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電流互感器,其工作原理和普通變壓器的工作原理基本相同,都是基于電磁感應定律而工作。雖然工作原理相同,但它們在實際工作中依然有一定的區(qū)別。而較大的特點就在于,電流互感器在正常運行時,其二次側嚴禁開路。那么,這是為什么呢?
為了便于理解電流互感器二次側為什么嚴禁開路,在這里我先來給大家簡單講解一下電磁感應定律。
一、電磁感應定律的理解
給一個導線通以電流,它就會產(chǎn)生磁場,將導線繞起來,就成為了電感線圈,如下圖1-1所示。電感線圈和導線的區(qū)別在于,線圈產(chǎn)生的磁場比較強。我們可以這樣理解,把線圈中的每一圈看作一根導線,那么繞有N匝的線圈就相當于有N根導線放到一起,所以一個線圈產(chǎn)生的磁場就相當于N根導線磁場的合成。
圖1-1
另外,如果讓線圈穿過鐵芯,由于鐵芯處于線圈磁場中被磁化(此時鐵芯產(chǎn)生了另一個附加磁場),就能獲得一個較強的磁場,這個磁場是由線圈本身電流所激發(fā)的磁場與鐵芯被磁化所產(chǎn)生的磁場疊加合成的。
盡管通電線圈能產(chǎn)生磁場,但這并不能說明線圈兩端就存在了電壓。在忽略線圈電阻的情況下,想要線圈兩端產(chǎn)生電壓,辦法很簡單,那就是改變線圈的磁通,不管線圈一開始否存在磁場。所謂改變線圈磁通,簡單來說,就是改變穿過線圈中心的磁場。
圖1-2
如上圖1-2所示,現(xiàn)有一個線圈,由于沒有通電,所以它本身沒有磁場,此時線圈磁通為零。若拿一個條形磁鐵靠近并穿過線圈,由于條形磁鐵周圍存在磁場,當磁鐵穿過線圈時,就相當于有磁場穿過線圈,線圈的磁通從零開始增大。此時由于線圈的磁通發(fā)生變化,所以線圈兩端就會產(chǎn)生電壓,若線圈與外電路接通,就會產(chǎn)生感應電流。
既然改變線圈的磁通可以產(chǎn)生電壓,那么這個電壓到底有多大呢?這個問題的答案,法拉*和他的學生已經(jīng)告訴我們了,沒錯,答案就是法拉*電磁感應定律。
圖1-3
如圖1-3所示,根據(jù)法拉*電磁感應定律,線圈兩端所產(chǎn)生的感應電壓(或感應電動勢)與線圈的匝數(shù)成正比,與穿過線圈的磁通變化率成正比。也許圖1-3的公式你看不懂,但這并不妨礙你們看懂我的文字解釋。
首先,感應電壓(或感應電動勢)與線圈的匝數(shù)成正比。這句話我們可以這樣理解:穿過一匝線圈的磁通發(fā)生變化,那么這匝線圈兩端就會產(chǎn)生感應電壓u1,當有N匝線圈,此時整個線圈兩端產(chǎn)生的總感應電壓就相當于N匝線圈各自感應電壓的相加,即N個u1相加為N×u1。顯然,匝數(shù)也多,總電壓就越大。
其次,感應電壓(或感應電動勢)與穿過線圈的磁通變化率成正比。這里說的是磁通變化率,所謂變化率,即變化的快慢,有變化才有快慢。顯然,當磁通不變時,其變化率就為零,此時線圈兩端也就沒有感應電壓。反之,若磁通變化非??鞎r,線圈兩端的感應電壓就會非常大。
以上,感應電壓有時候又用感應電動勢表示,兩者的區(qū)別僅在于正方向的不同,即電壓的方向和電動勢的方向相反,在公式中就表示為負號“-”。
知道了電磁感應定律后,我們再回到電流互感器的工作原理。
二、電流互感器的工作原理
由于電流互感器與變壓器工作原理基本相同,但運行狀態(tài)不同,為了便于理解,我們先來簡單理解普通變壓器工作原理。如下圖1-5所示為變壓器工作原理圖。
圖1-5
上文提到,線圈兩端的感應電壓正比于磁通變化率,但在變壓器中,其一次電壓(有效值)是固定的,基于電壓守恒(基爾霍夫電壓定律),顯然一次線圈的感應電壓也是固定的,在忽略損耗的情況下,感應電壓就等于一次電壓。
由于感應電壓固定,這就造成磁通變化率(包括磁通的振幅和頻率)也是固定的。換言之,磁通變化率由一次電壓決定,這里的磁通就是主磁通。另外,當變壓器空載時(二次電流為零),鐵芯中這個變化的磁通僅一次電生的,這里的一次電流就是勵磁電流,用于激勵主磁通。
當變壓器二次負載運行時,就有了二次電流。顯然,二次電流也會激發(fā)磁場,根據(jù)楞次定律,這個由二次電生的磁場會阻礙原磁場的變化。上文提到,鐵芯中的磁通變化率由一次電壓決定,也就是說,不管二次是否接有負載,鐵芯中的磁通變化率都應該保持不變。
綜上,為了保持鐵芯中的磁通變化率不變的同時,還要抵消二次電生的磁場影響,一次電流會隨之增大,此時一次電流就分為兩部分,其中增大的部分完全用于抵消二次電流的影響,而原本的部分依然用于激勵主磁通。
總結一下變壓器的工作原理,鐵芯中磁通變化率由一次電壓決定,由于一次電壓不變,所以磁通的振幅和頻率都不變,但一次電流隨著變壓器工作狀態(tài)的變化而變化。
同理,電流互感器也分一次線圈和二次線圈,其一次線圈就是穿過互感器的電源線,二次線圈串接儀表或繼電器的電流線圈,如下圖1-6所示。
圖1-6
顯然,此時一次線圈只有一匝,而二次線圈根據(jù)互感器的變比不同,匝數(shù)也各不相同。但不管怎么說,區(qū)別于普通變壓器,電流互感器的一次電流是固定的(這里的固定是指一次電流不受互感器的影響,僅有電源側決定),不隨二次電流的變化而變化。
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對于電流互感器而言,二次電流是隨一次電流的變化而變化的,這恰好與普通變壓器相反,所以電流互感器才能用于測量或監(jiān)控一次電流。
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