互感器工作原理及应用解析

电力系统中采用的互感器按其工作原理，可分为电磁式互感器和电容式互感器。

一、电磁式互感器工作原理

（一）电磁式电流互感器的工作原理

电力系统中广泛采用电磁式电流互感器，其工作原理如图6-3所示。

图6-3　电磁式电流互感器原理接线

1.电磁式电流互感器的工作原理

电磁式电流互感器的工作原理与变压器相似。当一次侧流过电流I·1时，在铁芯中产生交变磁通，此磁通穿过二次绕组，产生电动势，在二次回路中产生电流I·2，则电流互感器的磁动势平衡方程为

如果忽略很小的励磁电流，即I·0=0，则

如果仅考虑以额定值表示的电流数值关系，则可得出

电流互感器一、二次侧额定电流之比，称为电流互感器的额定电流比，用Ki表示，则

式中　I1N，I2N——一、二次绕组额定电流；

I1，I2——一、二次绕组工作电流；

N1，N2——一、二次绕组匝数。

由式（6-3）可知，电流互感器二次电流I2近似与一次电流I1成正比，测出二次电流，按照变比放大，即可得到一次电流的大小。

2.电磁式电流互感器的误差

电流互感器的简化相量图如图6-4所示。一次电流应等于之和，所以一次电流与相差δi角，即励磁电流导致一、二次电流在大小和相位上都出现了偏差，通常用电流误差和相角误差表示。

图6-4　电流互感器的简化相量图

（1）电流误差（又称比差）fi。电流互感器实际测量出来的电流I2乘上互感器额定电流比即KiI2与实际一次电流I1之差，占I1的百分数，即

（2）相角误差（又称角差）δi。旋转180°的二次电流与一次电流之间的夹角。规定超前于时，δi为正，反之为负。

（二）电磁式电压互感器的工作原理

电磁式电压互感器原理接线如图6-5所示。

图6-5　电磁式电压互感器原理接线(www.xing528.com)

1.电磁式电压互感器工作原理

电磁式电压互感器的工作原理与变压器相同，结构也相似，一次绕组匝数很多，而二次绕组匝数很少，相当于降压变压器。其一、二次侧电动势平衡方程式为

忽略一、二次侧绕组漏阻抗的压降，可得

因此有

式中　——一、二次绕组电压；

——一、二次绕组电动势；

Ku——电压互感器一、二次绕组匝数比。

由式（6-7）可知，电磁式电压互感器二次侧电压U2近似与一次侧电压U1成正比，测出二次侧电压，便可确定一次侧电压。

2.电磁式电压互感器的误差

由于电压互感器存在励磁电流和内阻抗，使二次电压与一次电压大小不等，相位差也不等于180°，即电压互感器测量结果呈现误差，通常用电压误差和角误差表示。

（1）电压误差（又称比值差）fu。电压误差为二次电压的测量值乘额定互感比所得一次电压的近似值（U2Ku）与实际一次电压U1之差，而以后者的百分数表示，即

（2）角误差（又称相角差）δu。角误差为旋转180°的二次电压相量与一次电压相量之间的夹角δu，并规定二次侧电压相量超前于一次侧电压相量时，角误差为正值；反之，则为负值。

二、电容式电压互感器的工作原理

电容式电压互感器原理接线如图6-6所示。

图6-6　电容式电压互感器原理接线

电容式电压互感器实质上是一个电容分压器，在被测装置的相和地之间接有电容C1和C2，按反比分压，C2上的电压为

式中　K——分压比，K=C1/（C1+C2）。

由于UC2与一次电压U1成比例变化，故可测出相对地电压。当C2两端与负荷接通时，由于C1、C2有内阻压降，使UC2小于电容分压值，负荷越大误差越大。内阻抗为

为了减小Zi，可在a、b回路中加入一补偿电抗L，则内阻抗为

当ωL=1/[ω（C1+C2）]时，输出电压UC2与负荷无关。

电容式电压互感器的误差由空载误差、负载误差和阻尼负载电流产生的误差等几部分组成，除受U1、Z2l、功率因数的影响外，还与电源频率有关，当系统频率变化超出Δf=±0.5Hz范围时，由于ωL≠1/[ω（C1+C2）]，因而会产生附加误差。