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?；ジ衅鲬?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)。