毕业设计（论文）-基于Rogowski线圈的电子电流互感器的设计.doc

基于rogowski线圈的电子式电流互感器设计electronic current transducer design based on the rogowski coil学 院：电气工程学院专 业 班 级：电气工程及其自动化0806班学 号：学 生 姓 名： 指 导 教 师： 年 月摘要目前，电力系统中广泛采用的是电磁式电流互感器，它的工作原理和变压器类似。然而，随着电力系统的传输容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁式电流互感器因其传感原理而出现不可克服的问题：绝缘结构日趋复杂、体积大、造价高；在故障电流下铁芯易饱和，使二次电流值和波形失真，产生不能容许的测量误差；充油易爆炸而导致突然失效；若输出端开路，产生高电压对周围设备和人员存在潜在的威胁；易受电磁干扰等。为适应电力系统的快速发展，有必要研制利用其它传感原理的电流互感器。本文针对电力工业对电子式电流互感器的要求，以 iec60044-8电子式电流互感器等相关标准为依据，对电子式电流互感器进行了研究设计。采用 rogowski 线圈作为高压电力线上的传感头，将 rogowski 线圈的输出数字化后，通过光纤传送到低压端进行led显示或恢复成原来的模拟信号，实现对高压一次电路电流的测量；系统利用光纤数字传输系统实现高压部分和低压部分的完全电气隔离和实现信号传输，提高了信号传输的抗干扰能力；采用微机接口技术实现微机对电子式电流互感器采集数据进行处理和相应的调整：具有数据输出和模拟输出两种，为后级测量、保护和控制设备提供了良好接口。a/d 转换电路是整个高压端的核心，本文着重在高压端设计了高精度、高可靠性、低功耗的 a/d 转换接口电路。另外本文还对高压端有源器件的供能方案进行了探讨，提出了一种新的供能电路；对高压端电子线路的抗干扰问题进行了设计和探讨，提高了整个测量系统的精度。实验证明，设计的电子式电流互感器线路简单实用，工作可靠，具有良好的线性度和测量精度，动态测量范围大，响应速度快等性能。相比传统的电磁式电流互感器，本设计的电子式电流互感器克服了磁饱和、因存油而引起的易燃易爆等问题，简单有效的解决了高压端与低压端之间绝缘的问题，而且成本低，体积小，频带宽，具有更大的应用前景。关键词：rogowski 线圈；电流互感器；积分器；a/d 转换；供能abstractat present, electromagnetic current transformer are widely used in the power system.their working principle is similar with conventional transformers. however, with the transmission capacity and the voltage level of the power line increasing, conventional electromagnetic current transformer are found to have many insurmountable questions. for example, more complicated insulation between the primary winding and the secondary causes the larger size, heavier weight and higher cost. because of the nonlinear factors of the ferrous core, such as eddy current and hyteresis loss when the core is saturated with large malfunction current, ratio error and phase error are very large. the cts cant work because the oil in the conventional transformer possibly blow up for the bad-working environment. the opening of the secondary circuit will yield high voltage that is potentially dangerous to the instrument and operators. so it is necessary to study the novel current transformer that are based on the new working principle.in view of the electric power industry to the electronic current transformers request, electronic current transformer was researched and designed according to the standard of the international iec60044-8electronic current transformer. rogowski coils used as a high-voltage power line sensor head.after the output of rogowski coils was digitalized,then transmitted to low-voltage terminal through fiber-optic to carry out led display or restore the original analog signal,so the high-voltage power-side bus current was measured. the system used fiber-optic digital transmission to achieve high-voltage side and low-voltage side of the complete electrical isolation and signal transmission, enhanced the signaling anti-jamming.and used microcomputer interface technology ,including data output and analog output ,to achieve data collecting, processing and adjusting,it provided a good interface to post-measurement equipment and automation equipment.a/d conversion circuit was the core of high-voltage side, this paper focused on the design of high-voltage side of the high-precision, high reliability, low power a/d conversion interface circuit. in addition, this paper also discussed power supply scheme of active devices in high-voltage side, a new power supply circuit was proposed; the electronic circuit anti-jamming of high-voltage side was discussed and designed,and the accuracy of the measurement system was improved. the experiment proved that the electronic current transformer designed was simple and practical ， which had good linear degree and measure precision,and could measure current in the wide range.these current transformer have many virtues,such as response speedily,wide bandwidth ete.comparing with the traditional electromagnetic current transformer,questions such as being flammable and explosive caused by oil,the magnetism saturation and insulation between the high-voltage and low-voltage,that the electronic current transducer designed has been overcame because of the loweost,wide bandwidth.simple and practicality the electronic current transformer have greater application prospects.key words:rogowski coils;current transducer;analog integrator;a/dconversion; power supply目录摘要iabstracti第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 课题国内外研究现状及趋势11.2.1 研究趋势11.2.2国外研究现状11.2.2国内研究现状11.3毕业设计研究内容及任务11.3.2 研究内容11.3.3设计思想及设计方案1第二章 互感器原理12.1电流互感器的工作原理12.2电流互感器的工作特性12.2.1 运行时工作特性12.2.2 电流互感器测量误差及影响误差的运行因素12.2.3 电流误差（又称比差）12.2.4 角误差（角差）12.2.5 电流互感器运行工况对误差的影响12.3 电流互感器的准确级和额定容量12.3.1电流互感器的准确级12.3.2保护级电流互感器的误差曲线12.3.3电流互感器的额定容量12.4电流互感器的接线方式12.4.1 电流互感器的极性12.4.2 电流互感器的接线方式12.5电流互感器的结构类型和型号12.5.1 电流互感器的类型12.5.2 电流互感器的结构12.6 电子式电流互感器12.6.1 铁心线圈式低功耗线圈（lpct）12.6.2 rogowski线圈互感器（rct）12.6.3 有源电子式电流互感12.6.4 磁光玻璃型光学电流互感器（oct）12.6.5 光纤型光学电流互感器（foct）1第三章 基于rogowski线圈的电子电流互感器13.1 硬件部分13.1.1 一次转换器13.1.2 二次转换器13.1.3 线圈电磁干扰问题13.1.4 高压端电子线路的抗干扰问题13.2 软件部分13.2.1 高速积分13.2.2 相位修正13.2.3 通信协议管理1第四章 数值积分模拟与互感计算14.1 数值积分模拟14.1.1 matlab软件简介14.1.2 用matlab模拟数值积分14.1.3 互感系数的计算1第五章 结论1参考文献1致谢1附录一1附录二1附录三1vii沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪论互感器是输电线路中不可缺少的重要设备，其作用就是将输电线路上的高电压和大电流按比例变换成可以用仪表直接测量的标准数值，以便于用仪表直接进行测量。电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备，其精确度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。1.1 课题背景及意义传统的电流和电压的测量是通过应用电磁感应原理构成的电流互感器（ta）、电压互感器（tv）和电容分压器将电流和电压分别转换为05a 的电流信号和0100v 的电压信号来实现的。随着电力系统容量的不断增大和电网运行电压等级的提高，传统的电磁式ta 和tv 面临如下一些突出问题: 绝缘技术复杂、成本高、体积大而笨重；互感器铁心在故障状态下的饱和限制了ta 和tv 的动态响应精度；由于铁心磁饱和及磁滞回线的影响，ta的暂态输出电流严重畸变, 甚至可能严重影响电网的安全运行；ta输出端不能开路,tv可能产生铁磁谐振，出现过电压危及电气设备的运行安全1。另一方面, 已在电力系统中广泛应用的以微处理器为基础的数字继电保护装置、电网运行监视与控制系统以及发电机励磁装置等，不再需要大功率驱动，仅需5v的电压信号和a或ma级的电流信号就可以了, 即系统对互感器的参数要求发生了变化, 实质上需要的是电量传感器。在这种背景下, 新型电压和电流测量技术的研究成为电力系统中的一个热点2-6。新型互感器的开发与电子技术的发展密切相关，根据iec标准，这类依赖于电子技术、光学技术、现代信号处理技术的电压、电流变送器统称为电子式电压互感器( etv) 和电子式电流互感器（eta） 7。随着电力系统电压升高、传输容量增大，传统的电磁感应式电流互感器（电磁式ta）因其传感机理呈现出不可克服的问题8。尤其目前变电站的监视、控制、保护包括故障录波、安全控制装置等已微机数字化，而输出电流大（1或5a）的传统ta不能提供与数字系统匹配的一次部分信息数字信号输出，复杂的二次联线抵消了微机装置固有的高可靠性，而电子式互感器能够直接提供数字信号给计量保护装置，简化二次设备，提高整个系统的准确度和可靠性，有助于二次设备的系统集成，加速整个变电站的数字和信息化进程，并引发电力系统自动化装置和保护方式的重大变革9-15。工业生产中各种应用场合的被测电流信号幅值、频率差异很大, 测量装置( 如安培计、电流互感器、分流器等) 直接在电路中测量有时会因电动力、系统回路或电磁干扰等原因而暴露出各种缺陷, 于是rogowski 线圈越来越多地用来测量电流16。其优点如下：测量传感器与被测回路无直接的电气连接, 可方便地隔离测试回路与高压发生回路；测量信号频带范围宽( 几hz 到几百mhz)；测试信号幅度范围大( 几a 到数百ka)17。1.2 课题国内外研究现状及趋势1.2.1 研究趋势对于交流大电流（heavy alternate current）的测量而言，现在应用最多的方法主要有两大类，其一为传统的电磁式电流互感器，其二为电子式电流互感器18。第一类，电磁式电流互感器传统的电磁式电流互感器（简称电流互感器，current transformer）由铁芯、一次绕组和二次绕组构成。根据电磁感应定律可知，当一次侧激磁电流在铁芯中引起磁通时，二次绕组获得感应电势从而产生二次侧电流，其输出信号为电流信号（其额定值通常为 1 安培或 5 安培）。在电力发展史上，它在电力系统中的电流计量、电力分配、继电保护、控制和监视等方面起着非常关键的作用19-23。由于铁芯的影响、传统测量和保护措施的限制以及充油绝缘的采用，使得它的应用范围受到了一些限制。近年来，随着电力系统体系的日益完善和计算机技术的迅速发展，电力系统自身和用户对微机自动测量、控制和保护装置的智能化、自动化的要求越来越高，对于电力系统安全、可靠和高质量运行的要求也在不断提高，所以包括我国在内的世界各国都在努力寻找更为理想的大电流测量传感理论与方法24-25。第二类，电子式电流互感器，随着激光和集成电路的出现以及低损耗光纤的试制成功，美国、英国、日本等发达国家都把精力集中到高压电流互感器的研究与开发上，并且目前，对传感设备的小型化、模块化、多功能化、数字化和智能化的需求日渐增加，这都使得电子式电流互感器（electronic current transformer）的发展与实用化成为现实26-28。根据传感头部分是否需要电源, 电子式互感器分为有源型和无源型两大类29。无源型电子式互感器就是传感器部分没有电源供电的光电电流、电压测量装置。这种互感器利用光学元件作为传感器, 光纤既是信号传输通道, 有时又直接作为传感元件。无源型电子式互感器的种类很多, 所利用的物理效应也很多。如pockels 效应、kerr 效应、逆压电效应、磁致伸缩效应、farady 磁光效应、电热效应等类型30-33。其中利用pockels 效应测量电压, 利用farady效应测量电流的方法最直接,且装置最简单、精度高,所以应用范围最广,研究力度也最大,是最具发展潜力的无源光电互感器。有源型电子式互感器在一次侧需要电源供电,它是通过一次侧的采样传感器对电流、电压信号取样,利用有源器件调制技术,以光纤作为信号通道, 把一次侧转换的光信号传送到地面进行信号处理,还原得到被测信号。这种互感器的特点是:利用光纤系统提供的高绝缘性、抗电磁干扰强的优点, 显著地降低了电流互感器的制造成本,减少了体积和重量,充分发挥了被电力工业界广泛接受的常规电流测量装置的优势, 同时还避免了光学传感头光路的复杂性及对温度、外界振动敏感等技术难点。有源电子式互感器的特点决定了它在实用化道路上的优势, 本文介绍的就是这种传光型有源电子式互感器34-35。1.2.2国外研究现状尽管早在1894年，在 faraday 发现磁光效应 49 年之后，就有人提出用光学原理测量电流的想法，但由于受当时技术条件等原因所限，其研究仅仅局限于试验和设想阶段，直到 20 世纪 70 年代，随着半导体集成电路技术、激光技术、光纤传输和传感技术的出现，光学互感器才进入了实用化研究的时期36。特别是从 80 年代后期至今，光学传感技术在电力系统中的应用研究得到了突破性进展，取得了令人瞩目的成果，美国、日本、法国和前苏联等国先后研制出多种实用性 ovt 和 oct 样机，并在实际高压电站的长时间运行获得成功37。1988 年 11 月，ieee 学会在美国新奥尔良召开的“光纤传感器专题会议”上来自世界各国的众多专家学者报告了各自关于光学电压、电流互感器的最新研究成果，标志着光学电力互感器将从实验室走向工业现场，开始进入其发展时期38。近十年来，美国、日本和法国等技术发达国家陆续公布了他们研制的各种光学电力互感器的运行及鉴定的数据，如今 abb 公司、西门子的 500 千伏光电电流互感器，已经在我国天广线、三长线、大房线上安装运行了。lem 公司的开口式空心线圈电流测试仪也已形成系列产品39。国外20世纪60年代开始研究电子式互感器，80年代初取得了突破性进展，多种样机挂网运行成，90年代进入实用化研制阶段并逐步向高压、超高压和特高压深入。许多国家著名公司竞相研发，其最具代表性的abb公司已有72765kv全系列eta产品，测量范围503000a，以及组合式eta、etv，已用于123kv级gis40。siemens公司的激光供能型eta已经用于我国天生桥广州、徐州等地的500kv换流站。我国电子式互感器的研究始于上世纪70年代，多为实验室探索，仅少数几家挂网运行。目前电子式互感器已成为关注的焦点，研究单位越来越多41。1.2.2国内研究现状我国的光学互感器的研究始于 80 年代，国内例如清华大学、西安交通大学、电子部 26所、北京电科院、电力科学研究院、华中科技大学、福州大学、武汉高压研究所、沈阳变压器制造有限公司、顺德特种变压器厂、上海互感器厂和南瑞继保电气有限公司以及西安高压开关厂等科研院所企事业单位也在进行此类产品的研究与开发。用于测量超高压大电流电网中的强电流的电子式电流互感器42。但绝大多数处于实验室阶段，很少关于挂网运行的报道。至今见于公开报道的挂网运行仅有三家：(1)最早挂网运行的是由沈变互感器厂与四平电业局共同研制的110kv oct，于 70 年代在四平电业局挂网试运行，但后又拆除。(2) 1991 年，由清华大学和北京电科院联合研制的 110k v oct，通过国家鉴定并挂网试运行，但未见有关运行结果的报道。(3)1993 年，华中科技大学和四川理工大学电力系与广东省新会电力局合作研制出 110kv ovt 和 oct 样机，并于同年 12 月在新会电力局挂网试运行，共运行三年半时间，通过国内专家鉴定，并获得国家教委科技进步三等奖；1998 年与广东顺德特种变压器厂，广东新会电力局合作研制出带微机保护装置的三相 110kv ovt 和 oct 样机，并于同年 10 月在新会挂网试运行，共运行了两年43。总之，光学电压电流互感器的研究已经成为光纤传感技术在电力系统中应用的热点，国外许多技术发达国家都投入了大量的人力、物力和财力从事这项研究工作，我国在这方面起步较晚，与国外先进水平还有较大的差距，国外大公司已经将光电互感器市场瞄准了中国，因此，尽快使我国的光电互感器实用化、产品化，是一项非常有意义的研究课题，也是我们面临的一次机遇与挑战。1.3毕业设计研究内容及任务1.3.2 研究内容（1）基于铁心的电流式互感器电磁计算，学习并使用基本的计算方法。（2）研究rogowski线圈原理：罗氏线圈是一种空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。（3）设计一台基于rogowski线圈的电子式电流互感器，罗氏线圈电流测量系统是一种通用的电流测量系统，它对被测电流的频率、电流的大小、导体尺寸都无特殊要求，该线圈具有极佳的瞬间反应能力，可以广泛的应用在传统的电流测量装置如电流互感器无法使用的场合用于电流测量，尤其是大电流测量，一个完整的罗氏线圈电流测量系统包括一个线圈和一个积分器。（4）应用matlab等软件对基于罗氏线圈的电子式电流互感器进行模拟仿真分析。1.3.3设计思想及设计方案基于rogowski线圈的电子式电流互感器主体是一个空心线圈，待测的母线电流从线圈中心流过，在线圈中产生感应电势。由于线圈中没有铁心，其输出的电压值很小，可以直接输入微机系统，这样就形成了集数据采集、实时处理系统于一体，经由光纤输出数字信号的电子式电流互感器。其主要功能是，在高压侧利用rogowski线圈测量母线的电流信号，将线圈输出的二次电压信号经过数据采集系统采样调整后，通过光纤传输到低压侧的合并单元进行数据处理，然后发送到二次保护控制设备。一次转换器，通常要实现如下功能：信号预处理和adc转换；将转换后的数字信号，通过光纤发送到二次转换器；接收二次转换器送来的功率激光并转换为直流电压，作为一次转换器的电源；传输系统，包括功率光纤和信号光纤。图1-1 ect 原理框图二次转换器，负责给一次侧提供能量激光，接收一次侧送来的电流数字信号。因为rogowski线圈检测到的信号，是被测电流的微分值，为了还原成原始电流，需要对信号进行积分处理，这个过程就有二次侧的处理器完成。本单元还需将积分还原的信号分别以模拟方式和数字通信接口方式对外输出，数字信号通常是传送给合并单元。特别需要说明的是，在高压环境中，各单元之间通常必须采用隔离措施，但是二次转换器对外输出的模拟口却不能采用隔离，因为相关标准要求系统的传输延迟不能超过10度，也就是20ms*10/360=0.55ms。模拟隔离传输，通常在精度和速度方式都难以达到要求，另外，二次转换器通常会放置在安全地带，所以放弃隔离，但在内部设置足够的安全保护措施。数字通信接口带有隔离功能。第二章 互感器原理电流互感器是依据电磁感应原理。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成，它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。2.1电流互感器的工作原理图2-1 互感器工作原理电流互感器由闭合的铁芯和绕组组成。一次绕组的匝数较少，串接在需要测量电流的回路中，因此它经常有回路的全部电流流过；二次绕组的匝数较多，串接在测量仪表或继电保护回路里。电流互感器在工作时，它的二次回路始终是闭合的，正常工作时接近短路，并且它的一次电流与二次回路阻抗无关。当一次绕组中通过一次电流时，产生磁动势,大部分被二次电流所产生的磁动势所平衡，只有小部分磁动势（叫总磁动势）产生的磁通在二磁绕组内产生感应电动势，以负担阻抗很小的二次回路内的有功和无功损耗。在理想的电流互感器其中，如果假定空载电流，则总磁动势，根据能量守恒定律，一次绕组磁动势等于二次绕组磁动势，即：（2-1）也可写为：（2-2）电流互感器的电流与它的匝数成反比，一次电流对二次电流的比值称为电流互感器的电流比（代表电流比）。当知道二次电流时，乘上电流比就可以求出一次电流，这时二次电流的相量与一次电流的相量相差。2.2电流互感器的工作特性2.2.1 运行时工作特性（1）正常运行时，二次绕组近似于短路工作状态。（2）一次电流的大小决定于一次负载电流，与二次电流大小无关。（3）运行中的电流互感器二次回路不允许开路。否则会在开路的两端产生高电压危及人身设备安全，或使电流互感器发热。（4）正常运行时，由于二次绕组的阻抗很小，一次电流所产生的磁动势大部分被二次电流产生的磁动势所补偿，总磁通密度不大，二次绕组感应的电动势也不大，一般不会超过几十伏。当二次回路开路时，阻抗无限增大，二次电流变为零，二次绕组磁动势也变为零，而一次绕组电流又不随二次开路而变小，失去了二次绕组磁动势的补偿作用，一次磁动势很大，全部用于励磁，合成磁通突然增大很多很多倍，使铁芯的磁路高度饱和，此时一次电流全部变成了励磁电流，在二次绕组中产生很高的电动势，其峰值可达几千伏甚至上万伏，威胁人身安全或造成仪表、保护装置、互感器二次绝缘损坏。另外，由于磁路的高度饱和，使磁感应强度骤然增大，铁芯中磁滞和涡流损耗急剧上升，会引起铁芯过热甚至烧毁电流互感器。所以运行中当需要检修、校验二次仪表时，必须先将电流互感器二次绕组或回路短接，再进行拆卸操作。（5）电流互感器的一次电流变化范围很大。（6）电流互感器的结构应满足热稳定和电动稳定的要求。2.2.2 电流互感器测量误差及影响误差的运行因素实际上电流互感器工作时，要消耗一定能量（铁芯励磁，铁芯发热和磁滞损耗），因此空载电流和它所产生的总磁化力不能忽略，方程式（2-1）改为下式：（2-3）然而在设计和制造电流互感器时采取了一些减少能量损耗的措施（如增加一次安匝，增大铁芯截面，减少铁芯磁路的平均长度和采用高导磁系数的材料等），使总磁化力所占比重大大降低，结果使得导出的理想电流互感器的关系式（1-1）和式（1-2）具有实用意义。不过电流互感器所产生的能量损耗仍会在工作中反映出来，使电流互感器出现了误差，降低了准确度。二次电压对超前角（二次负荷功率因数角），超前一个角（二次总阻抗角）,铁芯磁通超前90励磁磁势对超前角（铁芯损耗角）。由式（2-3）看出：一次电流与在数值和相位上都有差异，即测量结果有误差，通常用电流误差和角误差来表示。这两种误差的定义如下。2.2.3 电流误差（又称比差）电流误差：电流互感器实际测量出来的电流与实际一次电流之差，占的百分数，即：（2-4）2.2.4 角误差（角差）角误差旋转180的二次电流与一次电流之间的夹角。规定超前于时，为正，反之为负。2.2.5 电流互感器运行工况对误差的影响由式（4-8）和式（4-9）可见，电流互感器误差与一次磁势、励磁磁势二次阻抗角及铁芯损耗角有关。影响电流互感器误差的因素除此之外还有以下因素：（1）一次电流的影响当一次电流数倍于额定电流（即发生短路时），误差随增加而加大。（2）二次负荷阻抗及功率因数对误差的影响当二次负荷功率因数角增加时，与之间的角增加，当增加时，增大，而减小。反之，减小时，减小，而增大。（3）电流互感器二次线圈开路。当即二次线圈开路，电流互感器由正常短路工作状态变为开路状态，励磁磁势由正常为数甚小的骤增为，二次侧感应出很高的电势，对人身和设备都是极有害的。由于磁感应强度骤增，铁芯损耗大增，此外，在铁芯中还会产生剩磁使互感器误差增大。会引起铁芯和绕组过热。2.3 电流互感器的准确级和额定容量2.3.1电流互感器的准确级电流互感器的测量误差，可以用其准确度级来表示。准确度级是指在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差。我国gb1208-1997规定测量用的电流互感器的测量精度有0.1、0.2、0.5、1、3、5共五个准确度级；保护用电流互感器按用途可分为稳态保护用（p）和暂态保护用（tp）两类，稳态保护用电流互感器的准确级用p来表示，常用的有5p和10p。由于短路过程中与关系复杂，故保护级的准确级是以额定准确限值一次电流下的最大复合误差来标称的（2-5）所谓额定准确限值一次电流即一次电流为额定一次电流的倍数，也称为额定准确限值系数。例如10p20表示准确级为10p，准确限值系数为20。这一准确级电流互感器在20倍额定电流下，电流互感器负荷误差不大于。保护用电流互感器准确级除p之外，还有tps、tpx、tpy、tpz、tb等等。电流互感器的电流误差，能引起所有仪表和继电器产生误差，而角误差过大，会对功率型测量仪表和继电保护装置产生不良影响。一般0.1、0.2级主要用于实验室精密测量和供电容量超过一定值的线路或用户；0.5级的可用于收费用的电能表；0.5-1级的用于发电厂、变电所的盘式仪表和技术上用的电能表；3级、5级的电流互感器用于一般的测量和某些继电保护上；5p和10p级的用于继电保护。为了继电保护整定需要制造厂提供这类保护级电流互感器10%误差曲线。2.3.2保护级电流互感器的误差曲线用于保护的电流互感器，在正常负荷范围内的准确度要求不如测量级的高，但对可能出现的短路电流范围内，要求互感器最大误差限值不超过。当一次电流为n倍一次额定电流时，电流误差达到，（2-6）称为倍数。倍数与互感器二次允许最大负荷阻抗的关系曲线 （2-7）便叫做电流互感器的误差曲线。2.3.3电流互感器的额定容量电流互感器的额定容量系指电流互感器在额定二次电流和额定二次阻抗下运行时，二次绕组输出的容量（2-8）由于电流互感器的额定二次电流为标准值（5a或1a），也为了便于计算，有的厂家提供电流互感器的值。2.4电流互感器的接线方式2.4.1 电流互感器的极性电流互感器在连接时，要注意其端子的极性，按照规定，我国互感器和变压器的绕组端子，均采用“减极性”标号法。所谓“减极性”标号法就是互感器接线时，一次绕组接上电压，二次绕组感应出电压。2.4.2 电流互感器的接线方式电流互感器的二次侧接测量仪表，继电器及各种自动装置的电流线圈。用于测量表计回路的电流互感器接线应视测量表计回路的具体要求及电流互感器的配置情况确定，用于继电保护的电流互感器接线侧应该按保护所要求的有关故障类型及保护灵敏系数的条件来确定。当测量仪表与保护装置共用同一组电流互感器时，应分别接不同的二次绕组，受条件限制需共用一个二次绕组时，保护装置应接在仪表之前，以避免校验仪表时影响保护装置工作。（1）一相式接线。电流线圈通过的电流，反映一次电路相应相的电流，通常用于负荷平衡的三相电路如低压动力线路中，供测量电流或接过负荷保护装置之用。（2）两相v形接线。在继电保护装置中，这种接线称为两相两继电器接线或两相的相电流接线。在中性点不接地的三相三线制电路中（如610k v高压电路中），广泛用于测量三相电流、电能及作过电流继电保护之用。两相v形接线的公共线上电流为，反映的是未接电流互感器那一相的相电流。（3）两相电流差接线。这种接线也称为两相交叉接线。二次侧公共线上电流为，其量值为相电流的倍。这种接线适用于中性点不接地的三相三线制电路中（如6-10kv高压电路中）供作过电流继电保护之，也称为两相一继电器接线。（4）三相星形接线。这种接线中的三个电流线圈，正好反应各相的电流，广泛用在负荷一般不平衡的三相四线制系统如tn系统中，也用在负荷可能不平衡的三相三线制系统中，作三相电流、电能测量及过电流继电保护之用。2.5电流互感器的结构类型和型号2.5.1 电流互感器的类型按安装地点可分为屋内和屋外式。20kv及以下屋内式；35kv及以上屋外式。按安装方式可分为穿墙式、支持式和装入式。按绝缘可分为干式、浇注式、油浸式等。按一次绕组匝数可分为单匝式和多匝式。单匝式分为贯穿型和母线型两种。按电流互感器的工作原理，可分为电磁式、电容式、光电式和无线电式。2.5.2 电流互感器的结构（1）电流互感器的结构原理图2-2 结构原理互感器的基本组成部分是绕组、铁芯、绝缘物和外壳。在同一回路中，要满足测量、继电保护的要求，一个回路往往需要很多的电流互感器，为了节约材料和降低投资，一台高压电流互感器常安装有相互间没有磁联系的独立的铁芯环和二次绕组，并共用一次绕组。这样可以形成变比相同、准确度级不同的多台电流互感器。电气测量对电流互感器的准确度要求较高，且要求在短路时仪表受的冲击小，因此测量用电流互感器的铁芯在一次电路短路适应易于饱和，以限制二次电流的增长倍数。而继电保护用电流互感器的铁芯则在一次电流短路时不应饱和，使二次电流能与一次短路电流成比例的增长，以适应保护灵敏度的要求。为了适应一次电流的变化和减少产品规格，常将一次绕组分成几组，通过切换接线改变一次绕组的串并联，可以获得多种电流比。单匝式的贯穿型互感器本身装有单根铜管或铜杆作为一次绕组；母线型互感器则本身未装一次绕组，而是在铁芯中流出一次绕组穿越的空隙，施工时以母线穿过空隙作为一次绕组。（2）电流互感器的结构类型1) 套管式电流互感器；2) 充油式电流互感器；3) 电容式电流互感器；4) sf6气体绝缘倒立式电流互感器；5) 穿墙式环氧电流互感器。2.6 电子式电流互感器目前智能化电流互感器主要分为低功耗线圈（lpct），rogowski线圈电流互感器（rct），光学电流互感器（oct）、光纤电流互感器（foct)。2.6.1 铁心线圈式低功耗线圈（lpct）图2-3 线圈电路图铁心线圈式低功耗线圈电流互感器作为传统电磁式电流互感器的一种改良，改善了铁心的饱和特性，扩大了测量范围，并且大大降低了功耗。与传统电磁式电流互感器i/i转换不同，它是通过一个分流电阻将二次电流转化为电压输出实线了i/v 转换。该设备由于保留的铁心结构测量精确度较高，但亦存在磁饱和等铁心互感器的固有问题。2.6.2 rogowski线圈互感器（rct）rogowski线圈互感器是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。一次电流与二次输出电压信号关系为：（2-9）其中m 为测量线圈与一次回路的互感系数。由于线圈绕制的工艺限制，严重影响测量精确度，采用印刷电路板结构rogowski线圈互感器能在一定程度上改善该问题。优点：1) 不含铁磁性材料，无磁滞效应，几乎为零的相位误差；无磁饱和现象，因而测量范围可从数安培到数百千安的电流。2) 结构简单，并且和被测电流之间没有直接的电路联系。3) 响应频带宽0.1hz1mhz。缺点：1)rogowski线圈输出信号与其结构有关，温度变化导致结构的变化影响其测量精确度。2) 测量精确度积分电路饱和性及暂态性的限制。3) 高低压绕紧邻，绝缘问题突出。4) 易受电磁干扰，在运行中传感线圈应严格屏蔽。5) 无法传变一次系统中的非周期信号（衰减的直流分量）。2.6.3 有源电子式电流互感图2-4 有源电子式电流互感器原理图综上所述，罗柯夫斯基线圈互感器具有可靠性高、测量频带宽、无饱和现象等优点，但无法保证较高的测量精度。因此在实际应用中，一般采rct+lpct的形式，其中rct 作为对可靠性要求较高，精度要求较低的保护级信号输出，lpct 作为测量计量信号输出。2.6.4 磁光玻璃型光学电流互感器（oct）磁光玻璃型（oct）是目前较为成熟的新型互感器。这方面的研究在国内外历史悠久，积累了丰富的理论及实践经验。尤其近些年来在磁光材料上的重大突破，使oct 趋于成熟。纯光型电流互感器建立在法拉第磁光效应基础上，即将磁光材质玻璃（或光纤)置于磁场中，其电子在磁场作用下在垂直于磁场平面内做左向旋转运动，当传播方向平行于该磁场的直线偏振光穿过此材料时，它的两个分量（左旋、右旋圆偏振光）产生相位差，其合成输出光的偏振面将发生偏转，其偏转角和磁场h关系为：其中：h为磁场强度；l为带磁物体长度；为磁光材料的菲尔德（verdet）常数（和磁光材料材质，入射光波长，环境温度有关）。对于特定波长的入射光，磁光材料的菲尔德（verdet）常数（）和材料材质，环境温度有关，按材料的磁化特性划分，可分为顺磁性材料（如fr5）、铁磁性材料（如yig），抗磁性材料（如zf7），其中顺磁性材料菲尔德（verdet）常数较大，其灵敏较高，在相同磁场下产生的法拉第偏角最大，易于测量，但受外界温度影响较大，不适于在户外恶劣的温度条件下工作；铁磁性材料次之抗磁性材料菲尔德（verdet）常数的温度特性则十分稳定例如fr5的“温漂”仅为但其数值非常小，在相同磁场下产生的法拉第偏角很小，难于测量，对抗振动和光源稳定性提了更为苛刻的要求。图2-5 正方形磁光玻璃传感器由以上分析可以看出，磁光玻璃材质的选择的问题上，其稳定性和灵敏性是相矛盾的。由公式可以看出，磁光玻璃型oct的灵敏度和菲尔德（verdet）常数、磁场对光路影响长度l成正比，因此对于稳定在较小数值的介质，提高l 长度可以有效的提高测量精度。目前oct 磁光玻璃传感器大多采用正方形结构，该结构利用正交反射原理，即光在正方形的的每个角经过2次反射，使偏振光p、s分量间附加相位差相互抵消。但该方案在磁场作用下光路l 较短，对于oct 的灵敏度是不利的。根据许继集团和西安同维电力调研结果，采用抗磁质正方形传感器已获得较为满意效果。如图7 所示，当一次侧通电电流为i，距其距离为d的地方磁场为：（2-10）光源经起偏器后，形成的线性偏振光在通过磁光介质（磁光玻璃或光纤）时，在该磁场的作用下偏振面偏转 偏转后的偏振光通过检偏器的部分满足马吕斯定律： (2-11)其中e为偏振光振幅，为偏振光偏振方向与检偏方向夹角。因此只需测量检偏后的光强即可计算出法拉第转角。该原理互感器直接测量偏振光震动方向偏转角度，也称偏振调制oct。磁光玻璃本身材质本身因素（如玻璃制造时不同部位冷却不均匀，介质不同部位分布不均匀，膨胀系数不均匀）会使玻璃介质内部折射率的变化，且其菲尔德（verdet）常数受温度影响大等因素则是磁光玻璃探头主要误差。目前通过褪火（将磁光玻璃加热至 后慢慢冷却）回火调制，改良磁光玻璃配方等措施已能获得光学性能稳定的玻璃介质2.6.5 光纤型光学电流互感器（foct）光纤型光学电流互感器（foct)目前较成熟的的技术为相位调制技术，该技术基于塞格奈克效应（segnac)原理，即将法拉第磁光效应产生的偏振转角调制转化为相位差的形式。光纤电流互感器由于保偏光纤本身折射率不均，线性偏振光在内为传播并非为线性偏振模式，而是双折射成沿快慢轴方向震动的o、e光合成后以线椭圆圆线的模式传播，并且受外界因素干扰大，误差大。为了将测量误差控制到最小，采用反射式“相位调制”技术是利用来回相同光路抵消光路给测量带来的误差的较好方法。光路主要由低相干光源、光探测器、保偏光纤耦合器、光纤起偏器、光纤相位调制器、保偏光纤延迟线、光纤波片和传感光纤组成。该结构的本质是利用两束光干涉的原理测量电流。如图10所示由光源发出的光经过保偏光纤耦合器后由光纤起偏器起偏变成线性偏振光。在保偏光纤的光轴上的光能保持这种偏振状态，然后经过一个45融接点进入第二段保偏光纤并发生双折射，成为等分的两束偏振光。这两个分量成为分别在两个光轴互相垂直（x和y轴）线偏振光，分别沿保偏光纤的x轴和y轴传输。在相位调制器处受到相位调制。2-6 光纤电流互感器基本机构及组成而后这两束光经过波片（偏振光与玻片光轴夹角的情况下，波片内o光、e光振幅相等且相位差为，合成后变成圆偏振光）分别转变成为左旋和右旋的圆偏振光，并进入传感光纤。由于被测电流会产生磁场和在传感光纤中的法拉第磁光效应，电磁场使与其同相的右旋光速度变化较快，与其反向的左旋光变化较慢，这两束网偏振光的相位会发生变化（），并以不同的速度传输，在反射膜端面处反射后，两束网偏振光的偏振模式互换（即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光），然后再次穿过传感光纤，使法拉第效应产生的相位加倍（）。在两束圆偏振光再次通过波片圆偏振光可视为两束振幅相同，振动方向相互垂直，相位相差的线性偏振光的合成光。当圆偏振光通过波片时，两束光相位差被附加了差值后变为或0，其合成光为线性偏振光。恢复成为线偏振光，并且原来沿保偏光纤x轴传播的光变为沿保偏光纤y轴传播。原来沿保偏光纤y轴传播的光变为沿保偏光纤x轴传播。两束线性偏振光由于振动方向垂直，在传播过程中不会发生干涉，当其通过光纤起偏器时，由于起偏器的检偏作用，两束光成为频率相同，振动方向一致，相位差恒定的线性偏振光并发生干涉加强（波峰叠加）或干涉相消（波峰、谷叠加），对其