电流互感器

电流互感器根据流过初级绕组的电流产生一个与该电流成比例的输出，这是由于初级绕组上的恒定电势所致。

1、概述

电流互感器（C.T.）是一种“仪表变压器”，设计用于在其二次绕组中产生与初级绕组中被测量的电流成比例的交流电流。电流互感器将高电压电流降低到更低的值，并提供了一种方便的方法来安全地监测交流传输线路中流动的实际电流，使用标准安培计即可。基本电流互感器的运行原理与普通电压变压器略有不同。
与之前看到的电压或功率变压器不同，电流互感器的初级绕组只由一圈或很少几圈组成。这个初级绕组可以是一个单一的扁平圈、绕在铁芯上的重型线圈，或只是穿过中央孔的导体或汇流条，如图所示。

图1：典型的电流互感器

由于这种类型的布置，电流互感器通常被称为“串联变压器”，因为初级绕组（永远不会超过很少几圈）与供电负载的载流导体串联。

然而，次级绕组可能在低损耗磁性材料的叠层铁芯上缠绕大量线圈。这个铁芯具有较大的横截面积，因此产生的磁通密度较低，使用更小横截面积的导线，具体取决于电流必须降低多少，因为它试图输出一个与连接的负载无关的恒定电流。

次级绕组将向短路（形式为安培计）或电阻性负载提供电流，直到次级中感应的电压足以使铁芯饱和或因过度电压击穿而导致故障。

与电压变压器不同，电流互感器的初级电流不依赖于次级负载电流，而是由外部负载控制。次级电流通常额定在标准的1安培或对于更大初级电流额定值的5安培。

电流互感器有三种基本类型：绕线型、环形和棒形。

• 绕线型电流互感器 - 变压器的初级绕组物理上与携带被测电流的导体串联连接在电路中。次级电流的大小取决于变压器的匝数比。

• 环形电流互感器 - 这些互感器不包含初级绕组。相反，携带网络中流动电流的线路穿过环形变压器中的窗口或孔。一些电流互感器具有“分芯”，允许它们在不断开所连接的电路的情况下打开、安装和关闭。

• 棒形电流互感器 - 这种类型的电流互感器使用主电路的实际电缆或母线作为初级绕组，相当于一圈。它们与系统的高工作电压完全绝缘，并且通常用螺栓固定在载流设备上。

2、电流互感器

电流互感器可以将电流级别从数千安培降低到标准输出，已知比率降至5安培或1安培以供正常操作。因此，小型和精确的仪器和控制设备可以与CT一起使用，因为它们与任何高压电力线隔离。电流互感器有各种计量应用和用途，如用于瓦特表、功率因数表、电能表、保护继电器，或作为磁断路器或MCB中的跳闸线圈。

图2：电流互感器

通常，电流互感器和安培计作为一对匹配使用，其中电流互感器的设计是为了提供与安培计满量程偏转相对应的最大次级电流。在大多数电流互感器中，初级和次级绕组中的两个电流之间存在大致相反的匝数比。这就是为什么电流互感器的校准通常是针对特定类型的安培计。

大多数电流互感器具有标准的5安培次级额定值，初级和次级电流以比率表示，如100/5。这意味着初级电流是次级电流的20倍，因此当100安培流过初级导体时，它将导致5安培流过次级绕组。例如，500/5的电流互感器，将在初级导体中有500安培时在次级产生5安培，高出100倍。

通过增加次级绕组的数量Ns，可以使次级电流远小于被测量的初级电路中的电流，因为随着Ns的增加，Is按比例减少。换句话说，初级和次级绕组中的匝数和电流成反比关系。

像任何其他变压器一样，电流互感器必须满足安培匝数方程，我们从关于双绕组电压变压器的教程中知道，这个匝数比等于：

从而，我们可以得到：

电流比将设定匝数比，由于初级通常由一两圈组成，而次级可以有几百圈，因此初级和次级之间的比率可能相当大。例如，假设初级绕组的电流额定值为100A。次级绕组具有标准的5A额定值。那么，初级和次级电流之间的比率是100A对5A，或20:1。换句话说，初级电流比次级电流大20倍。

然而，应该注意的是，额定为100/5的电流互感器与额定为20/1或100/5的细分不同。这是因为100/5的比率表示“输入/输出电流额定值”，而不是初级到次级电流的实际比率。还要注意，初级和次级绕组中的匝数和电流成反比关系。

但是，通过修改穿过CT窗口的初级匝数，可以实现电流互感器匝数比的相对较大变化，其中一次穿过窗口等于一圈，多次穿过窗口会导致电气比率发生变化。

因此，例如，一个关系为300/5A的电流互感器可以通过将主初级导体两次或三次穿过其内部窗口来转换为另一个150/5A或甚至是100/5A的电流互感器，如图所示。这使得更高值的电流互感器在用于较小的初级电流线时能够为安培计提供最大输出电流。

3、电流互感器示例1

要计算棒形电流互感器的最大次级电流和安培计上的次级电压，首先需要确定次级电流。根据题目描述，初级电流为800安培，初级绕组有1圈，次级绕组有160圈。

由于电流互感器的匝数比等于初级电流与次级电流之比，我们可以使用以下公式来计算次级电流：

$$I_s=\frac{I_p}{N}$$
其中 $ I_s $ 是次级电流，$ I_p $ 是初级电流，$ N $​ 是匝数比。

在这个例子中，匝数比 $ N = \frac{160}{1} = 160 $。因此，次级电流 $ I_s $ 为：
$$I_s=\frac{800\text{Amps}}{160}=5\text{Amps}$$

接下来，我们需要计算安培计上的次级电压。根据欧姆定律，电压 $ V $ 等于电流 $ I $ 乘以电阻 $ R $：
$$V=I\times R$$
其中 $ R $ 是安培计的内部电阻，根据题目描述为0.2Ω。

因此，次级电压 $ V $ 为：
$$V=5\text{Amps}\times 0.2\Omega =1\text{Volt}$$

综上所述，最大次级电流为5安培，安培计上的次级电压为1伏特。

我们可以看到，由于电流互感器的次级绕组连接在安培计上，而安培计的电阻非常小，因此在全初级电流下，次级绕组上的电压降仅为1.0伏特。

然而，如果移除了安培计，次级绕组实际上变成了开路状态，因此变压器起到了升压变压器的作用。这部分原因是因为次级铁心中的磁通量大幅增加，以及次级漏电抗影响了次级感应电压，因为没有次级绕组中的对向电流来阻止这种情况。

结果是在次级绕组中感应出非常高的电压，等于 $ Vp \left(\frac{Ns}{Np}\right) $ 的比例，这个电压会在次级绕组上产生。例如，假设我们上面提到的电流互感器用于一个对地480伏的三相电源线。因此：

这种高电压是因为每伏特匝数比在初级和次级绕组中几乎保持恒定，并且由于 $ Vs = Ns \times Vp $，$ Ns $ 和 $ Vp $ 的值都很高，所以 $ Vs $（次级电压）极高。

因此，当主初级电流流过电流互感器时，不应将其留在开路状态或在无负载连接的情况下运行，正如电压变压器永远不应在短路状态下运行一样。如果要移除安培计（或负载），应首先在次级端子上放置一个短路，以消除触电的风险。

这种高电压的原因是，当次级开路时，变压器的铁芯在高度饱和状态下运行，没有任何阻碍，它会产生异常大的次级电压，在我们上面的简单例子中，这个电压被计算为76.8kV！这种高次级电压可能会损坏绝缘或如果意外触摸CT的端子可能会导致电击。

4、手持电流互感器

现已有许多特殊类型的电流互感器可供选择。一种流行且便携的类型，可用于测量电路负载，被称为“钳形表”，如图所示。

钳形表围绕载流导体打开和关闭，并通过确定其周围的磁场来测量其电流，通常在数字显示屏上提供快速测量读数，无需断开或打开电路。

除了手持式钳形电流互感器外，还有分裂芯电流互感器，其一端可拆卸，因此安装时无需断开负载导体或母线。这些可用于测量从100到5000安培的电流，方形窗口尺寸从1英寸到超过12英寸（25-300毫米）。

总结来说，电流互感器（CT）是一种仪器变压器，用于通过磁介质将初级电流转换为次级电流。其次级绕组然后提供一个大大减小的电流，可用于检测过电流、欠电流、峰值电流或平均电流条件。

电流互感器的初级线圈总是与主导体串联连接，因此也被称为串联变压器。标称次级电流额定为1A或5A，以便于测量。构造可以是单个初级匝，如环形、甜甜圈形或棒形，或者几个绕制的初级匝，通常用于低电流比。

电流互感器旨在用作比例电流设备。因此，电流互感器的次级绕组不应在开路状态下运行，正如电压变压器永远不应在短路状态下运行一样。

从通电的电流互感器的次级电路开路会产生非常高的电压，因此如果要移除安培计或在给系统通电前不使用CT时，必须先将其端子短路。

在接下来的关于变压器的文章中，我们将探讨当我们将三个单独的变压器以星形或三角形配置连接在一起以产生一个更大的电力变压器时会发生什么，这种变压器被称为三相变压器，用于供应三相电源。