测量用互感器的原理与计量分析

申云倩

（扬州市计量测试技术研究所，江苏 扬州 225000）

0 引 言

电气产业是民生之基，是国民经济中的关键一环，而电力工程品质与国民生活息息相关。输配电系统中技术要求最高、投资最多的项目就是变电站的建立和维护，其项目质量关系到电力系统的电能质量和能否安全持续供电。发输变电站中的测量器具是其必不可少的一部分，常用来测量电力系统中的频率波形、电流、电压、有功和无功功率，以保证系统安全运行。

21世纪，国内变电站电能计量技术偏重对电能计量手段的创新以及信号分析算法的研究，对计量器件和互感器的研究偏弱。2020年，国内李克卿提出当前应对由互感器非线性特性导致的电测量偏差加以重视，否则会为电力行业带来巨额资金损失[1]。

2019年，国外Elzbieta Lesniewska等人认为当前均是在工频条件下搭建的互感器模型，并不适合复杂信号，应对互感器中重要元件磁芯的磁化进行精确建模[2]。

本文主要分析研究了电测量系统中电流互感器、电压互感器的工作原理与使用，并对电磁式互感器和电子式互感器的计量方式做了比较分析。

1 电测量子系统工作原理

电测量子系统工作原理如图1所示，先由一次设备对信息进行收集采样，由光纤将模拟量传输至保护器件，再由监控系统接收该信息。一次设备输入量经过电流、电压互感器变流及变压后成为二次输入量，二次电缆将其传输到电能表并进行计算。

图1 电测量子系统工作原理

计量系统中的误差无法避免，常来自于互感器的角差、二次回路的电压降落以及电能表自身的误差，具体如图2所示。因此，对测量用互感器的计量成为整个电测量子系统中重要的一环，是电能测量准确性的基础一环。

图2 计量系统误差来源

2 电流互感器

电流互感器（Current Transformer，CT）即通过法拉第电磁感应定律，将通向与电源直接相连的一次侧大电流转变为其他绕组的小电流后再测量的装置。测量用电流互感器需要串联在待测回路中，其工作状态趋向于短路状态，作用是电气隔离以及将大电流转化为小电流。测量用电流互感器的误差主要由励磁电流造成，本文主要对电子式电流互感器和电磁式电流互感器进行介绍。

2.1 电磁式电流互感器

电 磁 式 电 流 互 感 器（Electromagnetic Current Transformer，ECT）是目前电力系统中最常用的一种互感器，作为收集前端信号的器具与电能测量是否精准密切相关。将CT一次绕组与待测装置串联，一次侧电流大小不受二次侧影响，特别注意的是运行状态下二次侧不允许开路，否则铁芯上产生大量损耗放出大量热，烧毁设备。

对于待测三相对称信号时采用单项式接线，星形接线用于测量三相电流时可以检测三相是否对称[3]。

CT体积大、质量重、成本高、维护复杂，并且受到一、二次侧磁联系的影响，该类互感器测量准确性不高。通过在系统串联电抗器可以有效防止短路电流的产生，从而避免电磁式电流互感器发生磁饱和。根据CT结构的不同可以分为支柱式互感器和穿心式互感器。

CT的非线性特性即误差特性，互感器工作时受到磁滞效应产生的涡流和铁芯饱和的干扰，其特性会表现为非线性，当系统频率高于300 Hz或存在外磁场时会产生较大误差。

在对电磁式电流互感器进行计量检定的时候，可以依据《测量用电流互感器检定规程》（JJG 313—2010），分别对外观检查、绝缘电阻测量、工频耐压试验、退磁、绕组极性检查、基本误差测量、稳定性试验这些项目进行检定[4]。其中基本测量误差的检定按照标准器的不同可分为标准互感器检定、双级电流互感器检定、电流比较仪检定、感应分流器检定，其接线方式也应按标准器选择的不同有所区分。在使用标准互感器检定时，应将被检电流互感器与标准互感器、电流互感器负载箱、数字式互感器校验仪按规定方式接线，并使标准电流互感器与被检电流互感器在相同额定变比条件下采用比较法进行测量，将互感器校验仪测得值作为被测电流互感器的比值差和相位差。

2.2 电子式电流互感器

电 子 式 电 流 互 感 器（Electronic Current Transformer，ECT）是电子式互感器的一种，其二次转换器的输出在正常工作时与一次电流成正比，当相位差在连接方向准确时会接近于相位角。电子式电流互感器是智能变电站的重要装置之一，具有体积小质量轻、成本低、绝缘性能优良的优点，且由于ECT不含有铁芯，杜绝了铁磁谐振发生的隐患。根据测量的原理不同，可以将ECT分成3类[5]。

2.2.1 光学ECT

基于光学原理搭建传感器，材料是光学玻璃和全光纤，光纤光缆构成传输系统，其输出电压与待测量电流成正比关系。

由于极易受温度干扰，磁光介质的维尔德常量会随温度发生变化，从而影响计量精确度。此外噪音也是误差主要来源之一，对于小电流信号，负荷电流有大变化范围时，信号中的噪声较大，信噪比低从而产生大误差。

2.2.2 空心线圈ECT

主要由罗氏线圈组成，罗氏线圈即微分电流传感器，其输出信号是电流对时间的微分。基于罗氏线圈构建的空心线圈ECT不会发生磁滞效应，但该类线圈高压侧需要电压提供电能。

受温度影响，微分电流传感器的骨架会对输出电压造成相对误差，而且组成互感器的元件抗温度变化干扰的能力较弱，因此温度对空心线圈电流互感器的影响是综合的。但由于其是空心线圈，所以不会发生磁滞效应，有良好的不饱和特性，几乎不会被负荷电流干扰，有助于改善非线性误差。

2.2.3 铁芯线圈式低功率电流互感器

低 功 率 电 流 互 感 器（Low Cower Current Transformer，LPCT）是基于传统CT的新型互感器，优点是在一次电流较大时依然具有优秀的饱和特性，有利于减小功率损耗，输出电压信号。传感器接收待测信号后经过传输系统输，IV入至二次转换器，将大电流转化为小电流再输出。

铁芯线圈式低功率电流互感器几乎不会受温度变化的干扰，LPCT的温度特性取决于内部电阻元件。由于LPCT内部有铁芯所以有磁滞效应，铁芯饱和程度决定了LPCT负荷特性，也是其误差的主要来源。

综上，光学电流互感器适用于温度稳定且噪音较小的环境；空心线圈电流互感器适用于温度较稳定的环境；铁芯线圈式低功率电流互感器在一次侧电流较大时依然会有良好的准确度。LPCT精确度最高，其次是空心线圈电流互感器，光学电流互感器精确度最低最易受干扰。

与传统CT相比ECT有较大的动态范围，绝缘性能良好，能响应较多频率，其测量结果更准确、误差更小。

在对电子式电流互感器进行计量检定的时候，依据《电子式互感器校准规范》（ JJF 1617—2017），对其守时误差、比值误差和相位误差、测量重复性、短时稳定性、直流偏置进行校准[6]。其中比值误差和相位误差使用电子式互感器校验仪和标准电流互感器作为标准器，采用比较法进行校准，校准的过程应在插值和同步脉冲两种模式下进行，将升流器、电子式电流互感器、标准电流互感器的一次端子串联成闭环，并将被测电子式电流互感器与标准互感器的输出信号和电子式互感器校验仪相连。同步脉冲法需要外接时钟源作为同步时钟，实现合并单元与电子式互感器校验仪的同步采样，插值法则不需要外接时钟源，用电子式互感器校验仪的测得相位差与电子互感器额定值进行比较。

3 电压互感器

电压互感器（Voltage Transformer，VT）是对待测线路进行变压供电的装置。VT由缠绕在两根铁芯且相互绝缘的绕组组成，一次侧与线路并联，二次侧并联在计量仪表中。测量用VT容量较小且工作状态趋近于空载，常做成单相双线圈结构。

3.1 电磁式电压互感器

电磁式电压互感器是一种特殊的变压器，常用于35 kV或220 kV系统中，用途是将一次侧的高电压转化为二次侧输出的易于检测计量的低电压。其一次侧不受二次侧的影响，可等效为电压源，由于二次负荷不大可近似为空载。

（1）铁磁谐振是电磁式VT的最大缺陷，线路空载或发生接地短路时，由于电磁式电压互感器的铁芯电感是非线性电感，会与线路对地电容产生铁磁谐振，进而产生过电压损坏设备。将互感器中性点经消弧线圈接地可以有效避免铁磁谐振，消弧线圈应采用过补偿方式，在二次侧零序电压绕组两端口处串联非线性电阻也是避免铁磁谐振的有效措施。上述两种措施并不能完全避免铁磁谐振的产生，一旦在安装线圈和电阻后发生谐振会产生严重过电压，破坏绝缘装置。

（2）研究电磁式VT对冲击电压的响应特性有利于更好检测装置绕组的工作情况。在一次侧受到冲击电压时，会在电磁式VT二次侧同时产生与冲击电压极性相同的感应电压。

在对电磁式电压互感器进行计量检定的时候，可以依据《测量用电压互感器检定规程》（ JJG 314—2010），分别对外观检查、绝缘电阻测量、绝缘强度试验、绕组极性检查、基本误差测量、稳定性试验这些项目进行检定[7]。其中基本测量误差的检定一般采用比较法，按照标准器的不同可分为标准电压互感器检定、电压比例标准器检定、电容式电压比例装置检定，并按所选择的标准器选定相应的接线方式。

3.2 电子式电压互感器

电 子 式 电 压 互 感 器（Electronic Voltage Transformer，EVT）是电子式互感器的一种，与计量系统的准确性息息相关，优点是体积小质量较轻、输出为数字量且不会发生铁磁谐振，有优良的绝缘性能。缺点是容易出现故障，抗温度变化及电磁干扰的能力较低。电子式电压互感器根据传感原理分为如下两类。

（1）电阻分压式电压互感器的结构如图3所示。其中1为气体放电管，发生过电压时可以保护装置；2为传输用绝缘双绞线；3是由相位调节、电压补偿、电压跟随构成的信号处理装置。

图3 电阻分压式互感器结构

电阻分压式电压互感器的电压比等于（R1+R2）/R2，电阻R1、R2阻值易受到温度和电压影响，从而改变电压比，这是该类电压互感器误差的主要来源。

（2）电容分压式电压互感器结构如图4所示，不计损耗情况下的分压比为（C1+C2）/C1。

图4 CEVT结构图

低压侧并联的电阻阻值和电容C2越小，信号占据的频带越宽，传感特性越优良；电容和电阻Rf阻值越小，由电荷引起的暂态越短暂，计量更精确，从而提高传感特性。

3.3 电容式电压互感器

电 容 式 电 压 互 感 器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）由中压变压器和电容分压器共同构成，前者补偿电抗器，后者主要承担施加在互感器的高电压，根据二者的不同搭建方式分为组合和单柱。

下面分析影响电容式电压互感器传变特性的因素。

（1）频率。由于互感器中的电抗器和分压器抵抗频率变化干扰的能力较弱，所以频率是电容式电压互感器计量误差的主要来源。

（2）温度。互感器中电容值会受温度影响，其变化率为：

式中，△C即△T内C的该变量，C20°C即在20℃时C的大小。互感器采用复合介质材料能够改善C抗温度干扰能力。其等效直流电阻阻值也易受到温度干扰，产生误差影响传变特性。

（3）过电压。在低频过电压下，电容式电压互感器会呈饱和状态，使其传变特性发生偏离计量结果出现误差，在线路应用频率闭锁判据是有效规避过电压影响的方式。

电容式电压互感器常应用于额定电压等级大于110 kV时，可以有效保证电力系统经济性。

在对电子式电压互感器进行计量检定的时候，依据《电子式互感器校准规范》（JJF 1617—2017）进行校准。将电子式电压互感器、标准电压互感器的一次端子高压低压端分别与升压器的高压低压端对接，并将被测电子式电压互感器与标准互感器的输出信号与电子式互感器校验仪相连。

4 结 论

本文主要对电能传输测量环节进行分析，分析了电测量子系统的工作原理和误差来源，重点研究了测量用电流电压互感器及其计量方式。

电流互感器分为电磁电流互感器和电子式电流互感器，对后者的分类以及非线性特性进行分析，与传统CT相比电子式电流互感器有较大的动态范围，绝缘性能良好，能响应较多频率，其测量结果更准确、误差更小。

电压互感器分为电磁式、电子式和电容式互感器。铁磁谐振是电磁式互感器的最大缺陷，由幅频特性可知，电磁式电压互感器常应用于电网额定电压等级小于110 kV时，在小于1 kHz的计量时可以保证产生的计量误差在5%以内。对电容式电压互感器的频率、温度和过电压非线性特性进行分析可得，电容式电压互感器常应用于额定电压等级大于110 kV时，可以有效保证电力系统经济性。