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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(yīng)定律而工作。雖然工作原理相同，但它們?cè)趯?shí)際工作中依然有一定的區(qū)別。而最大的特點(diǎn)就在于，電流互感器在正常運(yùn)行時(shí)，其二次側(cè)嚴(yán)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(cè)為什么嚴(yán)禁開路，在這里我先來給大家簡(jiǎn)單講解一下電磁感應(yīng)定律。

一、電磁感應(yīng)定律的理解

給一個(gè)導(dǎo)線通以電流，它就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，將導(dǎo)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(dǎo)線的區(qū)別在于，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)比較強(qiáng)。我們可以這樣理解，把線圈中的每一圈看作一根導(dǎo)線，那么繞有N匝的線圈就相當(dāng)于有N根導(dǎo)線放到一起，所以一個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)就相當(dāng)于N根導(dǎo)線磁場(chǎng)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(chǎng)中被磁化(此時(shí)鐵芯產(chǎn)生了另一個(gè)附加磁場(chǎng))，就能獲得一個(gè)更強(qiáng)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)是由線圈本身電流所激發(fā)的磁場(chǎng)與鐵芯被磁化所產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加合成的。

盡管通電線圈能產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(jiǎn)單，那就是改變線圈的磁通，不管線圈一開始否存在磁場(chǎng)。所謂改變線圈磁通，簡(jiǎn)單來說，就是改變穿過線圈中心的磁場(chǎng)。

圖1-2

如上圖1-2所示，現(xiàn)有一個(gè)線圈，由于沒有通電，所以它本身沒有磁場(chǎng)，此時(shí)線圈磁通為零。若拿一個(gè)條形磁鐵靠近并穿過線圈，由于條形磁鐵周圍存在磁場(chǎng)，當(dāng)磁鐵穿過線圈時(shí)，就相當(dāng)于有磁場(chǎng)穿過線圈，線圈的磁通從零開始增大。此時(shí)由于線圈的磁通發(fā)生變化，所以線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓，若線圈與外電路接通，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

既然改變線圈的磁通可以產(chǎn)生電壓，那么這個(gè)電壓到底有多大呢?這個(gè)問題的答案，法拉第和他的學(xué)生已經(jīng)告訴我們了，沒錯(cuò)，答案就是法拉第電磁感應(yīng)定律。

圖1-3

如圖1-3所示，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈兩端所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓(或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))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(yīng)電壓(或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))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(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓u1，當(dāng)有N匝線圈，此時(shí)整個(gè)線圈兩端產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓就相當(dāng)于N匝線圈各自感應(yīng)電壓的相加，即N個(gè)u1相加為N×u1。顯然，匝數(shù)也多，總電壓就越大。

其次，感應(yīng)電壓(或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))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(dāng)磁通不變時(shí)，其變化率就為零，此時(shí)線圈兩端也就沒有感應(yīng)電壓。反之，若磁通變化非?？鞎r(shí)，線圈兩端的感應(yīng)電壓就會(huì)非常大。

以上，感應(yīng)電壓有時(shí)候又用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)的方向相反，在公式中就表示為負(fù)號(hào)“-”。

知道了電磁感應(yīng)定律后，我們?cè)倩氐诫娏骰ジ衅鞯墓ぷ髟怼?/span>

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(yùn)行狀態(tài)不同，為了便于理解，我們先來簡(jiǎn)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(yīng)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(yīng)電壓也是固定的，在忽略損耗的情況下，感應(yīng)電壓就等于一次電壓。

由于感應(yīng)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(dāng)變壓器空載時(shí)(二次電流為零)，鐵芯中這個(gè)變化的磁通僅一次電流產(chǎn)生的，這里的一次電流就是勵(lì)磁電流，用于激勵(lì)主磁通。

當(dāng)變壓器二次負(fù)載運(yùn)行時(shí)，就有了二次電流。顯然，二次電流也會(huì)激發(fā)磁場(chǎng)，根據(jù)楞次定律，這個(gè)由二次電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)阻礙原磁場(chǎng)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(fù)載，鐵芯中的磁通變化率都應(yīng)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(shí)，還要抵消二次電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，一次電流會(huì)隨之增大，此時(shí)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(lì)主磁通。

總結(jié)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(shí)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(cè)決定)，不隨二次電流的變化而變化。

對(duì)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(cè)量或監(jiān)控一次電流。

三、電流互感器二次側(cè)為何嚴(yán)禁開路

根據(jù)上文，由于一次電流不受互感器影響，所以互感器二次側(cè)嚴(yán)禁開路。

當(dāng)互感器在正常運(yùn)行時(shí)，二次側(cè)接近由于短路狀態(tài)，二次電流和一次電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，如上圖1-7所示，為了便于理解，一次線圈繞多一圈。此時(shí)雖然一次電流比較大，其激發(fā)的磁場(chǎng)也比較強(qiáng)，但由于楞次定律，其大部分磁場(chǎng)被二次電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)所抵消，所以鐵芯中的凈剩磁場(chǎng)并不大，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一二次的電壓都不大。

然而，當(dāng)電流互感器二次開路，由于一次電流不變，其激發(fā)的磁場(chǎng)也不變(比較大)，此時(shí)二次電流為零，不能產(chǎn)生另一個(gè)磁場(chǎng)抵消一次電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，換言之，一次電流全部用來勵(lì)磁，就會(huì)使得鐵芯磁通急劇增加，造成鐵芯損耗增大，鐵芯和繞組發(fā)熱等。同時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，因?yàn)榇磐ǖ脑龃?，二次?cè)線圈將會(huì)出現(xiàn)峰值高達(dá)數(shù)千伏的高壓!這個(gè)高電壓很可能會(huì)損壞儀表，破壞二次繞組絕緣，危及人身安全。

(技成培訓(xùn)網(wǎng)原創(chuàng)，作者：楊思慧，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載，違者必究)