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互感器基本结构及运行原理详解

在现代电力系统中，互感器扮演着至关重要的角色。它们并非直接参与电能的消耗或转换，而是作为“桥梁”与“眼睛”，将系统中高电压、大电流这些难以直接测量和控制的物理量，安全、准确地变换为低电压、小电流，供给测量仪表、继电保护及自动装置使用。这不仅保障了电力系统的安全稳定运行，也为运行人员提供了可靠的监测数据。理解互感器的基本结构与运行原理，是深入掌握电力系统运行规律的基础。

一、互感器的基本结构

互感器主要分为两大类：电流互感器（CurrentTransformer,CT）和电压互感器（VoltageTransformer,VT或PotentialTransformer,PT）。尽管它们的功能各异，但在基本结构上有一定的共通性，同时也各具特点。

（一）电流互感器（CT）的结构

电流互感器的核心部件包括闭合的铁芯和绕在铁芯上的一、二次绕组。

1.铁芯：铁芯是磁路的核心，通常由硅钢片叠装而成，或采用优质的坡莫合金、微晶合金等材料，以降低磁滞损耗和涡流损耗，确保互感器的测量精度和效率。铁芯的形状多样，常见的有环形、“日”字形等，具体取决于互感器的类型和容量。

2.绕组：

*一次绕组：其匝数较少，有的甚至只有一匝（如穿心式CT）。它串联在被测电路中，流过被测电流，因此其导线通常较粗，以适应大电流通过。

*二次绕组：匝数较多，导线相对较细。它与测量仪表、保护装置的电流线圈串联形成闭合回路。

3.绝缘结构：用于隔离一次绕组与二次绕组，以及它们与铁芯和外壳之间的绝缘。根据电压等级的不同，绝缘方式可以是干式绝缘、浇注绝缘（如环氧树脂）或油浸式绝缘等。

4.外壳：保护内部铁芯和绕组不受机械损伤，并起到一定的绝缘和散热作用。

（二）电压互感器（PT/VT）的结构

电压互感器的基本结构同样包括铁芯和一、二次绕组，但在具体设计上与电流互感器有显著区别。

1.铁芯：与电流互感器类似，也由高导磁率的硅钢片叠成，以减小磁损。其结构也有多种形式。

2.绕组：

*一次绕组：匝数很多，它并联在被测的高电压电路两端，承受被测电压。

*二次绕组：匝数较少，其额定输出电压通常为标准值（如100V或100/√3V），与测量仪表、保护装置的电压线圈并联。

3.绝缘结构：由于一次侧承受高电压，电压互感器的绝缘至关重要。同样有干式、浇注式、油浸式等多种绝缘方式，对于高电压等级的电压互感器，其绝缘结构更为复杂和精密。

4.外壳及附件：包括外壳、接线端子等。部分电压互感器还装有熔断器、放气阀等附件，以保障运行安全。有些电磁式电压互感器的铁芯上还设有第三绕组（开口三角绕组），用于检测零序电压。

二、互感器的运行原理

互感器的工作原理基于电磁感应定律，这是它们实现能量传递和信号变换的理论基础。

（一）电磁感应的基本原理

当穿过闭合线圈的磁通量发生变化时，线圈中就会产生感应电动势。感应电动势的大小与线圈匝数及磁通量的变化率成正比。这一原理是变压器、电动机以及各类互感器工作的基石。

（二）电流互感器（CT）的运行原理

电流互感器的一次绕组串联在被测电路中，流过一次电流I?。I?在铁芯中产生交变磁通Φ，该磁通穿过二次绕组，在二次绕组中感应出电动势E?。由于二次绕组与测量仪表或保护装置的电流线圈构成闭合回路，因此在二次侧会产生二次电流I?。

根据磁动势平衡原理，忽略励磁电流（理想情况下），有：

I?N?≈I?N?

其中，N?为一次绕组匝数，N?为二次绕组匝数。

由此可得电流互感器的变流比K?为：

K?=I?/I?≈N?/N?

这表明，二次电流I?与一次电流I?成正比，且相位近似相反（考虑到实际励磁电流的影响，会存在一定的相位差）。通过测量二次电流I?，并乘以变流比K?，即可得到一次侧的被测电流I?。

在运行中，电流互感器的二次侧接近于短路状态。这是因为其二次负载（仪表、继电器线圈）阻抗很小。如果二次侧开路，一次电流将全部用于励磁，导致铁芯中磁通急剧增加，铁损增大，铁芯过热，可能损坏互感器。同时，二次绕组两端会感应出极高的电压，危及设备和人身安全。因此，电流互感器运行时二次侧严禁开路。

（三）电压互感器（PT/VT）的运行原理

电压互感器的一次绕组并联在被测电压U?的线路上，一次绕组加上电压U?后，在铁芯中产生交变磁通Φ。该磁通在一、二次绕组中分别感应出电动势E?和E?。

根据电磁感应定律，忽略绕组电阻和漏抗压降（理想情况下），有：

U?/U?≈N?/N?

其中，N?为一次绕组匝数，N?为二次绕组匝数。

由此可得电压互感器的变压比K?为：

K?=U?/U?≈N?/N?

这表明，二次电压U?与一次电压U?成正比，相位也基本相同（同样存在少量相位差）。通过测