解析互感器及其誤差原因與補(bǔ)償方法

互感器(instrument transformer)是按比例變換電壓或電流的設(shè)備。其功能主要是將高電壓或大電流按比例變換成標(biāo)準(zhǔn)低電壓（100V）或標(biāo)準(zhǔn)小電流（5A或1A，均指額定值），以便實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x表、保護(hù)設(shè)備及自動(dòng)控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化。同時(shí)互感器還可用來(lái)隔開高電壓系統(tǒng)，以保證人身和設(shè)備的安全。按比例變換電壓或電流的設(shè)備。

結(jié)構(gòu)原理

　　普通電流互感器結(jié)構(gòu)原理：電流互感器的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，由相互絕緣的一次繞組、二次繞組、鐵心以及構(gòu)架、殼體、接線端子等組成。其工作原理與變壓器基本相同，一次繞組的匝數(shù)(N1)較少，直接串聯(lián)于電源線路中，一次負(fù)荷電流()通過(guò)一次繞組時(shí)，產(chǎn)生的交變磁通感應(yīng)產(chǎn)生按比例減小的二次電流()；二次繞組的匝數(shù)(N2)較多，與儀表、繼電器、變送器等電流線圈的二次負(fù)荷(Z)串聯(lián)形成閉合回路，由于一次繞組與二次繞組有相等的安培匝數(shù)，I1N1=I2N2，電流互感器額定電流比電流互感器實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷阻抗很小，二次繞組接近于短路狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)短路運(yùn)行的變壓器。

　　穿心式電流互感器其本身結(jié)構(gòu)不設(shè)一次繞組，載流(負(fù)荷電流)導(dǎo)線由L1至L2穿過(guò)由硅鋼片搟卷制成的圓形(或其他形狀)鐵心起一次繞組作用。二次繞組直接均勻地纏繞在圓形鐵心上，與儀表、繼電器、變送器等電流線圈的二次負(fù)荷串聯(lián)形成閉合回路，由于穿心式電流互感器不設(shè)一次繞組，其變比根據(jù)一次繞組穿過(guò)互感器鐵心中的匝數(shù)確定，穿心匝數(shù)越多，變比越?。环粗?，穿心匝數(shù)越少，變比越大，額定電流比：式中I1——穿心一匝時(shí)一次額定電流；　n——穿心匝數(shù)。

　　多抽頭電流互感器。這種型號(hào)的電流互感器，一次繞組不變，在繞制二次繞組時(shí)，增加幾個(gè)抽頭，以獲得多個(gè)不同變比。它具有一個(gè)鐵心和一個(gè)匝數(shù)固定的一次繞組，其二次繞組用絕緣銅線繞在套裝于鐵心上的絕緣筒上，將不同變比的二次繞組抽頭引出，接在接線端子座上，每個(gè)抽頭設(shè)置各自的接線端子，這樣就形成了多個(gè)變比，此種電流互感器的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)負(fù)荷電流變比，調(diào)換二次接線端子的接線來(lái)改變變比，而不需要更換電流互感器，給使用提供了方便。

　　不同變比電流互感器。這種型號(hào)的電流互感器具有同一個(gè)鐵心和一次繞組，而二次繞組則分為兩個(gè)匝數(shù)不同、各自獨(dú)立的繞組，以滿足同一負(fù)荷電流情況下不同變比、不同準(zhǔn)確度等級(jí)的需要，例如在同一負(fù)荷情況下，為了保證電能計(jì)量準(zhǔn)確，要求變比較小一些(以滿足負(fù)荷電流在一次額定值的2/3左右)，準(zhǔn)確度等級(jí)高一些(如1K1.1K2為200/5.0.2級(jí))；而用電設(shè)備的繼電保護(hù)，考慮到故障電流的保護(hù)系數(shù)較大，則要求變比較大一些，準(zhǔn)確度等級(jí)可以稍低一點(diǎn)(如2K1.2K2為300/5.1級(jí))。

　　一次繞組可調(diào)，二次多繞組電流互感器。這種電流互感器的特點(diǎn)是變比量程多，而且可以變更，多見于高壓電流互感器。其一次繞組分為兩段，分別穿過(guò)互感器的鐵心，二次繞組分為兩個(gè)帶抽頭的、不同準(zhǔn)確度等級(jí)的獨(dú)立繞組。一次繞組與裝置在互感器外側(cè)的連接片連接，通過(guò)變更連接片的位置，使一次繞組形成串聯(lián)或并聯(lián)接線，從而改變一次繞組的匝數(shù)，以獲得不同的變比。帶抽頭的二次繞組自身分為兩個(gè)不同變比和不同準(zhǔn)確度等級(jí)的繞組，隨著一次繞組連接片位置的變更，一次繞組匝數(shù)相應(yīng)改變，其變比也隨之改變，這樣就形成了多量程的變比。帶抽頭的二次獨(dú)立繞組的不同變比和不同準(zhǔn)確度等級(jí)，可以分別應(yīng)用于電能計(jì)量、指示儀表、變送器、繼電保護(hù)等，以滿足各自不同的使用要求。

　　組合式電流電壓互感器。組合式互感器由電流互感器和電壓互感器組合而成，多安裝于高壓計(jì)量箱、柜，用作計(jì)量電能或用作用電設(shè)備繼電保護(hù)裝置的電源。組合式電流電壓互感器是將兩臺(tái)或三臺(tái)電流互感器的一次、二次繞組及鐵心和電壓互感器的一、二次繞組及鐵心，固定在鋼體構(gòu)架上，浸入裝有變壓器油的箱體內(nèi)，其一、二次繞組出線均引出，接在箱體外的高、低壓瓷瓶上，形成絕緣、封閉的整體。一次側(cè)與供電線路連接，二次側(cè)與計(jì)量裝置或繼電保護(hù)裝置連接。根據(jù)不同的需要，組合式電流電壓互感器分為V/V接線和Y/Y接線兩種，以計(jì)量三相負(fù)荷平衡或不平衡時(shí)的電能。

誤差測(cè)量

直流法

　　用1.5～3V干電池將其正極接于互感器的一次線圈L1，L2接負(fù)極，互感器的二次側(cè)K1接毫安表正極，負(fù)極接K2，接好線后，將K合上毫安表指針正偏，拉開后毫安表指針負(fù)偏，說(shuō)明互感器接在電池正極上的端頭與接在毫安表正端的端頭為同極性。

　　1.K1為同極性即互感器為減極性。如指針擺動(dòng)與上述相反為加極性。

交流法

　　補(bǔ)償量如下：

　　Δf=Nx/（N2-Nx）×100%

　　匝數(shù)補(bǔ)償

只對(duì)比差起到補(bǔ)償作用，補(bǔ)償量與二次負(fù)荷和電流大小無(wú)關(guān)。補(bǔ)償匝數(shù)一般只有幾匝，匝數(shù)補(bǔ)償應(yīng)計(jì)算電流低端二次阻抗最大時(shí)，和電流高端二次阻抗最小時(shí)誤差。對(duì)于高精度的微型電流互感器匝數(shù)補(bǔ)償那怕只補(bǔ)償1匝，就會(huì)補(bǔ)償過(guò)量。這時(shí)可以采用半匝或分?jǐn)?shù)匝補(bǔ)償。但是電流互感器的匝數(shù)是以通過(guò)鐵芯窗口的封閉回路計(jì)算的，電流互感器的匝數(shù)是一匝一匝計(jì)算的，不存在半匝的情況。采用半匝或分?jǐn)?shù)匝補(bǔ)償必須采用輔助手段如：雙繞組、雙鐵芯等。輔助鐵芯補(bǔ)償對(duì)比差、角差都起到補(bǔ)償作用，但輔助鐵芯補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ谱鞴に嚤容^復(fù)雜。電容補(bǔ)償，直接在二次繞組兩端并聯(lián)電容就可以。其對(duì)比差起正補(bǔ)償作用，補(bǔ)償大小與二次負(fù)荷Z=RiX中X分量成正比，與補(bǔ)償電容大小成正比；對(duì)角差都起到負(fù)補(bǔ)償，補(bǔ)償大小與二次負(fù)荷Z=RiX中R分量成正比，與補(bǔ)償電容大小成正比。電容補(bǔ)償是一種比較理想的補(bǔ)償方法。在微型精密電流互感器中，一般二次繞組直接接運(yùn)放的電流/電壓變換，其二次阻抗基本為0，此時(shí)電容補(bǔ)償?shù)淖饔镁捅容^小。一般可以在電流/電壓變換階段增加移相電路可以解決角差問(wèn)題。用戶可以根據(jù)電流互感器出廠時(shí)所帶的該互感器的檢驗(yàn)報(bào)告中檢驗(yàn)誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整計(jì)算移相電路。


(1)　一次側(cè)電流對(duì)誤差的影響：

在互感器的運(yùn)行中，當(dāng)一次電流在5%～120%Ib由小遞增時(shí)、鐵芯中的磁通密度也在按比例，互感器的比差、角差會(huì)隨電流的而減少，但比差的變化較少、而角差的變化較大。

當(dāng)一次電流超過(guò)120%Ib時(shí)、運(yùn)行中的互感器會(huì)產(chǎn)生磁飽和而引起嚴(yán)重的負(fù)超差。當(dāng)一次電流小于5%Ib時(shí)、互感器的磁場(chǎng)強(qiáng)度h很小，磁通密度就更小，因而引起正誤差。

(2)　二次負(fù)載對(duì)誤差的影響：

互感器在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中都規(guī)定了額定的上、下限負(fù)載值，也所接連的二次負(fù)載在允許范圍內(nèi)才能保證互感器的準(zhǔn)確運(yùn)行?；ジ衅鞯恼`差與二次負(fù)載的大小成正比，當(dāng)二次負(fù)載增大時(shí)，互感器鐵芯的磁通密度也會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致比、角誤差向負(fù)值變化。當(dāng)互感器所接二次負(fù)載小于下限定值時(shí)，誤差向正超差變化。

(3)　線圈匝數(shù)對(duì)誤差的影響：

互感器的誤差與二次繞組匝數(shù)的平方成反比。當(dāng)二次繞組的匝數(shù)時(shí)，就能減少互感器的誤差，但是、隨著二次繞組匝數(shù)的，二次繞組的內(nèi)阻抗也逐步增大，這在程度上又限制了誤差的下降。在確保互感器準(zhǔn)確度符合要求的前題下，繞組的匝數(shù)應(yīng)愈少愈好。

(4)　平均磁路長(zhǎng)度對(duì)誤差的影響：

互感器的誤差與平均磁路長(zhǎng)度成反比。鐵芯磁路長(zhǎng)度愈少，互感器的誤差也就愈小，當(dāng)鐵芯增大、磁路加長(zhǎng)、誤差會(huì)隨著。互感器應(yīng)選擇合適的鐵芯尺寸，把磁路長(zhǎng)度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

(5)　鐵芯截面對(duì)誤差的影響：

互感器的誤差與鐵芯的截面積成反比。當(dāng)鐵芯截面積時(shí)可減少互感器的誤差。上隨著鐵芯截面積的加大，鐵芯導(dǎo)磁率反而下降，鐵芯的平均磁路長(zhǎng)度也隨著，會(huì)導(dǎo)致二次線圈的內(nèi)阻抗加大。、在設(shè)計(jì)制造互感器時(shí)要選擇好鐵芯的高度和寬度，對(duì)于疊片式鐵芯、選擇高度h稍大于寬度b。對(duì)于環(huán)型式鐵芯、因其內(nèi)徑要比外徑小，鐵芯的選擇為1.5b≤h≤2b較合適。

(6)　鐵芯材料對(duì)誤差的影響：

互感器的誤差與鐵芯的導(dǎo)磁率成反比。鐵芯選用的材料愈好，導(dǎo)磁率就愈高、鐵芯的尺寸就能減的愈少。要想縮小互感器的整體尺寸，選擇品質(zhì)優(yōu)良的鐵芯材料才是主要途徑。

2　 影響互感器誤差的原因

(1)　一次電壓對(duì)誤差的影響：

在二次負(fù)載恒定下，一次電壓的變化會(huì)對(duì)互感器的比、角差造成影響。當(dāng)一次電壓大于額定值時(shí)，互感器的誤差將向正方向變化。

(2)　二次負(fù)載對(duì)誤差的影響：

互感器的二次負(fù)載與誤差成正比。當(dāng)二次負(fù)載或減少時(shí)，與之有關(guān)的比、角差會(huì)發(fā)生變化，互感器的二次負(fù)戴不能超過(guò)給定準(zhǔn)確等級(jí)的額定量為限。

(3)　繞組阻抗對(duì)誤差的影響：

互感器的準(zhǔn)確度與一次、二次繞組的阻抗成反比。當(dāng)繞組的阻抗加大時(shí)，互感器的準(zhǔn)確度隨著降低?；ジ衅鞯拇呕娏饕矊?duì)準(zhǔn)確度產(chǎn)生的影響。

3　互感器誤差的補(bǔ)償

(1)互感器誤差的補(bǔ)償：①匝數(shù)補(bǔ)償：我們從及I1W1=I2W2=兩式可知、互感器的電流與匝數(shù)成反比。如若二次繞組比額定匝數(shù)W少繞WX匝，WX要補(bǔ)的匝數(shù)，當(dāng)匝數(shù)補(bǔ)償后二次側(cè)電流將成反比例增大而達(dá)到補(bǔ)償誤差的目的。②磁分路補(bǔ)償：在雙鐵芯補(bǔ)償中，只補(bǔ)償匝數(shù)，雖然在10%Ib時(shí)對(duì)TA的誤差能進(jìn)行理想補(bǔ)償。但為補(bǔ)償數(shù)值的恒定，考慮磁分路的補(bǔ)償、也相應(yīng)減少輔助鐵芯的戴面積。③磁分路短路匝補(bǔ)償：互感器的角差，是在10%Ib以下時(shí)變化較大，當(dāng)采用磁分路補(bǔ)償時(shí)，在對(duì)互感器的比差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊矊?duì)角差起到補(bǔ)償作用。

(2)　互感器誤差的補(bǔ)償：①減少繞組的阻抗和電抗，互感器的一、二次線圈導(dǎo)線截面積應(yīng)按0.4～0.8A/mm2來(lái)選擇。因電阻、阻抗與線圈每匝的長(zhǎng)度成反比，為盡量縮小每匝長(zhǎng)度、應(yīng)采用園型鐵芯為好。②減少互感器的誤差，鐵芯內(nèi)的磁通密度應(yīng)取小。選擇優(yōu)質(zhì)的鐵芯材料，鐵芯的連接緊湊，這可減少互感器的誤差和空載電流及鐵芯的損耗。③為提高互感器的比差準(zhǔn)確度，我們可適當(dāng)調(diào)節(jié)一次繞組的線圈匝數(shù)。要想改進(jìn)角差的準(zhǔn)確度，我們可一次繞組的線徑。當(dāng)互感器的比差為負(fù)超差時(shí)，可適當(dāng)減少一次繞組的匝數(shù)，使二次負(fù)載等于給定準(zhǔn)確等級(jí)下額定容量一半時(shí)，差比值接近為零。當(dāng)角差為正超差時(shí)，可適當(dāng)減少一次繞組的線徑(例如0.23mm2改用0.21mm2線徑)。