电路中的 ”CT“

互感器是一种电力变压器,用于将电流或电压从一个电路传递到另一个电路,同时改变其数值。 它是电力系统中的重要组成部分,可实现电能的传输、测量和保护。 互感器在电力行业和工业领域广泛使用,具有关键的作用。

一、电流互感器

(图片来自互联网)

1.工作原理:

基于电磁感应原理(类似于变压器)。

它有一个铁芯,铁芯上缠绕着一次绕组(匝数少,通常1匝或几匝)和二次绕组(匝数多)。

一次绕组串联接入需要测量或保护的主电路中,流过的是待测的大电流 I₁。

根据电磁感应定律,一次电流 I₁ 在铁芯中产生交变磁通 Φ。

交变磁通 Φ 穿过二次绕组,在二次绕组中感应出电动势 E₂。

当二次绕组连接一个低阻抗的负载(如电流表、继电器线圈)形成闭合回路时,在感应电动势 E₂ 的作用下,二次回路中便产生一个电流 I₂。

在理想状态下(忽略励磁电流等损耗),一次安匝数等于二次安匝数:I₁ * N₁ = I₂ * N₂。因此,变比 Kᵢ = I₁ / I₂ ≈ N₂ / N₁。即二次电流 I₂ 与一次电流 I₁ 成正比,相位基本相同(理想时相差180°)。

2.核心作用:

电压变换(降压): 将一次侧的高电压(几千伏至几百千伏)按比例缩小为标准化的二次低电压(通常为100V或100/√3 V)。

电气隔离: 同样将二次设备与一次高压主电路安全隔离。

提供测量信号: 为电压表、电能表、功率表、功率因数表、频率表等提供与一次电压成比例的输入信号。

提供保护信号: 为继电保护装置(如过压保护、欠压保护、距离保护、方向保护、同期装置等)提供反映一次系统电压状态的输入信号。

提供同步信号: 在系统并列操作时提供两侧电压信息。

(图片来自互联网)

实际电路举例:

下图是武汉大学一位博士设计的电路,也是为电流互感器检测电流服务。

工作原理:

电流互感器工作:当有交流电流通过电流互感器的初级绕组时,会在次级绕组中感应出相应的交流电压。这个电压与初级绕组中的电流成正比。

信号放大:电流互感器次级绕组的输出电压被送入运算放大器的输入端。运算放大器根据设置的增益放大这个电压,输出一个放大后的电压信号。

滤波和稳定:电容C9, C13, C14, C15, C16用于滤波和稳定电路。它们可以减少电源噪声和信号干扰,提高电路的稳定性和测量精度。

输出:运算放大器的输出端(AC I)提供一个与输入电流成比例的电压信号,这个信号可以被进一步处理或直接用于显示和控制。

3.电流互感器的关键参数含义:

测量用CT: 常用 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3。数字越小,精度越高(例如0.5级表示在额定电流下误差不超过±0.5%)。用于计量、监测。

保护用CT: 常用 5P, 10P 以及 TP (暂态保护) 等。P 表示保护。5P10 的含义是:在额定准确限值一次电流(是额定一次电流的10倍)下,复合误差不超过±5%。重点在于在故障大电流下保证误差不超限,使保护能可靠动作。

额定一次电流 (I₁ₙ): CT设计所依据的一次电流值(基准值)。

额定二次电流 (I₂ₙ): 对应于额定一次电流的二次电流值,通常为5A或1A。

额定变比 (Kᵢ 或 I₁ₙ / I₂ₙ): 额定一次电流与额定二次电流的比值。例如 100/5A, 2000/1A。表示当一次电流为100A时,二次电流为5A;一次电流为2000A时,二次电流为1A。

准确级: 表示在规定使用条件下,CT的测量误差(比值差和相位差)不超过规定限值的等级。

额定负荷 (S₂ₙ 或 Z₂ₙ): CT二次侧允许连接的仪表、继电器导线等的总阻抗(用视在功率VA表示或阻抗Ω表示)。例如 15VA, 5VA, 0.2Ω。实际负荷不能超过此值,否则误差会增大。

额定短时热电流 (Ith): CT在1秒内能承受而不损坏的最大一次电流有效值(通常用kA表示)。反映其热稳定性。

额定动稳定电流 (Idyn): CT能承受而不发生电动力损坏的最大一次电流峰值(通常为Ith的2.5倍左右)。反映其动稳定性。

极性: 表示一次电流方向与二次电流方向的关系。通常用 P1/S1 或 P2/S2 等标记表示同名端。正确识别极性对于功率方向保护、差动保护、电能计量等至关重要。

最重要安全规则: 电流互感器二次侧在工作时绝对不允许开路! 开路会产生极高的危险电压,危及人身和设备安全。更换仪表前必须先用短接片可靠短接二次端子。

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