设计电压互感器时，应选择足够截面的铁芯，并减小一次线圈的电阻和漏抗，使制造出来的电压互感器，其空载误差特性足够平坦。
第三章 电流互感器结构及工作原理
一、 电流互感器的主要技术参数
国家标准GB 1208规定，电流互感器铭牌应有型号、标准代号、设备最高电压、额定电流比，额定输出和相应的准确级，额定动热稳定电流等参数。
1. 我国规定用汉语拼音字母组成电流互感器型号，按字母排列顺序，分别表示结构类型，绝缘方式及用途。表7-1-1列出了各字母表示的内容。
表7-1-1 电流互感器型号的意义
字母排列顺序 1 2 3 4 代 号 定 义 L-电流互感器 HL-仪用电流互感器 D-贯穿式单匝 F-贯穿式复匝 M-贯穿式母线型 R-装入式 Q-线图式 C-瓷箱式 Z-支持式 Y-低压型 Z-浇注绝缘 C-瓷绝缘 W-户外装置 D-差动保护 B-过滤保护 J-接地保护或加大容量 S-速饱和 G-改进型 Q-加强型 2. 作为电流互感器性能基准的一次和二次电流分别称为额定一次和额定二次电流，额定一次电流与额定二次电流之比称为额定电流比，用不约分的分数表示。GB 1208规定额定二次电流为5A和1A。额定一次电流选择从1A到25kA的某些确定的值。为了配合宽工作范围电能表的使用，有的电流互感器从额定电流的5%直到额定电流的150%甚至200%。S级的电流互感器运行范围则从额定电流的1%直到额定电流的120%。在规定的运行范围内，互感器应能长期运行而不损坏。
3. 0.01级到1级电流互感器，正常工作室其误差值见表7-1-2内容。为了配合电能计量有效范围从50mA到6A的电能表，GB 1208还给出0.2s级和0.5s级的技术要求。S级主要用于额定一次电流为（25）、50和100A及其十进位倍数，额定二次电流为5A的互感器。表7-1-2给出的比值差和相位限值使用于电流互感器实际二次负荷为额定负荷的25%至100%范围。GB 1208还规定，二次负荷的功率因数硬是0.8（滞后）。对额定二次电流为5A，额定二次负荷为5VA的互感器，其下限负荷为2.5VA。负荷小于5VA时，允许功率因数为1.0。根据互感器的某些实际使用情况，例如与指定的二次负荷配用时额定二次电流为5A，额定负荷为10VA或5VA的互感器，其下限负荷允许为3.75VA，功率因数为0.8。
表7-1-2 电流互感器误差限值（在下列电流百分数时）
准确度 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 比值差（%） 120 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 100 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 20 0.01 0.02 0.05 0.2 0.25 5 0.02 0.04 0.1 0.4 0.75 1 — — — — — 120 0.2 0.5 2 5 10 100 0.2 0.5 2 5 10 相位差±（′） 20 0.2 0.5 2 5 15 5 0.5 0.2 4 15 30 1 — — — — — 6
0.5 1.0 1.2 0.5 0.5 1 0.2 0.5 0.5 1 0.2 0.5 0.75 1.5 0.2 0.5 1.50 2.0 0.25 0.75 — — 0.75 1.50 20 60 10 20 20 60 10 20 45 50 10 20 50 180 15 45 — — 20 50 注：（1）一次电流扩大到150%时，120~150%点的误差限值和100%点相同。
（2）如果一次电流扩大到200%时，那么120！200%点的误差限值和100%点相同。
0.1级及以上的电流互感器属于计量标准器具，用于检验低等级的电流互感器或用作电流变换器扩大仪表的测量范围。1级以下的电流互感器用于向继电保护装置及控制设备提供电流驱动信号。它们之中，5P级和10P级互感器用于常规保护，TPX、TPY、TPZ、TB级互感器用于快速保护。
4. 负荷：以欧姆和功率因数表示的二次回路阻抗。负荷通常以视在功率伏安值表示，它是二次回路在规定功率因数和额定二次电流下所汲取的。
5. 额定负荷：确定互感器准确级别所依据的负荷值。电流互感器在使用时，其二次连接导线及仪表电流线圈的总阻抗，除另有规定者外，应控制在额定负荷（伏安值或欧姆值）的1/4至1之间。
6. 电流互感器的额定输出：在额定二次电流I2e及接有额定负荷Ze的条件下，互感器所供给二次回路的视在功率值S2e（在规定功率因数下以伏安表示），即
S2e?I22eZe （7-1-1）
GB 1208规定电流互感器额定输出取5、10、20、25、30、40、50、60、80、100VA等标准值。
7. 电流互感器额定电压，是指一次线圈对二次线圈能够长期承受的最大电压（有效值），它包括外绝缘与内绝缘的耐压强度。电流互感器的额定电压一般与所在电网电压等级相同，其标准值为0.5、3、6、10、35、110、220、330、500kV，除此之外，电气化铁路有27.5kV，东北地区有66kV等额定值。
8. 动热稳定电流是衡量电流互感器承受线路故障电流能力的重要参数，GB 1208不规定动热稳定电流标准值，由用户与生产厂商协商，并根据电网短路电流决定。其中额定短时热电流以有效值表示，持续时间有1、2、3、4秒等档次，数值在10kA至45kA之间。额定动稳电流用峰值表示，数值通常是额定短时热电流的2.5倍。
9. 为了保证测量接线正确，电流互感器一次及二次绕组的出线端钮都有极性标志。GB 1208规定，一次绕组首端标记L1，末端标记L2，当一次绕组有抽头时，依次标记L1、L2、L3??。二次绕组首端标记K1，末端标记K2，当二次绕组中间有抽头时，依次标记K1、K2??。电流互感器有多个二次绕组时，各个绕组分别标记1K1，1K2，2K1，2K2??。L1和K1（或L2和K2）称为同名端。通常把标有L1和K1的出线端称为极性端。当一次电流从L1端流入一次绕组时，二次电流从K1端流出，这种极性关系称为减极性。在电路图上极性端通常用圆点或星号标记在各个绕组电路符号旁边。
二、 电流互感器的基本结构
电力系统上使用的电流互感器，除了进行电流比例变换外，还具有隔离高压回路的作用。结构上除一次线圈、二次线圈和铁芯外，还有绝缘介质。户内35kV以下的电流互感器，多数采用环氧树脂浇注绝缘，户外35kV以下的电流互感器多采用油纸绝缘。110kV以上的电流互感器在油纸绝缘层中夹入若干金属箔片，使电场分布均匀，称为电容型绝缘。近年开始使用SF6气体绝缘的电力互感器，它具有不爆燃的优点，不污染环境，获得快速推广。
电流互感器的铁芯，通常用冷轧取向硅钢片制造，沿压延方向加工，做成卷环型或叠片式。卷环型铁芯漏磁小，有利于提高准确度，叠片式铁芯的容易绕制。为了提高铁芯的初始磁导率，加工好的铁芯要进行退火处理，处理好的卷环铁芯，μ一般可达2π×10-3亨每米，如果对铁芯的μ有更高的要求，可以考虑采用铁镍合金材料。经过热处理
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的铁镍合金卷环铁芯，μ一般能达到3π×10亨每米。由于铁镍合金材料的这种优良的磁性能，它常被用来制造精密电流互感器和电流比较仪。
三、 电流互感器的工作原理
电流互感器主要由一次线圈、二次线圈及铁心所组组中通过电流I1时，则在铁心上就会存在一次磁动势次绕组的匝数）。根据电磁感应和磁动势平衡的原理，中就会产生感应电流I2，并以二次磁动势I2W2（W2的匝数）去抵消一次磁动势I1W1，在理想情况下，就磁动势平衡方程式：
I1W1+ I2W2= 0
此时的电流互感器不存在误差，所以称之为理想器。以上所述，就是电流互感器的基本工作原理。
在实际中，理想的电流互感器是不存在的。因为，
??2??1-2
??S1W1成。当一次绕I1W（1W1为一在二次绕组
??S2??0?为二次绕组存在下面的
W2的电流互感
Zb图7-1-2 电流互感器的工作原理图要使电磁感
应这一能量转换形式持续存在，就必需持续供给铁心一个激磁磁动势I0W1。所以，在实际的电流互感器中，其磁动势平衡方程式应该是：
I1W1+ I2W2= I0W1
可见，激磁磁动势的存在是电流互感器产生误差的主要原因。
图7-1-2是电流互感器的工作原理图，一次线圈W1 和二次线圈W2绕在铁芯T上，当一次线圈流过交流电流时，
?相同频率的交变磁通??（图中未画）在铁芯T中产生与?，它穿过二次线圈，使之产生感应电动势，当二次电路为11闭合回路时，就有电流流过，同时产生交变磁通??2（图中未画）。??1和??2共同作用产生合成磁通??0，它在一次和二
?和??，由??产出电流??，??的作用是在电流变换过程中将一次线圈能量传递给二次线圈。次线圈中感应出电势?02212因此??0又称为主磁通，或者叫做工作磁通。从以上分析可以知道，电流互感器的工作原理的按照电磁学中的电磁感
?产应定律进行工作。空气也有一定的导磁能力，图中不经铁芯而经空气形成闭合磁路磁通成为漏磁通。由一次电流?1?产生并仅与二次线圈交链的磁通为??。漏磁通产生的电抗在生并仅与一次线圈交链的漏磁通为??S1，由二次电流?22?为激磁电流，它在铁芯T中一方面产生工作图7-1-3中分别用x1和x2表示。图中r1、r2为一、二次线圈的电阻。?0?使铁芯磁化的作用可以等效为在一次线圈两端介入由电导g0和电纳磁通??0，另一方面，也产生磁滞和涡流损耗。?0b0组成的并联回路。这样可以得到如图7-1-3的等效电路图。图中电流互感器的铁芯及线圈可看成是理想元件。
根据图7-1-3中标明的参数，并将电流互感器的二次侧各参数都折算到一次侧，使其成为变比等于1的电流互
?与??相等，于是可简化为T型等效电路，如图7-1-4所示。图中用Z1表示感器，则依次、二次线圈的感应电势?21一次绕组的电阻与漏抗，Z1=r1+jx1。用Z′2表示二次绕组的阻抗与漏抗折算到一次侧的阻抗值，Z′2=r′2+jx′2，其中r′2、x′2 是r2和x2折算到一次侧的值，折算关系为r′2=K12r2，x′2=K12x2，而K12=W1/W2，为一次线圈与二次线圈的匝数比，二次负荷Zb折算到一次侧的值Z′b=K12Zb。另外把电导g0和电纳b0组成的并联回路改成励磁阻抗Zm表示时，Zm=1/（g0-jb0）。
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222?1?r1x1?0?r2x2?2?Rb?U1?E1g0b0?E2?U2xb图7-1-3 电流互感器等效电路
根据图7-1-4的电流互感器T形等有效电路，可列出电路方程式如下：
?????2R?b?jxb） （7-1-2） UI（2???U?????2r2??jx?2） （7-1-3） EI（22???/Z?-E?（??-gE?? （7-1-4） ?2g0?jb0）?jb0EI??-E02m202?I1??I?2??I0 （7-1-5）
I1Z1I0Z?2?U1??E1?E2ZmU?2Z?b图7-1-4 电流互感器T型等效电路
??相量，把二次回路各元件的电压降按依据上面四个等式，作出相量图如图7-1-5。现在直角坐标ox轴上作出?2?的向量关系。而??，E??落后于??90°I0一个Ψ角，也就是式（7-1-4）表示?I0与E相量相加得到E，??0又落后于?0222?I1??I0??I?2，可最后作出。
电流互感器可以认为是用电流源激励的电力设备，它的输出电压取决于二次负荷的大小。因此，使用中的电流互感器不允许二次侧开路。如果二次线圈开路，一次电流I1变成激磁电流，其数值比正常时的I0增加数百倍，铁芯中的磁通?0由正常的数十豪特斯拉剧增到饱和时的1.4到1.8特斯拉，感应电压峰值可达几千伏，危及设备与人身安全。另外，磁密太高会使铁芯严重发热，互感器容易烧坏，同时铁芯还容易产生剩磁，造成电流互感器超差。
电流互感器的主绝缘如果击穿，一次高电压就会进入二次回路，危及人身与设备安全。因此电流互感器的二次回路必须可靠接地。为了避免接地干扰，每个二次回路应该只有一个接地点。
四、 电流互感器的误差 误差产生原因
I0的存在，使实际的一次电流?I1与旋转180°并折算到一次侧的二次电流-?I?2在数值上与相位上由于激磁电流?都不相同，因而存在比值差和相位差。
比值差
用式f=（KNI2-I1）/I1计算。KN为额定电流比，I1和I2为实际一次及二次电流有效值。 相位差
I?2与一次电流相量?I1之间的相位之差。用δ表示，单位为分或厘弧度。如还把旋转180°后的二次电流相量-????I?2超前?I1，I1/?I2及ε= f +jδ，果-?相位差为正；如滞后，则相位差为负。互感器的误差还可以用复数符号表示，记为K
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δ以弧度作单位。在计算测量结果的综合误差时，复数符号法是十分有用的工具。
根据电流互感器误差的定义，可得
f =-（100I0/I1）sin（Ψ+α）（%） （7-1-6） δ=（3438 I0/I1）cos（Ψ+α）（′） （7-1-7）
上述式子表明，电流互感器的比值差，相位差与激磁电流I0和I1的比值及Ψ角大小有关，也与二次回路阻抗角α的大小有关。
电流互感器的误差除了用相量图计算外，也可以通过图7-1-4的等效电路计算。下面是计算I0/I1值的方法。 根据并联电路分流公式得到
?I0Z?x （7-1-8） ??I1（Z?x?Zm） 其中Z′x=r′2+R′b+jx′2+jX′b为二次回路总阻抗。Z′x和Zm这两个参数都可以根据线圈结构计算出来。以Zm为例，当铁芯截面积为S，平均磁路长为L，磁导率为μ，上面绕有N匝线圈，电源频率为f时，它的电感量为μSN/L，相应的交流阻抗为
Zm?2?f?SNL22
（7-1-9）
从（7-1-8）和（7-1-9）式得到
?Z?xLI0Z??x? （7-1-10） 2?I1Zm2?f?SN式（7-1-10）表明，电流互感器的原理性误差I0/I1与二次回路的总阻抗及平均磁路长成正比，与铁芯的磁导率，截面积及匝数的平方成反比。
由于引起电流互感器误差的激磁电流I0取决于铁芯结构与材料性能，以及线圈匝数及电阻。因此提高电流互感器准确度的方法之一是采用大截面卷环铁芯，采用优质硅钢片甚至铁镍合金材料，增加线圈额定安匝数，增大导线截面。同时也要考虑这些因素的相互配合，尽量减少线圈的电阻和漏抗以及匝间分布电容，减少铁芯的工作磁路长度。另一方面，还可以采用误差补偿方法，在I0/I1大体不变的情况下减少电流互感器的误差。
五、 电流互感器的误差特性 误差的电流特性
电流互感器的误差与一次电流的关系，如图7-1-8所示。在小电流区，由于铁芯磁密低（数十毫特），I0/I1的值比较大，Ψ角比较小（30°~40°），比值差偏负，相位差偏正。随着一次电流增加，铁芯磁密增加（数百毫特），此时I0/I1减小，Ψ角变大（50°~60°），比差向正方向变化，角差向负方向变化。
负荷特性
电流互感器的误差与二次负荷的关系。曲型的负荷特性曲线如图7-1-9所示，随着二次负荷的增加，式（7-1-10）中的Z?x也增加，I0/I的值增加，电流互感器的比差向负方向变化，角差向正方向变化。
当二次负荷的功率因数减少时，随着δ角增加，式（7-1-6）和（7-1-7）中的α角也增加，电流互感器的比差和角差都向负方向变化。
电流互感器的铁芯如果有剩磁，其平均磁化曲线就不再过原点，这是产生谐波失真，使比值差向负方向变化，相位差的变化方向与铁芯磁特性有关。通常情况下，铁镍合金铁芯向负方向变化，硅钢片向正方向变化。
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