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解析互感器及其误差原因与补偿方法

作者:时间:2017-06-03来源:网络

互感器(instrument transformer)是按比例变换电压或电流的设备。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压(100V)或标准小电流(5A或1A,均指额定值),以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。同时互感器还可用来隔开高电压系统,以保证人身和设备的安全。按比例变换电压或电流的设备。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/347118.htm

结构原理


  普通结构原理:的结构较为简单,由相互绝缘的一次绕组、、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同,一次绕组的匝数(N1)较少,直接串联于电源线路中,一次负荷电流()通过一次绕组时,产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流();的匝数(N2)较多,与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路,由于一次绕组与有相等的安培匝数,I1N1=I2N2,额定电流比电流互感器实际运行中负荷阻抗很小,二次绕组接近于短路状态,相当于一个短路运行的变压器。


  穿心式电流互感器其本身结构不设一次绕组,载流(负荷电流)导线由L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的圆形(或其他形状)铁心起一次绕组作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上,与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路,由于穿心式电流互感器不设一次绕组,其变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定,穿心匝数越多,变比越小;反之,穿心匝数越少,变比越大,额定电流比:式中I1——穿心一匝时一次额定电流; n——穿心匝数。

  多抽头电流互感器。这种型号的电流互感器,一次绕组不变,在绕制二次绕组时,增加几个抽头,以获得多个不同变比。它具有一个铁心和一个匝数固定的一次绕组,其二次绕组用绝缘铜线绕在套装于铁心上的绝缘筒上,将不同变比的二次绕组抽头引出,接在接线端子座上,每个抽头设置各自的接线端子,这样就形成了多个变比,此种电流互感器的优点是可以根据负荷电流变比,调换二次接线端子的接线来改变变比,而不需要更换电流互感器,给使用提供了方便。


  不同变比电流互感器。这种型号的电流互感器具有同一个铁心和一次绕组,而二次绕组则分为两个匝数不同、各自独立的绕组,以满足同一负荷电流情况下不同变比、不同准确度等级的需要,例如在同一负荷情况下,为了保证电能计量准确,要求变比较小一些(以满足负荷电流在一次额定值的2/3左右),准确度等级高一些(如1K1.1K2为200/5.0.2级);而用电设备的继电保护,考虑到故障电流的保护系数较大,则要求变比较大一些,准确度等级可以稍低一点(如2K1.2K2为300/5.1级)。


  一次绕组可调,二次多绕组电流互感器。这种电流互感器的特点是变比量程多,而且可以变更,多见于高压电流互感器。其一次绕组分为两段,分别穿过互感器的铁心,二次绕组分为两个带抽头的、不同准确度等级的独立绕组。一次绕组与装置在互感器外侧的连接片连接,通过变更连接片的位置,使一次绕组形成串联或并联接线,从而改变一次绕组的匝数,以获得不同的变比。带抽头的二次绕组自身分为两个不同变比和不同准确度等级的绕组,随着一次绕组连接片位置的变更,一次绕组匝数相应改变,其变比也随之改变,这样就形成了多量程的变比。带抽头的二次独立绕组的不同变比和不同准确度等级,可以分别应用于电能计量、指示仪表、变送器、继电保护等,以满足各自不同的使用要求。


  组合式电流电压互感器。组合式互感器由电流互感器和电压互感器组合而成,多安装于高压计量箱、柜,用作计量电能或用作用电设备继电保护装置的电源。组合式电流电压互感器是将两台或三台电流互感器的一次、二次绕组及铁心和电压互感器的一、二次绕组及铁心,固定在钢体构架上,浸入装有变压器油的箱体内,其一、二次绕组出线均引出,接在箱体外的高、低压瓷瓶上,形成绝缘、封闭的整体。一次侧与供电线路连接,二次侧与计量装置或继电保护装置连接。根据不同的需要,组合式电流电压互感器分为V/V接线和Y/Y接线两种,以计量三相负荷平衡或不平衡时的电能。


误差测量


直流法


  用1.5~3V干电池将其正极接于互感器的一次线圈L1,L2接负极,互感器的二次侧K1接毫安表正极,负极接K2,接好线后,将K合上毫安表指针正偏,拉开后毫安表指针负偏,说明互感器接在电池正极上的端头与接在毫安表正端的端头为同极性。


  1.K1为同极性即互感器为减极性。如指针摆动与上述相反为加极性。


交流法


  补偿量如下:

  Δf=Nx/(N2-Nx)×100%

  匝数补偿


只对比差起到补偿作用,补偿量与二次负荷和电流大小无关。补偿匝数一般只有几匝,匝数补偿应计算电流低端二次阻抗最大时,和电流高端二次阻抗最小时误差。对于高精度的微型电流互感器匝数补偿那怕只补偿1匝,就会补偿过量。这时可以采用半匝或分数匝补偿。但是电流互感器的匝数是以通过铁芯窗口的封闭回路计算的,电流互感器的匝数是一匝一匝计算的,不存在半匝的情况。采用半匝或分数匝补偿必须采用辅助手段如:双绕组、双铁芯等。辅助铁芯补偿对比差、角差都起到补偿作用,但辅助铁芯补偿的方法制作工艺比较复杂。电容补偿,直接在二次绕组两端并联电容就可以。其对比差起正补偿作用,补偿大小与二次负荷Z=RiX中X分量成正比,与补偿电容大小成正比;对角差都起到负补偿,补偿大小与二次负荷Z=RiX中R分量成正比,与补偿电容大小成正比。电容补偿是一种比较理想的补偿方法。在微型精密电流互感器中,一般二次绕组直接接运放的电流/电压变换,其二次阻抗基本为0,此时电容补偿的作用就比较小。一般可以在电流/电压变换阶段增加移相电路可以解决角差问题。用户可以根据电流互感器出厂时所带的该互感器的检验报告中检验误差数据进行调整计算移相电路。


(1) 一次侧电流对误差的影响:


在互感器的运行中,当一次电流在5%~120%Ib由小递增时、铁芯中的磁通密度也在按比例,互感器的比差、角差会随电流的而减少,但比差的变化较少、而角差的变化较大。


当一次电流超过120%Ib时、运行中的互感器会产生磁饱和而引起严重的负超差。当一次电流小于5%Ib时、互感器的磁场强度h很小,磁通密度就更小,因而引起正误差。


(2) 二次负载对误差的影响:


互感器在设计制造过程中都规定了额定的上、下限负载值,也所接连的二次负载在允许范围内才能保证互感器的准确运行。互感器的误差与二次负载的大小成正比,当二次负载增大时,互感器铁芯的磁通密度也会增强,导致比、角误差向负值变化。当互感器所接二次负载小于下限定值时,误差向正超差变化。


(3) 线圈匝数对误差的影响:


互感器的误差与二次绕组匝数的平方成反比。当二次绕组的匝数时,就能减少互感器的误差,但是、随着二次绕组匝数的,二次绕组的内阻抗也逐步增大,这在程度上又限制了误差的下降。在确保互感器准确度符合要求的前题下,绕组的匝数应愈少愈好。


(4) 平均磁路长度对误差的影响:


互感器的误差与平均磁路长度成反比。铁芯磁路长度愈少,互感器的误差也就愈小,当铁芯增大、磁路加长、误差会随着。互感器应选择合适的铁芯尺寸,把磁路长度控制在规定的范围内。


(5) 铁芯截面对误差的影响:


互感器的误差与铁芯的截面积成反比。当铁芯截面积时可减少互感器的误差。上随着铁芯截面积的加大,铁芯导磁率反而下降,铁芯的平均磁路长度也随着,会导致二次线圈的内阻抗加大。、在设计制造互感器时要选择好铁芯的高度和宽度,对于叠片式铁芯、选择高度h稍大于宽度b。对于环型式铁芯、因其内径要比外径小,铁芯的选择为1.5b≤h≤2b较合适。


(6) 铁芯材料对误差的影响:


互感器的误差与铁芯的导磁率成反比。铁芯选用的材料愈好,导磁率就愈高、铁芯的尺寸就能减的愈少。要想缩小互感器的整体尺寸,选择品质优良的铁芯材料才是主要途径。


2  影响互感器误差的原因


(1) 一次电压对误差的影响:


在二次负载恒定下,一次电压的变化会对互感器的比、角差造成影响。当一次电压大于额定值时,互感器的误差将向正方向变化。


(2) 二次负载对误差的影响:


互感器的二次负载与误差成正比。当二次负载或减少时,与之有关的比、角差会发生变化,互感器的二次负戴不能超过给定准确等级的额定量为限。


(3) 绕组阻抗对误差的影响:


互感器的准确度与一次、二次绕组的阻抗成反比。当绕组的阻抗加大时,互感器的准确度随着降低。互感器的磁化电流也对准确度产生的影响。


3 互感器误差的补偿


(1)互感器误差的补偿:①匝数补偿:我们从及I1W1=I2W2=两式可知、互感器的电流与匝数成反比。如若二次绕组比额定匝数W少绕WX匝,WX要补的匝数,当匝数补偿后二次侧电流将成反比例增大而达到补偿误差的目的。②磁分路补偿:在双铁芯补偿中,只补偿匝数,虽然在10%Ib时对TA的误差能进行理想补偿。但为补偿数值的恒定,考虑磁分路的补偿、也相应减少辅助铁芯的戴面积。③磁分路短路匝补偿:互感器的角差,是在10%Ib以下时变化较大,当采用磁分路补偿时,在对互感器的比差进行补偿的也对角差起到补偿作用。


(2) 互感器误差的补偿:①减少绕组的阻抗和电抗,互感器的一、二次线圈导线截面积应按0.4~0.8A/mm2来选择。因电阻、阻抗与线圈每匝的长度成反比,为尽量缩小每匝长度、应采用园型铁芯为好。②减少互感器的误差,铁芯内的磁通密度应取小。选择优质的铁芯材料,铁芯的连接紧凑,这可减少互感器的误差和空载电流及铁芯的损耗。③为提高互感器的比差准确度,我们可适当调节一次绕组的线圈匝数。要想改进角差的准确度,我们可一次绕组的线径。当互感器的比差为负超差时,可适当减少一次绕组的匝数,使二次负载等于给定准确等级下额定容量一半时,差比值接近为零。当角差为正超差时,可适当减少一次绕组的线径(例如0.23mm2改用0.21mm2线径)。




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