电能计量课件一二

第四章互感器的结构和工作原理

第一节

电流互感器的结构和工作原理

第二节

电压互感器的结构和工作原理第三节

光电式互感器的结构和原理互感器的主要作用有：（1）将高电压变为低电压（100V），大电流变为小电流（5A）。（2）使测量二次回路与一次回路高电压和大电流实施电气隔离，以保证测量工作人员和仪表设备的安全。（3）采用互感器后可使仪表制造标准化，而不用按被测量电压高低和电流大小来设计仪表。（4）取出零序电流、电压分量供反应接地故障的继电保护装置使用。第一节电流互感器的结构和工作原理

一、电流互感器的主要技术数据二、电流互感器的结构和工作原理三、电流互感器的接线方式四、电流互感器的正确使用五、各种类型的电流互感器

一、电流互感器的主要技术数据

（－）电流互感器分类

（1）电流互感器按用途可分为两类：一是测量电流、功率和电能用的测量用互感器；二是继电保护和自动控制用的保护控制用互感器。（2）根据一次绕组匝数可分为单匝式和多匝式（3）根据安装地点可分为户内式和户外式（4）根据绝缘方式可分为干式，浇注式，油浸式等。（5）根据电流互感器工作原理可分为电磁式、光电式、电子式等电流互感器。

一、电流互感器的主要技术数据（二）电流互感器的型号规定目前，国产电流互感器型号编排方法规定如下：一、电流互感器的主要技术数据产品型号均以汉语拼音字母表示，字母含义及排列顺序见表4-l所示一、电流互感器的主要技术数据（三）电流互感器的主要参数

1．额定电流变比额定电流变比是指一次额定电流与二次额定电流之比（有时简称电流比）；额定电流比一般用不约分的分数形式表示。额定电流，就是在这个电流下，互感器可以长期运行而不会因发热损坏。当负载电流超过额定电流时，叫作过负载。2．准确度等级国产电流互感器的准确度等级有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、3.0、5.0、0.2S级及0.5S级。一、电流互感器的主要技术数据3．额定容量电流互感器的额定容量，就是额定二次电流I2e通过二次额定负载Z2e时所消耗的视在功率S2e

4．额定电压

是指一次绕组长期能够承受的最大电压（有效值），它只是说明电流互感器的绝缘强度，而和电流互感器额定容量没有任何关系。

一、电流互感器的主要技术数据

5．极性标志

（1）一次绕组首端标为L1，末端标为L2。当一次绕组带有抽头时，首端标为L1，自第一个抽头起依次标为L2，L3……（2）二次绕组首端标为K1，末端标为K2。当二次绕组带有中间抽头时，首端标为K1，自第一个抽头起以下依次标志为K2，K3……一、电流互感器的主要技术数据（3）对于具有多个二次绕组的电流互感器，应分别在各个二次绕组的出线端标志“K”前加注数字，如1K1，1K2，1K3……；2K1，2K2，2K3……（4）标志符号的排列应当使一次电流自L1端流向L2端时，二次电流自K1流出，经外部回路流回到K2。

一、电流互感器的主要技术数据二、电流互感器的结构和工作原理

（一）电流互感器的结构基本结构与普通变压器相似，由两个绕制在闭合铁芯上、彼此绝缘的绕组（一次绕组和二次绕组）所组成，其匝数分别为N1和N2，如图4-2所示。一次绕组与被测电路串联，二次绕组与各种测量仪表或继电器的电流线圈相串联。电力系统中，经常将大电流I1变为小电流I2进行测量，所以二次绕组的匝数N2多于一次绕组的匝数N1。电流互感器的二次额定电流一般为5A，也有1A和0.5A的。电流互感器在电气图中文字符号用TA表示。二、电流互感器的结构和工作原理（二）工作原理和特性

电流互感器的工作原理与普通变压器的工作原理基本相同。即理想电流互感器两侧的额定电流大小和它们的绕组匝数成反比，并且等于常数KI。

电流互感器的基本工作原理、结构型式与普通变压器相似，但是电流互感器的工作状态与普通变压器有显著的区别：二、电流互感器的结构和工作原理（1）电流互感器的一次电流（I1）取决于一次电路的电压和阻抗，与电流互感器的二次负载无关，即当二次负载变化时，例如多串几只电流表或少串几只电流表，不能改变其一次电流值的大小。（2）电流互感器二次电路所消耗的功率随二次电路阻抗的增加而增大，即S2＝I22eZb。（3）电流互感器二次电路的负载阻抗都是些内阻很小的仪表，如电流表以及电能表的电流线圈等，所以其工作状态接近于短路状态。

二、电流互感器的结构和工作原理（三）电流互感器的误差特性

电流互感器铁芯和绕组中存在损耗，所以，实际电流互感器存在着误差。图4-3是电流互感器的简化相量图二、电流互感器的结构和工作原理

由相量图4-3中得到，二次安匝数i2N2旋转180o（即-i2N2）与一次安匝数i1N1的相量相比较，其大小不等，相位也不同，即存在着两种误差，分别称为比值误差和相角误差。比值误差简称比差，用fI表示。它等于二、电流互感器的结构和工作原理相位角误差简称角差。它是旋转180o后的二次磁动势安匝数与一次磁动势安匝数之间的相位差，用δI表示

从相量图4-3中可求出比差与角差的公式因为δI很小，所以认为OB＝OC＝I1N1，其中

因为AC＝OC－OA＝I1N1－I2N2，所以

二、电流互感器的结构和工作原理电流互感器的比差与角差的大小与励磁电流I10、负载功率因数φ2、损耗角θ有关。

二、电流互感器的结构和工作原理三、三电流三互感三器的三接线三方式1．两三相星三形（V形）三连接优点三：（1）节三省导三线。（2）能三利用三接线三方法三取得第三三相电三流，三一般三为B相电三流。缺点三：（1）现三场用三单相三方法三校验三时，三由于三实际三二次三负载三与运三行时三不一三致，三有时三必须三要采三用三三相方三法（三或其三他类三似方三法）三，给三校验三工作三带来三一些三困难三。（2）由三于有三可能三其中三一相三极性三接反三，公三共线三电流三变成三差电三流，三使错三误接三线机三率相三对地三较多三一些三。三、三电流三互感三器的三接线三方式2．分三相连三接优点三是：（1）现三场用三单相三方法三校验三与实三际运三行时三负载三相同三。（2）错三误接三线机三率相三对地三少些三。缺点三是:增加三了一三根导三线。三、三电流三互感三器的三接线三方式3．三三相星三形（Y形）三连接这种三接线三方法三不允三许断三开公三开接三线，三否则三影响三计量三精度三（因三为零三序电三流没三有通三路）三。三、三电流三互感三器的三接线三方式四、三电流三互感三器的三正确三使用1．电三流互三感器三的选三择（1）额三定电三压的三选择电流三互感三器的三额定三电压三必须三满足三下列三件:Ux≤Ue（2）额定三变比三的选三择长期三通过三电流三互感三器的三最大三工作三电流三应小三于或三等于三互感三器一三次额三定电三流，三即Ix三≤I1e，但不三宜使三互感三器经三常工三作在三额定三一次三电流三的1／3以下三。（3）准三确度三等级三的选三择在发三电厂三、变三电站三、电三力用三户运三行中三的电三能计三量装三置按三其所三计量三的电三量不三同和三计量三对象三的重三要程三度分三五类三（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）进三行管三理。对Ⅰ、Ⅱ类计三量对三象互三感器三应采三用0.三2级，三对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类计三量对三象互三感器三应采三用0.三5级，0.三1级以三上互三感器三，主三要用三于实三验室三进行三精密三测量三或用三来校三验低三等级三的电三流互三感器三。四、三电流三互感三器的三正确三使用（4）额三定容三量的三选择三与计三算电流三互感三器的三额定三容量S2e＝I22eZb，Zb为互三感器三二次三额定三负载三阻抗三。接三入互三感器三的二三次负三载容三量S2应满三足0.三25三S2e≤三S2≤S2e由于三电流三互感三器二三次额三定电三流I2e已标三准化三，一三般为5A。所以三二次三负载三容量三的计三算主三要决三定于三负载三阻抗Zb的计三算。Zb包括三表计三阻抗Zm、接头三的接三触电三阻Rk（一般三取0.三01～0.三5Ω）以及三导线三电阻三。负载三阻抗三中前三二者三为确三定值三，唯三有导三线电三阻为三不定三值。三导线三的计三算长三度决三定于三测量三仪表三与电三流互三感器三的电三气距三离和三电流三互感三器的三连接三方式三。四、三电流三互感三器的三正确三使用1）分三相连三接时三二次三负载三阻抗三的计三算。导线三电阻RL前面三的系三数K称为三接线三系数三，在三这里K＝2四、三电流三互感三器的三正确三使用2）二三相星三形连三接时三二次三负载三阻抗三的计三算。从图4-三6中看三出，A相电三流互三感器三的二三次电三压为所以三电流三互感三器二三次负三载为其中K＝四、三电流三互感三器的三正确三使用3）三三相星三形连三接时三二次三负载三阻抗三的计三算。同理三分析三，可三得到Zb＝Zm＋RL＋RK其中K＝1，设三三相三电流三平衡三，所三以IN＝0四、三电流三互感三器的三正确三使用2．使三用电三流互三感器三应注三意的三问题（1）运三行中三的电三流互三感器三二次三绕组三不允三许开三路。（2）电三流互三感器三绕组三应按三减极三性连三接。（3）电三流互三感器三二次三侧应三可靠三接地三。四、三电流三互感三器的三正确三使用第二三节三电三压互三感器三的结三构和三工作三原理一、电压三互感三器的三主要三技术三数据二、工作三原理三、电压三互感三器的三正确三使用四、电压三互感三器二三次负三载的三计算一、三电压三互感三器的三主要三技术三数据（－）三电压三互感三器的三分类1．按三用途三分类按用三途分三为测三量用三电压三互感三器和三保护三用电三压互三感器三，这三两种三电压三互感三器，三又可三分为三单相三电压三互感三器和三三相三电压三互感三器。2．根三据安三装地三点分三类按安三装地三点分三为户三内型三电压三互感三器和三户外三型电三压互三感器三。3．根三据电三压变三换原三理分三类（1）电三磁式三电压三互感三器，三以电三磁感三应来三变换三电压三；（2）电三容式三电压三互感三器，三以电三容分三压来三变换三电压三；（3）光三电式三电压三互感三器，三以光三电元三件来三变换三电压三。一、三电压三互感三器的三主要三技术三数据4．根三据结三构不三同分三类（l）单三级式三电压三互感三器，三一次三绕组三和二三次绕三组均三绕在三同一三个铁三芯柱三上。（2）串三级式三电压三互感三器，三一次三绕组三分成三匝数三相同三的几三段，三各段三串联三起来三，一三端子三连接三高压三电路三，另三一端三子接三地。一、三电压三互感三器的三主要三技术三数据（二三）电三压互三感器三的型三号规三定目前三，国三产电三压互三感器三型号三编排三方法三如下三：电压三互感三器在三特殊三使用三环境三的代三号，三主要三有以三下几三种：CY一船三舶用三；GY一高三原地三区用三；W一污三秽地三区用三；AT三—干热三带地三区用三；TH一湿三热带三地区三用。一、三电压三互感三器的三主要三技术三数据电压三互感三器型三号中三的字三母，三都用三汉语三拼音三字母三表示三，字三母排三列顺三序及三其对三应符三号含三义如三表4-三3所示三。一、三电压三互感三器的三主要三技术三数据（三三）电三压互三感器三的主三要参三数1．绕三组的三额定三电压额定三一次三电压三是指三可以三长期三加在三一次三绕组三上的三电压三，三其值三应与三我国三电力三系统三规定三的“三额定三电压三”系三列相三一致三。额定三二次三电压三，我三国规三定接三在三三相系三统中三相线三与相三线之三间的三单相三电压三互感三器为10三0V，对于三接在三三相三系统三相与三地间三的单三相电三压互三感器三，为V。一、三电压三互感三器的三主要三技术三数据2．额三定电三压变三比额定三电压三变比三为额三定一三次电三压与三额定三二次三电压三之比三，一三般用三不约三分的三分数三形式三表示3．额三定二三次负三载电压三互感三器的三额定三二次三负载三，为三确定三准确三度等三级所三依据三的二三次负三载导三纳（三或阻三抗）三值。一、三电压三互感三器的三主要三技术三数据4．准三确度三等级国产三电压三互感三器的三准确三度等三级有0.三01、0.三02、0.三05、0.三1、0.三2、0.三5、1.三0、3.三0、5.三0级。用户三电能三计量三装置三通常三采用0.三2级和0.三5级电三压互三感器5．极三性标三志为了三保证三测量三及校三验工三作的三接线三正确三，电三压互三感器三一次三及二三次绕三组的三端子三应标三明极三性标三志。三电压三互感三器一三次绕三组接三线端三子用三大写三字母A、B、C、N表示三，二三次绕三组接三线端三子用三小写三字母α、b、c、n表示三。一、三电压三互感三器的三主要三技术三数据二、三工作三原理（一三）工三作原三理电压三互感三器的三工作三原理三、结三构和三接线三方式三与普三通变三压器三相似三，同三样是三由相三互绝三缘的三一次三、二三次绕三组绕三在公三共的三闭合三铁芯三上组三成，三如图4-三14所示三。其三电压三互感三器将三高电三压变三为低三电压三供电三给仪三表，三所以三它的三一次三匝数N1多，三二次三匝数N2少。三一次三绕组三与被三测电三压并三联，三二次三绕组三与各三种测三量仪三表或三继电三器的三电压三线圈三相并三联。三电压三互感三器在三电气三图中三文字三符号三用TV表示三。电压三互感三器T形等三值电三路图三和相三量图三如图4-三15和图4-三16所示二、三工作三原理电压三互感三器存三在着三比差三和角三差比差三用三表三示，三它等三于相角三差简三称角三差，三是指三一次三电压三与旋三转18三0o后二三次电三压相三量间三的相三位差三，用δU表示三，单三位为三“′”（分三）。三当旋三转后三的二三次电三压超三前于三一次三电压三相量三时，三角差三为正三值；三反之三，角三差为三负值三。Uf二、三工作三原理三、三电压三互感三器的三正确三使用1．电三压互三感器三的选三择（l）额定三电压三的选三择。三电压三互感三器的三额定三电压三是指三加在三三相三电压三互感三器一三次绕三组上三的线三电压三，选三择时三，应三满足三下式（2）准三确度三等级三的选三择。三电压三互感三器的三准确三度等三级选三择与三电流三互感三器的三准确三度等三级选三择相三同。（3）接三线方三式的三选择三。电三压互三感器三的接三线方三式有三多种三，计三量有三功电三能和三无功三电能三时，三常用三图4-三22和图4-三23两种三接线三方式三。三、三电压三互感三器的三正确三使用（4）额三定容三量的三选择三。按三照二三次负三载取三用的三总视三在功三率S选择三电压三互感三器的三额定三容量Se，公式三为0.三25三Se＜S＜Se电压三互感三器每三相的三二次三负载三并不三一定三相等三，因三此应三按最三大一三相取三用的三负载三功率三来考三虑选三择。三、三电压三互感三器的三正确三使用2．使三用电三压互三感器三应注三意的三问题为了三达到三安全三和准三确测三量的三目的三，使三用电三压互三感器三必须三注意三以下三事项三：（1）按三要求三的相三序进三行接三线，三防止三接错三极三性三，否三则将三引起三某一三相电三压升三高三倍。（2）电三压互三感器三二次三侧应三可靠三接地三，以三保证三人身三及仪三表的三安全三。（3）电三压互三感器三二次三侧严三禁短三路。三、三电压三互感三器的三正确三使用四、三电压三互感三器二三次负三载的三计算1．电三压互三感器三为V，v接线三，负三载为三三角三形接三线如图4-三24所示三，设三接于a、b间电三压互三感器三分担三的总三负载三视在三功率三为S1，且S1由Sab和Sac构成三。流三过它三们的三电流三分别三为iab和iac。又三设电三压互三感器三二次三额定三线电三压为U2e，且Uab＝Ucb＝Uac＝U2e。流过α、b间电三压互三感器三的总三电流三为I1，则为了三求出I1，可将三图4-三24三(b三)中的iab和iac分别三向三投影三，先三求出I1的有三功分三量和三无功三分量三，即四、三电压三互感三器二三次负三载的三计算将式三（4-三18）代三入式三（4-三15）便三可求三出第三一台三互感三器承三担的三总负三载视三在功三率。如果三将式三（4-三16）和三式（4-三17）等三号两三边同三乘以三二次三侧额三定电三压U2e，可三得第三一台三互感三器二三次负三载的三有功三功率三和无三功功三率分三别为四、三电压三互感三器二三次负三载的三计算如果三已知三二次三负载三的导三纳分三别为Yαb、Ycb、Yαc，则式三（4-三19）和三式（4-三20）又三可分三别表三示为第一三台互三感器三分担三的二三次负三载总三导纳三和等三效功三率因三数角三分别三为按上三述同三样分三析方三法可三求出三接于c、b间的三第二三台电三压互三感器三承担三的总三负载三视在三功率S2、总导三纳Y2和等三效功三率因三数角φ2四、三电压三互感三器二三次负三载的三计算2．互三感器三为Y，y接线三，负三载为三三角三形接三线如图4-三25所示三，设三接于a相互三感器三的有三关负三载视三在功三率为Sab和Sac，相应三的负三载电三流为iab和iac。又三设a相总三负载三电流三为ia，二四、三电压三互感三器二三次负三载的三计算a相电三压互三感器三承担三的总三负载三视在三功率三为为了三求出Ia，可将三图4-三25三(b三)中的iab和iac分别三向三投影三，先三求出Ia的有三功分三量和三无功三分量三，即四、三电压三互感三器二三次负三载的三计算将式三（4-三四、三电压三互感三器二三次负三载的三计算如果三已知三二次三负载三的导三纳分三别为Yab、Ycb、Yac，则式三（4-三30）和三式（4-三31）又三可分三别表三示为a相电三压互三感器三承担三的二三次负三载总三导纳三和等三效功三率因三数角三分别三为按上三述同三样分三析方三法可三求出b相和c相电三压互三感器三承担三的二三次负三载的三视在三功率Sb和Sc，以及三相应三的二三次负三载总三导纳Yb和Yc，等效三功率三因数三角φb和φc四、三电压三互感三器二三次负三载的三计算第三三节三光三电式三互感三器的三结构三和原三理一、光电三式电三压互三感器三（OT三V）二、光电三式电三流互三感器三（OT三A）三、组合式光电互感器（OMU）传统三电磁三式结三构的三互感三器已三暴露三出许三多缺三点，三其主三要缺三点如三下：（1）电三压等三级越三高，三其制三造工三艺越三复杂三，可三靠性三越差三，造三价越三高。（2）带三导磁三体的三铁芯三易产三生磁三饱和三及铁三磁谐三振，三且有三动态三范围三小、三使用三频带三窄等三缺陷三。自20世纪60年代三以来三，一三些科三技发三达国三家已三在研三究一三种新三型的三互感三器，三利用三光学三技术三、光三纤传三感技三术开三发研三制出三光电三式电三压互三感器三（OT三V）、光电三式电三流互三感器三（OT三A）以及三组合三式光三电互三感器三（OM三U）。它们三具有三传统三互感三器不三可比三拟的三优点三。其优三点如三下：（1）体三积小三，重三量轻三；（2）价三格低三，测三量精三度高三；（3）不三含铁三芯，三消除三了磁三饱和三及铁三磁谐三振等三问题三；（4）暂三态响三应范三围大三，频三率响三应范三围宽三；（5）抗三电磁三干扰三性能三好；（6）没三有因三充油三而产三生易三燃、三易爆三炸等三危险三；（7）便三于向三数字三化、三微机三化发三展。1．基三于电三光效三应的三电压三互感三器某些三晶体三在没三有外三电场三作用三时，三其各三向同三性，三光率三体为三一圆三球体三。在三外电三场作三用下三，导三致其三入射三光折三射率三改变三，这三种效三应就三是光三学的Po三ck三el三s效应三。其三表达三式为这种三折射三率的三变化三将使三某一三方向三入射三晶体三的偏三振光三产生三的电三光相三位延三迟，三且延三迟量三与外三加电三场强三度成三正比三。测量三光的三折射三率通三常是三通过三干涉三法进三行间三接测三量，三其基三本结三构主三要由三传感三头、三信号三传输三光纤三和测三量系三统组三成，三如图4-三28所示三。一、三光电三式电三压互三感器三（OT三V）图4-三29所示三为BG三O光纤三电压三传感三头的三工作三原理三和结三构。三它由三起偏三器、l/三4入波三片、BG三O晶体三、检三偏器三构成三。光纤三传输三的自三然光三经透三镜准三直，三由起三偏器三变成三线偏三振光三，经1/三4入波三片将三偏振三光再三变成三圆偏三振光三。由三于加三在BG三O晶体三上的三电压三或电三场的三作用三，这三个圆三偏振三光又三变成三椭圆三偏振三光，三经检三偏器三检偏三后的三光信三号，三其调三制度三相当三于交三流电三压或三电场三。因三此，三加在BG三O上的三电信三号就三可以三通过三检测三光信三号来三测量三。一、三光电三式电三压互三感器三（OT三V）2．基三于逆三压电三效应三的OT三V当压三电晶三体受三到外三加电三场作三用时三，晶三体除三了产三生极三化现三象外三，同三时形三状也三产生三微小三变化三即产三生应三变，三一、三光电三式电三压互三感器三（OT三V）这种三传感三器仅三采用三石英三晶体三作为三敏感三器件三，晶三体圆三柱表三面缠三绕椭三圆芯三双模三光纤三。当三交流三电压三施加三在晶三体上三时，三引起三晶体三的交三变形三变，三这种三形变三由椭三圆形三双模三光纤三感知三，光三纤的三两种三空间三模式三（即LP三01和LP三11）在传三播中三经过三调制三的光三学相三位差三通过三相关三干涉三法测三量得三到。一、