中压开关柜中的互感器

一、互感器概述

互感器是电力系统中一次系统和二次系统之间的联络元件，用以变换电压或电流，分别为测量仪表、保护装置和控制装置提供电压或电流信号，反映电气设备的正常运行和故障情况。电力系统中互感器有电感型、电容型、光电式等，广泛使用的是电磁式互感器，它分为电压互感器（TV）和电流互感器（TA）两种，其一次绕组接入电网，二次绕组分别与测量仪表、保护装置等相互连接，如图4.36所示。

电压互感器的一次侧（简称一次）绕组并接在高压电路中，将高电压变成低电压，二次侧（简称二次）绕组的额定电压为100 V或100/3V，所以，一次侧绕组匝数大于二次侧绕组匝数，二次侧绕组与测量仪表或继电器的电压线圈并联。电流互感器的一次侧绕组串联在一次侧电路内，将大电流变成小电流，二次侧额定电流为5 A或1 A，所以一次侧绕组匝数小于二次侧绕组匝数，二次侧绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串联。互感器性能的好坏直接影响到系统测量、计量的准确性和继电保护、自动装置动作的可靠性。此外，互感器的作用体现在以下几个方面：

① 二次设备的绝缘水平可按低压设计，使测量仪表和继电保护装置标准化、小型化、结构轻巧、价格便宜。

② 所有二次设备可用低电压、小电流的控制电缆来连接，使配电屏内布线简单、安装方便、便于集中管理，可以实现远距离控制和测量。

③ 二次回路不受一次回路的限制，接线灵活、方便。对二次设备进行维护、调换以及调整试验时，不需中断一次系统的运行，仅改变二次接线即可。

④ 使一次设备和二次设备实现电气隔离。一方面互感器二次绕组接地，保证了二次设备和人身安全。另外，二次系统不受一次系统的限制，接线灵活，维护、调试、检修方便，便于实现远距离集中控制、保护、测量。

图4.36　互感器在电力系统中的连接

二、电压互感器

1. 电压互感器工作原理

工作时，电磁式电压互感器一次绕组与一次被测电力网并联，二次绕组与二次测量仪表和继电器的电压线圈并联，如图4.37（a）所示。

电磁式电压互感器二次电压2U近似与一次电压1U成正比，测出二次电压，便可确定一次电压。

电动势平衡方程：

忽略绕组漏阻抗压降：

即

式中　uk——电压互感器的变压比，一般表示为其额定一、二次电压比。

电压互感器在电路图中的图形符号如图4.37（b）所示，文字符号用TV表示。

图4.37　电磁式电压互感器的原理图和图形符号

2. 电压互感器的电压误差和相位差

由于电压互感器存在励磁电流和内阻抗，使二次电压和一次电压大小不等，相位差也不等于180°，即电压互感器测量结果会存在误差，通常用电压误差和相位误差表示。

① 电压误差为：

② 相位差：指互感器二次侧电压相量与一次侧电压相量的相角之差，以分为单位，并规定二次侧相量超前于一次侧相量时角误差为正，反之为负。

角误差对功率型测量仪表和继电器以及反映相位的保护装置会有影响。

影响电压互感器误差的运行工况是二次负荷、功率因数和一次电压的数值等。

3. 电压互感器的特点

① 电压互感器一次绕组匝数较多，二次绕组匝数较少，使用时一次绕组与被测量电路并联，二次绕组与测量仪表或继电器等电压线圈并联。

② 由于测量仪表、继电器等电压线圈的阻抗很大，电压互感器在正常运行时二次绕组中的电流很小，一次、二次绕组中的漏阻抗压降都较小。因此，电压互感器在正常运行时相当于一个空载运行的降压变压器，其二次电压基本等于二次电动势值，且取决于一次的电压值，所以电压互感器在准确度所允许的负载范围内，能够准确地测量一次电压。

③ 二次侧所接负荷阻抗较大，正常情况下二次电流很小，电压互感器在接近于开路状态下运行，容量较小，要求有较高的安全系数。

4. 电压互感器的种类和型号

（1）电压互感器的种类

按安装地点分：户内式（35 kV电压等级以下）和户外式（35 kV及以上）。

按绝缘方式分：干式（低压）、浇注式（3～35 kV）、油浸式（35 kV及以上）和气体绝缘式等。

按绕组数分：双绕组、三绕组和四绕组式。

按相数分：单相式（35 kV及以上）和三相式（20 kV以下）。

按结构原理分：电磁式和电容式。电磁式又可分为单级式（35 kV以下）和串级式（63 kV以上）。

（2）电压互感器的型号

电压互感器的型号用汉语拼音字母表示，其中包括产品型号符号和设计序号，短斜线后为电压等级。电压互感器的型号如下：

[1][2][3][4][5]/[6]

[1] 产品名称：J—电压互感器；

[2] 相数：D—单相，S—三相；

[3] 绝缘形式：J—油浸式，G—干式，Z—树脂浇注式，Q—气体，C—油瓷绝缘，R—电容分压式；

[4] 结构形式：B—三柱带补偿绕组，W—五柱三绕组，J—接地保护；

[5] 设计序号：用数字1、2、3表示；

[6] 额定电压：单位取kV。

5. 电压互感器的接线方式

（1）单相电压互感器接线

一个单相电压互感器接入电路，如图4.38（a）所示，左侧图用于测量某相线电压，用于35 kV及以下的中性点非直接接地电网中；右侧图用于测量某相相电压，在110 kV及以上中性点有效接地系统中。为安全起见，二次绕组有一端（通常取x端）接地。

（2）V, v形接线

V, v形接线又叫不完全星形接线，如图4.38（b）所示，可以由一台高压侧无接地的三相电压互感器构成，也可以由两台单相高压侧无接地的电压互感器构成。可以用来测量三相中任意相间电压，应用于20 kV及以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中。此接线特点是接线简单、经济，缺点是不能测量相电压。

（3）一台三相三柱式电压互感器Y, yn接线

该接线方式用于测量线电压，如图4.38（c）所示。

（4）一台三相五柱式电压互感器YN, yn, d0接线

这种接线方式中互感器的一次侧、基本二次侧绕组均接成星形，且中性点接到，辅助二次侧绕组接成开口三角形。它既能测量线电压和相电压，又可以用作绝缘监察装置，广泛应用于小接地电流电网中，如图4.38（d）所示。

（5）三个单相三绕组电压互感器接成的YN, yn, d0接线

这种接线方式主要应用于3 kV及以上电网中，用于测量线电压、相电压和零序电压，如图4.38（e）所示。

图4.38　电压互感器的接线方式

6. 电压互感器的结构类型

电压互感器型式很多，其结构与变压器相似，主要由铁芯、一次绕组、二次绕组、绝缘等几个主要部分构成。

（1）浇注式电压互感器

浇注绝缘有其独特的电气性能和机械性能，防火防潮、寿命长且制造简单，该类结构广泛应用于户内35 kV及以下电压等级。如图4.39所示为浇注式JDZ-10型电压互感器外形图，该电压互感器为半封闭式结构，一、二次侧绕组同心绕在一起（二次侧绕组在内侧），连同一、二次侧引出线用环氧树脂浇注成型，并固定在底板上。浇注体下面涂有半导体漆，并与金属底板及铁芯相连以改善电场的不均匀性。

图4.39　JDZ-10浇注式单相电压互感器外形图
1—一次绕组引出端；2—二次绕组引出端；3—接地螺栓；4—铁芯；5—浇注体

（2）油浸式电压互感器

油浸式电压互感器按其结构又可分为普通式和串级式。所谓普通式就是二次绕组与一次绕组完全相互耦合，与普通变压器一样，3～35 kV电压互感器多采用普通式；串级式就是一次绕组分成匝数接近或相等的几个绕组，然后串联起来。110 kV及以上电压互感器普遍制成串级式结构，其特点是铁芯和绕组采用分级绝缘，可简化绝缘结构，减小重量和体积。

如图4.40所示为单相户内油浸式JDJ-35型电压互感器的外形结构图。电压互感器的器身固定在油箱盖上并浸在油箱内，一、二次绕组的引出线分别经固定在箱盖上的高、低压瓷套管引出。

图4.40　JDJ-35型油浸式单相电压互感器的外形结构图
1—铁芯；2—一次绕组；3—一次绕组引出端；4—二次绕组引出端及低压套管；
5—高压套管；6—油箱

如图4.41所示为单相串级JCC1-110型电压互感器结构图。电压互感器的铁芯和绕组装在充油的瓷外壳内，铁芯带电位，用支撑电木板固定在底座上。贮油柜工作时带电，一次绕组首端从贮油柜上引出，一次绕组末端和二次绕组出线端从底座引出。

图4.41　JCC1-110型单相串级式电压互感器结构图
1—贮油柜；2—瓷外套；3—上柱绕组；4—铁芯；
5—下柱绕组；6—支撑电木板；7—底座

（3）SF6气体绝缘电压互感器

SF6气体绝缘电压互感器有两种结构形式。一种是为GIS配套使用的组合式，另一种为独立式。与前者相比，后者主要是增加了高压引出线部分，它包括一次绕组高压引出线、高压瓷套等。如图4.42所示为SF6气体绝缘电压互感器结构示意图。

图4.42　SF6气体绝缘电压互感器图
1—防爆片；2—一次出线端子；3—高压引线；3—瓷套；5—器身；
6—二次出线；7—盆式绝缘子；8—外壳；9—一次绕组；
10—二次绕组；11—电屏；12—铁芯

SF6气体绝缘电压互感器的器身由一次绕组、二次绕组、辅助二次绕组和铁芯组成。低压绕组为层式结构，一次绕组为宝塔形，绕组层绝缘采用聚酯薄膜。一次绕组除在出线端有静电屏外，在超高压产品中，一次绕组的中部还设有中间屏蔽电极。铁芯内侧设有屏蔽电极以改善绕组与铁芯间的电场。

（4）电容式电压互感器

随着电力系统电压等级的增高，电磁式电压互感器的体积和重量越来越大，成本也随之增加。电容式电压互感器与电磁式电压互感器相比，具有结构简单、重量轻、体积小、成本低的优点，且电压愈高效果愈明显，电容式电压互感器的运行维护也较方便，因此广泛用于110～500 kV中性点直接接地系统中，作为电压测量、功率测量、继电防护及载波通信用。其缺点是输出容量小，误差较大时暂态特性不如电磁式电压互感器。

TYD220系列单柱叠装型电容互感器如图4.43所示。电容分压器由上、下节串联组合而成，装在瓷套管中，瓷管套内充满绝缘油；电磁单元装置由装在同一油箱中的中压互感器、补偿电抗器、保护间隙和阻尼器组成，油箱同时作为互感器的底座；二次接线盒在电磁单元装置侧面，盒内有二次端子接线板及接线标牌。

7. 电压互感器使用注意事项

① 电压互感器二次侧不得短路，电压互感器的一、二次侧都应装设熔断器；

② 电压互感器铁芯及二次绕组一端必须接地；

③ 电压互感器在接线时要注意端子极性的正确，接线时应保证一、二次绕组的首尾标号及同名端的正确；

④ 电压互感器的负载容量应不大于准确级相对应的额定容量。

图4.43　TYD220系列单柱叠装型电容式电压互感器
1—瓷套管；2—上节电容分压器；3—下节电容分压器；4—电磁单元装置；5—二次接线盒

三、电流互感器

1. 电流互感工作原理

电力系统中广泛采用电磁式电流互感器，其原理接线如图4.44（a）所示。其一次绕组串联于被测量电路内，二次绕组与二次回路串联。

图4.44　电流互感器的原理图和符号

当电流互感器一次侧流过电流1I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2I。

磁势平衡方程为：

忽略很小的励磁电流

只考虑电流数值得：

电流互感器的额定电流比：

式中　N1—— 一次侧绕组匝数；

N2——二次侧绕组匝数；

kI——电流互感器的变流比。

电流互感器在电路图中的图形符号有2种，表示如图4.44（b）所示，文字符号用TA表示。

2. 电流互感器的电流误差和相位差

由于励磁电流的存在，电流互感器有误差产生。

① 电流误差：

测量值大于实际值时，互感器幅值误差为正，反之为负。

电流误差会引起所有仪表和继电器产生误差。

② 相位差：旋转的二次侧电流相量与一次电流相量的相角之差，以分为单位，并规定二次侧相量超前于一次侧相量时角误差为正，反之为负。

角误差对功率型测量仪表和继电器以及反映相位的保护装置会有影响。

3. 电流互感器的特点

① 电流互感器的一次绕组匝数少（只有1匝或几匝）、截面面积大，串联于被测量电路内；二次绕组匝数多、截面面积小，与测量仪表和继电器的电流线圈串联。

② 电流互感器一次绕组的阻抗很小，因此将其串联在被测电路中对一次绕组的电流没有影响。一次绕组的电流是被测电路的负载电流。

③ 在正常运行中，电流互感器二次侧所接的测量仪表、继电器的电流线圈阻抗很小，通过的电流非常大，因此电流互感器在接近于短路的状态下工作。

④ 运行中的电流互感器二次侧不得开路。

运行中的电流互感器一旦二次侧开路，铁芯将处于高度饱和状态。一方面导致铁芯损耗加剧、过热而损坏互感器绝缘；另一方面导致磁通波形畸变为平顶波。

由于二次绕组感应的电动势与磁通的大小和变化率成正比，因此在磁通过零时，将产生很高的尖顶波电势，其峰值可达几千伏甚至上万伏，这将危及工作人员、二次回路及设备的安全。

此外，电流互感器二次侧开路，铁芯中的剩磁还会影响互感器的准确度。

4. 电流互感器的种类和型号

（1）电流互感器的种类

按照安装地点分为：户内式（35 kV及以下）和户外式（35 kV及以上）；

按照安装方式分为：穿墙式、支持式和装入式；

按照绝缘方式分为：干式、浇注式、油浸式、瓷绝缘、气体绝缘、电容式；

按照原绕组匝数分为：单匝式和多匝式，单匝式又分为贯穿型和母线型两种；

按用途分为：测量用和保护用。

（2）电流互感器的型号

电流互感器的型号以汉语拼音字母表示，由两部分组成，斜线以前部分包括产品型号符号和设计序号，电流互感器的型号如下：

[1][2][3][4][5]—[6]/[7][8]

[1] 产品名称：L—电流互感器；

[2] 一次绕组安装形式：A—穿墙式，B—支持式，Z—支柱式，R—装入式；

[3] 绝缘形式：Z—浇注绝缘，C—瓷绝缘，J—树脂绝缘，K—塑料外壳；

[4] 结构形式：W—户外式，M—母线式，G—改进式，Q—加强式；

[5] 设计序号：以数字1、2、3表示；

[6] 额定电压：单位为kV；

[7] 准确度等级：用数字表示；

[8] 额定电流：单位为A。

5. 电流互感器的技术参数

（1）额定电压（kV）

它指一次绕组对二次绕组和地的绝缘额定电压，它不是原绕组两端的电压，正常运行时，原绕组的电压很小。

（2）额定电流（A）

在制造厂规定的运行状态下，通过一、二次绕组的额定电流称为电流互感器的额定电流。

（3）额定电流比

电流互感器一、二次侧额定电流之比值称为电流互感器的额定电流比，也称额定互感比。

（4）额定二次负荷

额定二次负荷是指在二次电流为额定值，二次负载为额定阻抗时，二次侧输出的视在功率。通常额定二次负荷值为2.5～100 VA，共有12个额定值。同一台电流互感器在不同的准确级下工作时，有不同的额定容量和额定负载阻抗。

（5）准确级

准确级是指在规定的二次负荷范围内，一次电流为额定值时的电流误差限值。

测量用电流互感器的准确级有：0.1、0.2、0.5、1、3和5级；保护用电流互感器按用途分为稳态保护用（P）和暂态保护（TP）两类，其中稳态保护用电流互感器规定有5P和10P两种准确级。

6. 电流互感器的接线方式

（1）单相接线

电流互感器单相接线如图4.45（a）所示，主要用来测量单相负荷电流或三相系统中平衡负荷的某一相电流。它的特点是接线简单、造价低。

（2）两相V形接线

两相V形接线又称不完全星形接线，在三相系统中只需测量两相电流时使用，流过公共导线的相电流相量和等于未接入相电流的反相量，如图4.45（b）所示。特点是接线简单、较经济。在6～10 kV中性点不接地系统中应用较广泛。

图4.45　电流互感器的接线方式

（3）两相电流差接线

它通常应用于中性点不接地的过电流继电保护线路中，反映的是两相电流之差，值为相电流的3倍，如图4.45（c）所示。

（4）三相星形接线

它以三个电流互感器按星形接法接入，用来测量负荷平衡或不平衡的三相电力系统中的三相电流，如图4.45（d）所示。特点是功能全，但经济性差。

7. 电流互感器的结构类型

电流互感器的结构与双绕组变压器相似，其类型很多。按一次绕组的主绝缘不同，电流互感器可分为干式、树脂浇注式、油浸式和SF6气体绝缘式等多种。

（1）干式电流互感器

干式电流互感器按结构型式分套管式、贯穿式、母线式和支柱式。根据使用要求，可制成单变比、多变比、单个二次绕组和多个二次绕组。

干式电流互感器主要适用于户内，一、二次绕组之间及绕组与铁芯之间的绝缘介质是由绝缘纸、玻璃丝带、聚酯薄膜带等固体材料构成，并经浸渍绝缘漆烘干处理。多匝式的一次绕组和二次绕组为矩形筒式，绕在骨架上，绕组间用纸板绝缘，浸漆处理后套在叠积式铁芯上。单匝母线式采用环形铁芯，经浸漆后装在支架或装在塑料壳内，也有采用环氧混合胶浇注的。干式电流互感器结构简单、制造方便，但绝缘强度低，且受气候影响大、防火性能差，故只宜用于0.5 kV及以下低压产品。

（2）树脂浇注式电流互感器

树脂浇注式电流互感器广泛应用于10～20 kV电压等级。由合成树脂、填料、固化剂等组成的混合胶固化后形成的固体绝缘介质，具有绝缘强度高、机械性能好、防火、防潮等特点。混合胶在一定温度条件下，具有良好的流动性，可以填充细小的间隙，并可浇注成各种需要的形状。一次绕组为单匝式或母线型时，铁芯为圆环形，二次绕组均匀绕在铁芯上，一次导电杆和二次绕组均浇注成一整体。一次绕组为多匝时，铁芯多为叠积式，先将一、二次绕组浇注成一体，然后再叠装铁芯。如图4.46所示为浇注绝缘多匝贯穿式电流互感器的结构。

图4.46　浇注绝缘电流互感器结构（多匝贯穿式）
1—一次绕组；2—二次绕组；3—铁芯；4—树脂混合料

根据浇注所用树脂不同，10 kV户内浇注式电流互感器分为两种：一种是环氧树脂浇注绝缘，即采用环氧树脂和石英粉的混合胶浇注热固化成型；另一种是不饱和树脂浇注绝缘，即采用不饱和树脂浇注在常温下固化成型。这两种电流互感器的结构相似，但型号不同。

环氧树脂浇注绝缘的电流互感器，一次额定电流在400 A以下时，制成多匝式。如图4.47所示为LFZ-10、LFZJ-10型电流互感器的外形（Z—浇注绝缘；J—加大容量）。该型电流互感器为半封闭结构，一次侧绕组为多匝贯穿式，二次侧绕组绕在骨架上，二者在模具中定位后，用环氧树脂混合胶浇注成浇注体。铁芯为叠片式，插入浇注体上预留孔内，然后将铁芯和安装板夹装在浇注体上。安装板上有铭牌和安装孔等，互感器可以垂直或水平安装。一次额定电流在400～1 500 A时制成单匝式，如图4.48所示为LDZ-10、LDZJ-10型电流互感器的外形，该型电流互感器为全封闭结构，一次侧绕组为一根铜棒或铜管，铁芯为优质硅钢带卷成环形，二次绕组沿环形铁芯径向均匀绕制。每台互感器都有两个铁芯，对称地扎在金属支持件上，一次导电杆穿过铁芯在模具中定位后与二次绕组一起用环氧树脂混合胶浇注加热固化成型，浇注体装在安装板上。因为绕组和铁芯都浇注在绝缘体内，可避免受潮而降低绝缘强度。

图4.47　LFZJ-10型电流互感器外形

图4.48　LDZ-1O、LDZJ-1O型电流互感器外形

（3）油浸式电流互感器

油浸式电流互感器主要由底座（或下油箱）、器身、储油柜和瓷套等组成。瓷套是互感器的外绝缘，并兼作油的容器。为减少一次绕组出头部分漏磁所造成的结构损耗，储油柜多用铝合金铸成。

按绝缘结构不同，油浸式电流互感器可分为链型绝缘和电容型绝缘两种。63 kV以下电流互感器多采用链型绝缘结构；220 kV及以上电流互感器则主要采用电容型绝缘；110 kV的电流互感器有采用链型绝缘的，也有采用电容型绝缘的。

链型绝缘结构的一次绕组和二次绕组构成互相垂直的圆环，就像两个链环。其中，各个二次绕组分别绕在不同的圆形铁芯上，将几个二次绕组合在一起，装好支架，用电缆纸带包扎绝缘，之后再绕一次绕组，如图4.49所示。

图4.49　链形绝缘结构图
1—一次引线支架；2、4—主绝缘；3—一次绕组；5—二次绕组

正立式电容型绝缘结构的主绝缘全部都包扎在一次绕组上，若为倒立式结构，则主绝缘全部都包扎在二次绕组上。正立式结构一次绕组常采用U字形，如图4.50所示。

如图4.51所示为LCLWD3-220型电流互感器结构图。一次绕组由扁铝线弯成U字形，主绝缘采用多层电缆纸与铝箔相互交替，全部包绕在U字形的一次侧绕组上，制成电容型绝缘，铝箔形成层间电容屏，内屏与一次侧绕组连接，外屏接地，构成一个同心圆柱形的电容器串。这样，如果电容屏各层间的电容量相等，则沿主绝缘厚度的各层电压分布均匀，从而使绝缘得到充分利用，减小了绝缘的厚度。

图4.51　LCLWD3-220型电流互感器结构图
1—油箱；2—二次接线盒；3—环形铁芯及二次绕组；　
4—压圈式卡接装置；5—U形一次绕组；6—磁套；
7—均压护罩；8—贮油柜；9— 一次绕组切换装置；
10— 一次出线端子；11—呼吸器

图4.50　U字形电容型绝缘结构图
1—一次绕组；2—高压电屏；3—中间电屏；4—地电屏；5—二次绕组

（4）SF6气体绝缘电流互感器

SF6气体绝缘电流互感器适用于110 kV、50 Hz的系统中，主要用于电流、电能的测量及继电保护中。它有两种结构形式，一种是与SF6组合电器配套用的；另一种是可单独使用的，通常称为独立式SF6电流互感器，这种独立式互感器多做成倒立式结构。

SF6气体绝缘电流互感器有SAS、LVQB等系列，电压为110 kV以上。LVQB-220型SF6气体绝缘电流互感器如图4.52所示，主要由躯壳、器身、瓷套、底座、一次导电杆、二次绕组等部分组成。互感器器身固定在壳体内，置于顶部；二次绕组用绝缘件固定在壳体上，一、二次绕组间用SF6气体绝缘；壳体上方装有压力释放装置，以避免突发性事故的发生，底部一般装有SF6压力表、密度继电器及二次端子盒等。

图4.52　LVQB-220型SF6气体绝缘电流互感器外形及结构图
1—防爆片；2—壳体；3—二次绕组及屏蔽筒；4—一次绕组；5—二次出线管；6—套管7—二次端子盒；8—底座

8. 电流互感器使用注意事项

① 电流互感器在工作中二次侧不得开路。规定电流互感器二次侧不允许装设熔断器，如需拆除二次设备时，必须先用导线或短路压板将二次回路短接。

② 电流互感器二次侧有一点必须接地，防止一、二次绕组的绝缘击穿时，一次侧的高电压窜入二次侧，危及工作人员人身和二次设备的安全。

③ 电流互感器在接线时要注意其端子的极性，否则其二次仪表、继电器中流过的电流就不是预期的电流，可能引起保护的误动作、测量不准确或仪表烧坏。电流互感器的一次绕组和二次绕组之间应为减极性关系，即一次电流若从同名端流入，则二次电流应从同名端流出。在安装和使用电流互感器时，一定要注意端子的极性。

④ 电流互感器必须保证一定的准确度，电流互感器的负载阻抗不得大于与准确级相对应的额定阻抗的大小。因为若负载阻抗过大，则电流互感器的准确度不能满足要求。电流互感器一次侧的额定电流应小于或等于一次回路的负荷电流，且不宜小得太多，否则，电流互感器的准确度不能满足要求。