电流互感器原理

第二章 电流互感器原理

电流互感器是一种专门用作变换电流的特种变压器。在正常工作条件下，其二次电流实质上与一次电流成正比，而且在连接方向正确时，二次电流对一次电流的相位差接近于零。

电流互感器的工作原理示于图2?1。互感器的一次绕组串连在电力线路中，线路电流就是互感器的一次电流。互感器的二次绕组外部回路接有测量仪器、仪表或继电保护、自动控制装置。在图2?1中将这些串联的低电压装置的电流线圈阻抗以及连接线路的阻抗用一个集中的阻抗Z b 表示。当线路电流，也就是互感器的一次电流变化时，互感器的二次电流也相应变化，把线路电流变化的信息传递给测量仪器、仪表和继电保护、自动控制装置。

根据电力线路电压等级的不同，电流互感器的一、二次绕组之间设置有足够的绝缘，以保证所有低压设备与高电压相隔离。

电力线路中的电流各不相同，通过电流互感器一、二次绕

组匝数比的配置，可以将不同的线路电流变换成较小的标准电流值，一般是5A 或1A ，这样可以减小仪表和继电器的尺寸，简化其规格。所以说电流互感器的主要作用是：①给测量仪器、仪表

或继电保护、控制装置传递信息；② 使测量、保护和控制装置与高电压相隔离；③ 有利于测量仪

器、仪表和继电保护、控制装置小型化、标准化。

第一节 基本工作原理

1. 磁动势和电动势平衡方程式

从图2?1看出，当一次绕组流过电流1I &时，由于电磁感应，在二次绕组中感应出电动势，在二次

绕组外部回路接通的情况下，就有二次电流2I &流通。此时的一次磁动势为一次电流1I &与一次绕组匝数N 1的乘积11N I &，二次磁动势为二次电流2I &与二次绕组匝数N 2的乘积22N I &。根据磁动势平衡原则，一次磁动势除平衡二次磁动势外，还有极小的一部分用于铁心励磁，产生主磁通m Φ&。因此可写出磁动势平

衡方程式

102211N I N I N I &&&=+，A (2?1)

式中 1I &? 一次电流，A ；

2I &? 二次电流，A ；

0I &? 励磁电流，A ；

N 1 ? 一次绕组匝数； N 2 ? 二次绕组匝数； 式（2?1）还可写成

01

221I N N I I &&&=+，A

或者写成

021I I I &&&='+，A

(2?2)

图2?1 电流互感器工作原理图 1?一次绕组 2?铁心 3?二次绕组 4?负荷

2

在电流互感器中，通常又将电流与匝数的乘积称为安匝，11N I &称为一次安匝，22N I &称为二次安匝，

10N I &称为励磁安匝。

从图2?1还可看出，一次绕组和二次绕组都有漏磁通，分别为S1Φ&和S2

Φ&。由漏磁通感应的电势实际上就是绕组本身的电抗压降，再考虑绕组电阻压降，就可以和电压互感器一样写出电流互感器一次电动势平衡方程式

()

()1111S1R111j X R I E E E E U ++-=+--=&&&&&&，V

(2?3)

式中 1U &? 一次绕组端电压，V ；

1E &? 主磁通在一次绕组中感应出的电动势，V ；

R 1 ? 一次绕组电阻，?；

X 1 ? 一次绕组漏电抗，? 。它是由一次漏磁通S1Φ&而引起的。

电流互感器二次电动势平衡方程式为 ()2

2222j X R I U E ++=&&&，V 式中 2E &? 二次绕组感应电动势，V ； 2U &? 二次绕组端电压，V ；

R 2 ? 二次绕组电阻，?；

X 2 ? 二次绕组漏电抗，? 。它是由二次漏磁通S2Φ&而引起的。

二次端电压为

()b

b 2b 22j X R I Z I U +==&&&，V (2?4)

式中 R b ? 二次负荷电阻，?；

X b ? 二次负荷电抗，?。

电流互感器的磁动势平衡方程和电动势平衡方程与电压互感器是一样的，但是必须注意到，与线路阻抗相比，电流互感器的阻抗小到可以忽略不计，电流互感器一次电流的变化只取决于电力线路负载的变化，而与电流互感器的二次负荷无关。在一次电流已定的条件下改变电流互感器的二次负荷，为了维持磁动势平衡，二次端电压必定要相应变化以使二次电流不变。二次端电压的变化是靠二次感应电势的变化和感应此电动势的主磁通的变化而实现的，所以当二次负荷增加或降低时，铁心中的主磁通也相应增加或降低，从而一次感应电动势也增加或降低。为了维持电动势平衡，一次端电压必然要增加或降低。

在二次负荷一定的条件下，互感器的一次电流变化时，二次电流必然变化。当一次电流增加时，铁心中的主磁通增加，二次感应电动势增加使得二次电流增加，反之，若一次电流减小时，二次感应电动势减小，二次电流也相应减小。

铁心主磁通变化所需之励磁电流将依铁心材料的磁化特性曲线而变化。

简单说来，电流互感器的一次电流取决于一次线路，互感器二次负荷的变化只引起一次绕组端电压的变化，而不会引起一次电流的改变。这就是电流互感器的工作特点。所以在很多情况下可以把电流互感器看成是恒电流源。在分析电流互感器的误差特性时，我们注意的是一、二次电流的关系，而不考虑一次端电压的变化。

假如在铁心中建立主磁通不需要励磁电流，则式（2?1）变成 02211=+N I N I &&，A

从而得出

1

2

21N N I I =

(2?5)

这里的一次电流与二次电流之比称为电流比，二次匝数与一次匝数之比称为匝数比。式（2?5）说明电流互感器的电流比等于匝数比。当然这是在忽略掉很小的励磁电流的前提下成立的。将电流和匝数都用额定值表示，则额定电流比等于额定匝数比，即

n

12n 2n 1n n N N I I K ==

(2?6)

式中 K n ? 额定电流比；

I 1n 、I 2n ? 额定一次电流和额定二次电流，A ； N 1n 、N 2n ? 额定一次匝数和额定二次匝数。 2. 电流互感器的相量图和等效电路图

图2?2绘出了比较完整的电流互感器相量图。这个相量图是根据前面所述的工作原理绘出的，并将一次侧各量折算到二次侧，折算关系如下

因为在大多数情况下二次负荷是感性的，所以在图

2?2中的二次电流2I &滞后于二次绕组端电压2U &一个功率因数角?2。二次端电压2U &则滞后于二次感应电动势2E &一个角度 ?。2I &与2E &之间的相位角用 ? 表示。根据电磁感应定律，2E &滞后于主磁通m Φ&的角度为? ? 2。励磁电流

0I '&超前m Φ&一个铁心损耗角?0。

根据一次绕组电动势平衡关系，1

E '-&与一次绕组阻抗压降之和即得出一次绕组端电压1

U '&。根据磁动势平衡关系，1I '&应是0I '&与2I &-之和，所以1I '&与2I &-之间相位差

为?。

由图可见，由于0I '&的存在，2I &-的大小和相位都与1

I '&有差异，这就是说电流互感器在电流变换过程中出现了误差。

在实际工作中，我们注意的是二次电流随一次电流变化的关系，而不注意电流互感器一次绕组端电压的变化，因此常见的电流互感器相量图中通常都不绘出其一次绕组端电压相量。同样，在常见的电流互感器等效电路图中通常都不绘出其一次绕组阻抗。和绘制电压互感器的等效电路图一样，在绘制电流互感器的等效电路图时也按减极性原则，图2?3即是按此原则绘出的。

图2?4为按减极性原则绘出的电流互感器相量图。

第二节 电流互感器的分类、基本术语和端子标志

1. 电流互感器分类

图2?2 电流互感器相量图

X b

R b

图

2?3 电流互感器的等效电路图

图2?4 电流互感器相量图