm 電阻系數(shù)：0.02/m繞組尺寸：138.0/260.0×52.0 線層厚：內(nèi)側(cè) 1.8，外側(cè)1.8額定電密：1.41A/mm2 最大電密：74.27A/mm2繞組阻抗：Z2=0.0