影响电流互感器误差因素及处理方法

影响电流互感器误差因素及处理方法

【摘要】：通过对电流互感器的工作原理及误差影响因素进行分析，提出了误差控制方法，在实际设计工作中取得较好的效果。

【关键词】：电流互感器 相量图 误差 回路电阻 铁心截面积

引言：为了测量高压交流电路中流过的大电流，通常借助电流互感器，利用互感器可将大电流变成小电流，并且可将高电压回路和低压测量仪表隔离开，以满足安全的计量、继电保护、自动控制等方面的要求。

一、工作原理

电流互感器(以下简称CT)工作原理与一般变压器基本相似，主要由两个相互绝缘并且绕在同一个闭合铁心的绕组构成。一般将这两个绕组称之为一次绕在和二次绕组。CT的一次绕组串联在高压系统中，二次绕组与二次设备中的测量仪器、仪表、继电器的电流线圈相串联。

从图1-1可以看出，当一次绕在中流过时，由于电磁感应，在二次绕组中感应出电势，在二次绕组外部回路接通的情况下，就有二次电流产生。其中，N1称为一次磁动势，N2称为二次磁动势。一次磁动势与二次磁动势的相量和即为励磁磁动势：

N1+N2=N1(式1-1)

其中，是使铁心中产生主磁通所需的励磁电流，它是一次电流的一部分。上式还可以写成(式1-2)或+=(式1-3)

从图1-1还可以看出，CT的二次感应电势与二次绕组内部阻抗压降和二次端电压相平衡即：

=+(R2+jX2),V (式1-4)

式中-二次绕组感应电动势，V;

-二次绕组端电压，V;

R2-二次绕组电阻，；

X2-二次绕组漏电抗，。

其中，= (Rb+jXb),V(式1-5)

式中Rb-二次负荷电阻，；

Xb-二次负荷电抗，。

由此得出：

=[(Rb+ R2)+ j(Xb +X2)] ,V (式1-6)

由以上原理可见，励磁电流是造成CT误差的主要原因。误差可分为两种，即电流误差(比值差)和相位差(角差)。

比值差是由于实际电流比与额定电流比不相等而造成的。

电流误差的百分数可表示为：

,%(式1-7)

式中-额定电流比，A;

-实际一次电流，A;

-在测量条件下，流过时的实际二次电流，A。

角差是由于一次电流和二次电流相量的相位差。相量是以理想CT的相位差为零来决定的。

二、误差计算公式

图2-1 CT误差向量图

由图可见：

若以表示全误差，则

，%(式2-1)

由以上可推导出

比值差：

，% (式2-2)

角差：

，crad(式2-3)

将(式1-2)和(式1-3)的分子和分母同乘以N2n ，并注意到 ；，A

再令 ；，A

这里的称为实际励磁安匝，是实际励磁电流与额定一次匝数的乘积；称为实际一次安匝，是实际一次电流与额定一次匝数的乘积。

由此得出用安匝表示的误差计算公式

，% (式2-4)

，crad(式2-5)

三、误差影响因素分析及处理方法

为了更直观地看出各参数对CT误差的影响，先假定铁心的磁导率μ为常数，当铁心中的主磁通φm与二次感应电势有下述关系：

,Wb (式3-1)

式中φm - 铁心中主磁通(幅值) ,Wb；

E2- 二次感应电势(有效值)，V；

N2n- 额定二次匝数；

f- 电源频率，Hz。

又因为：

，V

式中I2 – 二次电流(有效值) ,A；

R2 – 二次绕组和二次负荷电阻 ,；

X2 – 二次绕组和二次负荷电抗 ,；

Z2 – 二次回路总阻抗 ,；

于是得出

, Wb

当磁通密度B为幅值，磁场强度H为有效值时，根据磁路定律可写出下列式子

, Wb

从而得出

, Wb (式3-2)

式中 Ac – 铁心有效截面积 ,m2；

Lc – 铁心的平均磁路长 ,m；

– 铁心材料的磁导率 ,H/m；

– 磁势，亦即励磁安匝(方均根值) ,A；

由上式可求得

，A (式3-3)

由此可得出比值差、角差计算公式

，%(式3-4)

，(式3-5)

从上述推导公式可看出：

1.铁心截面积对误差的影响

如果其他参数不变的情况下,误差与铁心截面积成反比，一般说来，增加铁心截面积时铁心的磁通密度减少，励磁电流减小，从而改善比差和角差。但实际上伴随着铁心截面积的增大，铁心的磁导率下降，铁心的平均磁路长度增长，二次绕组的内阻抗增大。所以这些都大大限制了误差的减小，甚至在某些情况下，铁心截面积的增大，不不仅不会使误差减小，反而会使误差增大，这样就白白的浪费了材料，这就要求在增大铁心截面积的同时要考虑到相互影响的其它因素。

2．铁心截面形状对误差的影响

这是因为在相同铁心截面积下，铁心愈高，平均磁路长度愈短；当铁心截面积高度与宽度相同时，每匝绕组所用的铜线最短，内阻也最小。因此我们在设计的时候通常都是选择高度和宽度相对比例关系。对于环形铁心，因为内径比外径小，绕制绕组时铁心的的宽度比高度增长快，所以一般高度为（1.5～2）宽度比较合适。这样既保证每匝绕组所用的铜线少，内阻小，而且铁心平均磁路长度不至于太长。

3.平均磁路长度对误差的影响

误差与平均磁路长度成正比。铁心的磁路长度主要取决于铁心窗口的面积，而铁心窗口的大小必须保证能装下一次和二次绕制之间的绝缘。在满足这个要求以后，应该尽可能地缩小窗口面积，缩短铁心的磁路长度。铁心的磁路长度愈小，愈省材料，这是很明显的。同时铁心的磁路长度愈小，误差也愈小，又反过来可以缩小铁心尺寸，节省材料。当互感器的安匝数很小，也就是铁心窗口面积本来就比较小时，铁心窗口的选择对平均磁路长度，也就是对互感器的误差影响更大。

4.绕组安匝数对误差的影响

误差与二次绕组匝数的平方成反比。增加线圈匝数就是增加安匝，增加安匝可以使磁通密度减小，从而改善误差。但随着二次绕组匝数的增加，二次绕组内阻抗也逐渐增大，在一定程度上有限制了误差的下降。同时随着二次绕组的增加，一次绕组也要按比例增加，这就不仅仅增加了铜线的用量、加大了绕制工艺的难度。

5.运行中的CT误差影响因素：

5.1二次负载对误差的影响：误差与二次负载成正比。实际上当二次负载

增大时，铁心的磁密增大，铁心的磁导率也略有增大，所以互感器二次负载增大，CT的误差将随之增大。

5.2二次负载的功率因数(cosφ)。φ角是二次总阻抗角α的主要组成部

分，对互感器的误差大小虽然没有影响，但有公式可见，二次负载功率因

数角φ越大，α越大，则sin(ψ+α)数值越大，比差绝对值越大；反之

cos(ψ+α)数值越小。因此，随着二次负载功率因数角φ的增大，电流互

感器比差的绝对值增大，角差减小。

6.铁心材料对误差的影响：

实际上铁磁材料的磁导率是变化的。低磁密区段，磁导率较低，随着磁密的增加，磁导率增加，当磁密增加到一定程度，磁化曲线开始弯曲，磁导率开始下降，进入饱和区段后，磁导率又降到很低。

实际上对于同样准确级的CT，如果铁心材料的磁导率增大，就可以缩小铁心的尺寸，而铁心尺寸的缩小，又会提高铁心中的磁密，提高铁心的磁导率，再反过来缩小铁心的尺寸。因此，提高铁心材料的磁性能，是缩小CT尺寸的主要途径，特别是对0.2S级效果愈显得重要。

四、结论

上述分析是建立在没有进行误差匝数补偿的基础上来分析的。如果互感器制作过程中采取了匝数补偿的话，这些规律就不正确了。分析可得知，各因素之间是相互制约的，各因素变化都要纵览全局，力求最佳效果。

参考文献

[1］肖耀荣，高祖绵.互感器原理与设计基础.辽宁：科学技术出版社，2002

[2］变压器杂志编辑委员会编.变压器导报.第一机械工业部变压器研究所，1968.5

[3] 肖耀荣，高祖绵，朱英浩.互感器原理与设计基础.辽宁：科学技术出版社。2002

[4] 肖耀荣，高祖绵，朱英浩.互感器原理与设计基础.辽宁：科学技术出版社。2