1000A电流互感器的设计.docx
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1000A电流互感器的设计
沈阳化工大学
本科毕业论文
题目：
1000A测量级电流互感器的设计
院系：
信息工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气0703
学生姓名：
李宗霖
指导教师：
肇巍
论文提交日期：
2011年6月25日
论文答辩日期：
2011年6月28日
毕业设计（论文）任务书
电气工程及自动化专业
电气0703班
学生：
李宗霖
毕业设计（论文）题目：
1000测量级电流互感器设计
毕业设计（论文）内容：
电流互感器行业发展现状与趋势，电磁场基本知识，电流互感器工作原理，电流互感器产品设计流程及参数计算
毕业设计（论文）专题部分：
电流互感器产品设计。
包括一次绕组设计、二次绕组设计及误差分析计算等
起止时间：
2011年3月---2011年6月
指导教师：
签字年月日
教研主任：
签字年月日
学院院长：
签字年月日
摘要
电流互感器是电力系统中最为关键的基础设备，起到测量和保护作用，是用来测量电路中电流大小的装置。
当某一电路中的电流过大以至于不能通过仪器直接测量出来，这时在电路中电流互感器的另一侧会准确地产生成比例的小电流，这样就可以方便直接用仪器测量并记录。
电流互感器同时可以隔绝待测电路中可能出现的高电压，以便保护测量仪器。
本次设计是根据对600A电流互感器的分析，进而设计1000A测量级的电流互感器。
通过了解电流互感器的发展趋势，电磁场的基本知识，所需材料的相关参数，进行计算铁心截面积，绕线长度，平均磁路长，绕组阻抗，以及0.5准确级时对应的5%，20%，100%，120%倍额定电流及0.25倍额定电压，120%倍额定电流时所对应的磁场强度，铁损角及误差。
通过计算出的比差值和相位差与误差限制表进行对比，得到所计算的误差处在误差限制之内。
通过对1000A测量级电流互感器的设计，达到对电流互感器的深入了解，对以后从事相关行业起到重要的帮助。
关键词：
电流互感器；设计；测量
Abstract
Currenttransformeristhekeybasicinstrumentinelectricalpowersystem.Currenttransformerisusedformeasurementandprotection.Itisainstrumentusedformeasuringthecurrentinacircuit.Whencurrentinacircuitistoohightodirectlyapplytomeasuringinstruments,acurrenttransformerproducesareducedcurrentaccuratelyproportionaltothecurrentinthecircuit,whichcanbeconvenientlyconnectedtomeasuringandrecordinginstruments.Acurrenttransformeralsoisolatesthemeasuringinstrumentsfromwhatmaybeveryhighvoltageinthemonitoredcircuit.Currenttransformersarecommonlyusedinmeteringandprotectiverelaysintheelectricalpowerindustry.
Thisprojectisbasedontheanalysisofa600Acurrenttransformer,andthenmakesadesignofa1000Acurrenttransformer.Throughtheunderstandingofthedevelopmentofcurrenttransformersandthebasicknowledgeofelectromagneticfieldtogettheparametersofthematerial.Andcalculaterespondingcurrentof5%,20%,100%,120%whenitattheaccuracyof0.5,andthemagneticpowerat120%andtheerrors.Throughtheresultsoferrorsandcomparingwiththediagramwehavealreadygot.
Throughachieveaboveprojects,tomakethedesignof1000Acurrenttransformercometrue.Thesignificanceofthethisdesignofcurrenttransformeristogetamorecompletedunderstandingofit,maybeofahelpinthefuture.
Keywords:
currenttransformer;design;measure
第一章绪论
1.1本课题研究的背景意义
随着我国1000kv交流高压试验示范工程的启动，使得我国成为世界电网建设的中心。
而前不久游海啸造成的日本福岛核电站设施毁坏，导致核泄漏，使人民群众不得不对核电站感到恐慌，而最近我国南方出现了大面积的停电事件，这也对我国电力系统公司对电力系统的安全性能提出更高的要求；为了缓解供电紧张的局面，我国将在未来几年里将有一定数量的大型火力发电机组和核电项目投入建设，根据有关部门的资料显示，我国将在今后每年新建35kv-500kv变电站1160个，新增发电机组271台，并且以5%-15%的速度增长，由于作为电力输变电设备的重要的组成部分，对互感器的设计和完善也就提上了日程。
我国的电力互感器用量以8%的速度增长，2006年全国互感器产值近20个亿左右，近150家互感器制造厂在生产10kv及以上电压等级产品。
电流互感器是各种保护装置和测量仪表中的重要装置，是反应一次系统真实电流信号的接口元件，广泛应用于电力系统监控，保护，录波和测距等技术领域。
它在运行过程中能否真实反应一次电流，对继电保护装置和正确动作起着决定性的作用。
尤其是在超高压，大容量系统中，一方面由于传输容量的增大，使得一次电流迅速增加，这需要有电流互感器；另一方面，在使用电流互感器的同时还需要对电流互感器进行保护，以确保电流互感器能够正常工作，从而保证对电力系统的实时监测。
1.2我国电流互感器行业研究发展过程以及发展趋势
1.2.1我国电流互感器研究发展过程
我国互感器的整体技术水平有了更大的提高，品种日益增加。
各互感器制造厂也不断对产品进行改进和完善，我国已具有现在国际上互感器行业最高电压等级的产品制造能力。
50年代初期，互感器制造仅是按得到的样机及资料仿制，品种少、结构简单，未形成系列。
沈阳变压器厂在1953年翻译了苏联图纸，建立起仿苏的产品系列并开始试制，并于1956年试制成功仿苏220kv油浸绝缘电压互感器，1958年试制成功仿苏220kv油浸绝缘电流互感器。
自此，中国已可以制造0.5kv～220kv各种规格的电流互感器和电压互感器并形成了系列。
1958年后开始在仿制产品的基础上自行设计。
沈阳变压器厂、华通开关厂试制成功l0kv环氧树脂浇注电流互感器，取代了仿苏产品。
同时对油浸绝缘互感器进行了改型设计，形成了新的互感器系列。
60年代后，沈阳变压器研究所先后组织了多次全国统一设计，完成了0.5kv干式电流、电压互感器，l0v浇注绝缘电流、电压互感器，35kv油浸绝缘电流、电压互感器，110kv油浸绝缘电流、电压互感器新系列的设计、试制，提高了产品的技术性能，使产品更符合中国国内市场的需要。
1970年后，我国互感器的整体技术水平有了更大的提高，品种日益增加。
沈阳变压器厂先后又试制成功330kv和500kv油纸绝缘电流互感器。
西安电力电容器厂也试制成功500kv电容式电压互感器。
随着城市供电系统的发展需要，我国开始发展使用SF6组合电器。
1973年，西安高压开关厂研制的110kvSF6组合电器在湖北丹江口水电站投入运行。
与组合电器配套的110kvSF6气体绝缘电压互感器和电流互感器于1979年在上海互感器厂试制成功，以后又试制成功220kvSP6气体绝缘电压互感器和电流互感器。
为了进一步提高互感器技术水平，我国开始引进国外先进的互感器制造技术。
1979年沈阳变压器厂从法国阿尔斯通公司引进了500kv油浸绝缘电流互感器制造技术。
上海互感器厂于1984年从德国MWB公司引进了72.5kv-500kvSP6气体绝缘互感器制造技术，又从瑞士BBC公司引进了l0kv-35kv浇注绝缘互感器制造技术。
之后，天津互感器厂、沈阳互感器厂、江西互感器厂等先后从国外引进了浇注绝缘互感器制造技术，北京互感器厂还引进了西门子油浸绝缘互感器制造技术。
1993年，上海互感器厂与德国MWB公司合资，成立了上海MWB互感器有限公司。
引进的72.5kv～750kv独立式SF6气体互感器制造技术，在国内制造并于1995年投入运行。
2000年，上海互感器厂与传奇集团（TRENCH）扩大合资，引进瑞士HAEFELY35kv～550kv油浸绝缘电流互感器、油浸绝缘电压互感器、电容式电压互感器、套管及电抗器制造技术。
1964年，我国制定了第一个互感器产品的专业标准JB572～575-1964，但它只是在苏联国家标准FOCT基础上作了少量改动、翻译而成。
1975年根据我国电力系统的发展需要互感器行业的实际技术水平，对专业标准JB572-575-1964作了修改后上升为国家标准GBl207-1975《电压互感器》和GBl208-1975《电流互感器》。
1986年对国家标准进行较大幅度更改，修订为国家标准GBl207-1986《电压互感器》和GBl208-1987《电流互感器》，等效采用了IEC标准185、186。
1997年又对国家标准进行大幅度更改，修订为国家标准GBl207-1997《电压互感器》和GBl208-97《电流互感器》，等同采用了IEC标准IECl85：
1987和IEC186：
1987。
互感器制造业的发展历程是从零星制造到专业化生产直至大规模生产，产品质量多年来也不断提高，基本上达到了互感器产品质量分等标准要求。
70年代末至80年代初，互感器行业进行过三次规模较大的行业质量检查，对互感器行业的生产企业分批进行了质量抽查，促进了各企业产品质量和管理水平的提高。
科研工作是每个行业产品技术进步、产品质量提高的根本。
在我国互感器制造业形成规模数量后，鉴于标准的不断提高，以及产品在制造、运行中发生的质量问题，有针对性地开展科研工作就显得特别重要。
沈变所曾组织行业力量对行业共存的难题不断进行研究、攻关。
先后对浇注绝缘互感器的局部放电、油浸绝缘互感器产品的局部放电、内部含水量、含气量及介损等影响互感器质量的因素，通过集中行业力量分析其产生原因、防止方法及探索检测段等，经过多年的研究和实践，取得了较大收获，研制了局部放电专用的测试仪器。
有的生产企业已把它与计算机配套使用，但精确计算及定量、定位测量尚待进一步研究。
对于互感器的误差测试，国外已普遍使用自动检测、显示及输出装置，我国曾引进过样。
有些单位也自行研制了数据自动显示及输出装置，并已有专业制造单位，为组建互感器生产线提供了适用的测试手段。
目前，这些装置已在大多数互感器专业制造厂广泛得到使用。
原沈阳变压器厂在500kv电流互感器研制过程中，着重地作了研究并提出了设计和制造方法。
目前，上海MWB互感器有限公司通过引进国外技术也已掌握了设计、制造保证暂态特性的电流互感器的技术，并能设计、制造发电机保护用保证暂态特性的大电流互感器。
1997年我国颁布实施了等同采用IEC44-6：
1992标准的国家标准GBl6847-1997《保护用电流互感器暂态特性技术要求》。
变电所从1970年就开始研究光电式互感器，以后在清华大学、四平电业局的积极协作下，1979年研制出第一台样机。
90年代后，新一代的光电式互感器又引起重视。
不少制造厂及大专院校相继研制、开发了光电式互感器，也有一些投入试运行。
但终因国内元器件性能较差、不稳定，暂时处于重新拟定方案的状态。
当前，国际上正在开发新型原理、结构的低阻抗互感器（即LOPO），其结构简单、产品体积小、性能稳定、造价低廉，可望在不久的将来会成为互感器新的品种，也会对电力系统的发展起到一定的推动作用。
总之，回顾40多年的我国互感器发展史，可以说国内互感器行业通过几个阶段的发展已在国际上处于领先地位[1]。
1.2.2发展趋势
目前的发展趋势是：
电力设计部门采用高速差动保护，减少继电保护装置功率消耗，采用新原理保护装置，以适应电流互感器暂态性能或降低对电流互感器暂态性能的要求。
互感器制造厂商与电力用户商制定合理的电流互感器使用技术条件，生产不同的铁心型式和规格的产品，供电力设计部门选用，保证发电机组继电保护装置的正确动作。
针对电力系统的发展趋势可以预测：
在不久的将来，传统型的CT将逐步地淡出电力系统，新型实用的互感器将取而代之。
但是，新型的技术发展到成熟阶段总需要一定的时间。
传统型电流互感器就经历了数百年的发展，而基于Faraday磁光效应的新型光电电流互感器才出现了几十年，在很多方面还不完善。
全光型电流互感器实现的最大困难是其本身的光学系统折射效应会随环境因素变化而变化，从而影响整个系统的精度和稳定性。
其根本原因在于光纤的线性双折射效应对测量结果的影响：
降低系统灵敏度、可靠性和稳定性，使测量结果与被测电流在光路内的位置有关等。
研究表明：
光纤的线性双折射效应可分为内在和外在两类。
内在线性双折射是由于制备光纤过程中引入的光纤不完备性引起的，诸如纤芯的非圆度和光纤内部非对称性应力等；而外在线性双折射则由光纤的弯曲、环境温度、压力、振动等外部非对称性横向压力引起。
可见，产生线性双折射效应的原因是复杂的、多方面的，要建立起完善的光纤线性双折射效应的表达式，克服线性双折射效应的影响是非常困难的[2]-[5]。
1.3课题的主要研究工作
本次毕业设计是设计1000A/5A电流互感器，对此不仅要理解电流互感器的基本原理，也要对电场和磁场的关系进行深入的理解。
而且还要准确计算出在0.5准确级时所对应的误差计算,并且对所测得出的数据进行误差分析。
第二章电流互感器的理论
2.1电磁场的基本概念
电磁场，electromagneticfield，是有内在联系，相互依存的电场与磁场的统一体和总称。
随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。
电磁场可以由变速运动的带电粒子引起，也可以由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。
电磁场是电磁作用的媒介物，具有能量和动量，是物质存在的一种型式。
电磁场的性质，特征及其运动变化规律是有麦克斯韦方程组确定。
2.2电与磁的关系
从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。
电与磁可说是一体两面，变动的电会产生磁，变动的磁则会产生电。
2.3电流互感器的基本原理
2.3.1电流互感器的用途，分类
电流互感器的用途，在正常条件下使用时，二次电流实质上与一次电流成正比；而在正确接线时，二次电流对一次电流的相位差接近于零的互感器叫做电流互感器。
电流互感器的一次绕组串联在回路里，二次绕组要经过某些负荷（测量仪表和继电器）而闭合，并保证通过的负荷电流与一次绕组的电流成正比。
通过图2.1来具体说明CT的应用。
图2.1为一台电流互感器的应用接线示意图。
二次绕组是测量用绕组，接至保护继电器。
当电力线路正常工作时，二次电流不大，继电器不会动作，其常开触点是打开的，断路器的跳闸线圈没有电流，断路器处于接通状态。
互感器的线路发生短路或严重过载，就有很大的电流经过CT的一次绕组，二次电流也将增加许多，当二次电流增加到等于或大于继电器的动作电流时，继电器动作将常开触点接通，断路器跳闸线圈跳过电流，跳闸机构动作，断路器跳闸。
将故障线路从电力系统中切断。
值得注意的是，CT在运行中如果二次不接负荷，则必须可靠地短接，决不允许开路，因为二次没有电流，一次安匝全部用来励磁。
图2.1CT的应用
图2.2二次开路时的磁通和电动势波形
电流互感器的分类
⑴.按用途分
①测量用电流互感器
在测量交变电流的大电流时,为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A或1A），另外线路上的电压都比较高，如果直接测量是非常危险的。
电流互感器就起到变流和电气隔离作用。
它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。
②保护用电流互感器
保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。
保护用微型电流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。
保护用互感器主要要求：
a.绝缘可靠
b.足够大的准确限值系数
c.足够的热稳定性和动稳定性
保护用电流互感器分为：
a.过负荷保护电流互感器
b.差动保护电流互感器
c.接地保护电流互感器
⑵.装置种类分
①户内式，即只能安装于户内的电流互感器，其额定电压一般不高于35kv。
②户外式，即可以在户外安装使用的电流互感器，电压一般在35kv以上。
⑶.按绝缘介质分，可以分：
油绝缘，浇注绝缘，一般干式绝缘，瓷绝缘，气体绝缘等。
⑷.按结构形式分，可分为：
支柱式，母线式，套管式，正立式，倒立式[6]。
2.3.2电流互感器的工作原理
在供电用电的线路中电流电压大大小小相差悬殊从几安到几万安都有。
为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。
电流互感器就起到变流和电气隔离作用。
较早前，显示仪表大部分是指针式的电流电压表，所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的（如5A等）。
现在的电量测量大多数字化，而计算机的采样的信号一般为毫安级（0-5V、4-20mA等）。
微型电流互感器二次电流为毫安级，主要起到互感器与采样之间的桥梁作用。
微型电流互感器也有人称之为“仪用电流互感器”。
微型电流互感器与变压器类似，也是根据电磁感应原理工作，变压器变换的是电压而微型电流互感器变换的是电流罢了。
额定的二次电流标准电流值为1A和5A，以5A为优先值，这样可以减少仪表和继电器的尺寸，也可以简化其规格，有利于仪表和继电器的小型化，标准化。
因此电流互感器的主要作用是：
a.传递信息给测量仪表或保护控制装置：
b.使测量和保护与高压电力线路相隔离；
c.有利于仪表和保护继电器的小型化，标准化。
图2.3电流互感器的工作原理
图2.4电流互感器的等效电路图
2.3.3电流互感器的电与磁的关系
在图2.3中，当电流I1流过互感器的一次绕组时，建立一次磁动势，I1与一次绕组匝数N1的乘积就是一次磁动势，也称一次安匝。
一次磁动势分为两部分，其中一小部分用来励磁，使铁心中产生磁通；另一部分用来平衡二次磁动势。
二次磁动势也称为二次安匝，是二次电流I2与二次绕组匝数N2的乘积。
用以励磁的里此次董事也可称为励磁安匝，等于励磁电流I0与一次绕组匝数N1的乘积，用于平衡二次磁动势的这一部分的一次磁动势，其大小与二次磁动势相等，但是方向相反，具体的磁动势平衡可用下列公式说明：
（2-1）
式中I1，I2，I0--二次电流和励磁电流的相量（A），如用复数表示既可表示大小还可表示相位;
N1，N2——二次绕组匝数;
如果忽略很小的励磁安匝，并且只考虑一、二次电流大小之间的关系
式可简写为:
（2-2）
若以额定值表示:
（2-3）
额定一次电流与额定二次电流之比称为电流互感器的额定电流比,用KN表示：
（2-4）
图2.5电流互感器的向量图
但在实际工程设计中，这一小部分的励磁电流是不能忽略不计的，现在我们讨论电流互感器的相量图，图2.5中给出了较为完整的电流互感器的相量图，这个相量图为一次侧各量折算到二次侧后所得的相量图，折算关系如下:
（2-5）
（2-6）
（2-7）
（2-8）
（2-9）
（2-10）
根据现有的电工知识可以知道，励磁电流I0在铁心中建立起主磁通，这个磁通同时穿过一次和二次绕组的全部线匝，故称为主磁通φ0。
铁心材料有磁滞和涡流损耗，励磁电流中有一部分是供给这些损耗所必需的，称之为有功分量;另一部分是用励磁的，称之为无功分量;这两个分量的相量和才是I0，所以励电流与主磁通相差一个ψ角，这个角称为铁损角。
主磁通在二次绕组中感应出电动势E2。
在相位上，E2滞后于主磁通90o角。
电流互感器的一次线圈通过的电流是待测的网路电流，它与互感器二次侧的
负荷无关，即电流互感器的一次侧是接电流源的，稳态运行时，电势方程式为:
（2-11）
或用有效值表示为：
（2-12）
E2.12一二次感应电动势（V）和电流的相量（A）
E2,I2一二次感应电动势（（V）和电流（（A）的有效值
Z2一二次绕组内阻抗，也是一个复数量
Zb一二次负荷阻抗，复数量
R2,RB一二次绕组电阻和二次负荷电抗
X2,XB一二次绕组电抗和二次负荷电抗
因为在大多数情况下，电抗X2和Xb都是电感性的，国家标准也规定用电感性负荷（功率因数为0.8）来测量互感器的误差，所以在图2.4中二次电流相量滞后二次感应电动势
角，
（2-13）
一次电流I1应是I0与（-I2）之和，所以一次电流I1与（-I2）相差b角。
由图2.5可见，由于励磁电流I0的存在，一、二次电流在大小和相位上都出现了差别。
电流大小的差别就是电流变换出现了误差，相位差别就是相位差，在讨论电流互感器的误差特性一节中，我们将详细说明。
2.4电流互感器的误差特性
2.4.1稳定状态下的电流互感器的误差
表2.1测量级误差计算点
准确级
误差计算点
额定电流的百分数%二次负荷范围
0.2S；0.5S
0.1；0.2；0.5；1
3；5
1；5；20；100；120
120
5；20；100；120
120
50；120
额定负荷
四分之一额定负荷
额定负荷
四分之一额定负荷
额定负荷
理想的电流互感器，在变换电流时没有能量消耗，一次磁势与二次磁势在数
量上相等，绕组中电流与匝数成反比，互感器没有误差。
但是，在实际的电流互
感器中，由于铁心中产生磁通、铁心发热和交变励磁以及二次绕组和二次回路导
线的发热，电流变换将消耗附加磁势，电流互感器绕组中电流与匝数不成
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