互感器

電力系統常用組件 Electrical System Component

互感器

電壓互感器

電壓互感器的結構和原理基本上與功率變壓器（Power Transformer）一樣，一般而言用於電力系統中也會是功率變壓器，因此變壓器一般會定為功率變壓器，用於提供電壓的變壓器，則會稱為電壓互感器，初級繞組匝數較多，它與被測高壓電路並聯。次級繞組匝數較少，它與電壓錶、瓦特計、仟瓦時計或繼電保護裝置的電壓線圈並聯，這樣就可將較高的電壓變換為低電壓，從而減低危險。電壓互感器有乾式，油浸泡式及墮性氣體式（六氟化硫SF6），電壓於3300V～66kV會採用乾式或油浸泡式；電壓大於66kV，會採用油浸泡式及墮性氣體式；隨絕緣技術的進步以及油浸泡式的各種缺點原因，由九十年代開始66kV及以下的電力設備已經漸漸被乾式取代，同時間66kV及以上的電力設備亦開始被墮性氣體式取代。

電壓互感器次級的額定（標準）電壓一般為110V，以便配合額定儀錶使用，例如：11kV/110V，只需將滿幅度偏轉為110V儀錶的刻度改變為11kV便可。由於次級的負荷主要是儀錶等的電壓器件，其阻抗很大，正常時接近空載狀態，所以若次級短路會使次級繞組燒毀。

注意事項：電壓互感器測試時絕緣測試與量度電阻值也不能確實反映它的狀況，因此會以比例測試來作參考；例如：一個11kV/110V的電壓互感器，一般會在高壓線圈注入100V交流電壓，在低壓線圈會量度得到1V電壓；如果錯誤地從低壓線圈注入100V交流電壓或進行其他注流測試時忘記把它隔離，這時高壓線圈會量度得到10kV電壓，直接對測試員帶來高壓電擊的傷害。

香港的高壓電力系統中，必定以三相供電，因此電壓互感器必然以三相形式出現，實物及結構圖如下圖所示，而接駁方式有三種，不過在香港比較常見的是星形（Star connection）及開路三角或稱V形（V/Open Detla connection），兩種接駁方式的輸入電壓是不一樣的，例如：星形接駁時，雖然輸入電壓仍然是11kV，由於安裝時以三個一組，星形接駁狀態下會出現跟低壓系統一樣的中性線點並接地，各個電壓互感器的承受電壓只有6350V，公式為11kV除以 ，而V形接駁時，安裝方式會以兩個一組，每個電壓互感器的輸入電壓為兩相電壓之11kV（L1-L2及L2-L3）。電壓互感器在安裝於高壓掣櫃時，會分為固定式（Fixed type）及抽出式（Draw-out type），固定式多使用在66kV以上的系統中。

電壓互感器的匝數比值關係如下：

kV = 電壓互感器的變壓比
V1 = 被測的高電壓(V)
V2 = 接到錶頭的低電壓(V)
N1 = 互感器接至高電壓端的匝數(T)
N2 = 互感器接至錶頭端的匝數(T)



電流互感器或變流器

電流互感器的作用是把安培計或其他儀錶的電流線圈，間接地接到大電流的電路上，它的初級繞組通常匝數很少，大型的電流互感器，初級只有一、二匝，甚至很簡單的銅條，串聯到待測大電流的電路上，實際的產品及俗稱開口CT。開口CT多用於後期加裝工程，可免拆解掣櫃主巴棚或電源線，除減少工序外亦可免除停電需要。也有一些將銅巴或電纜直接穿入CT環內，初級不需接線，稱為穿芯式。

次級的匝數較多，安培計或瓦特計的電流線圈會接到它的兩端，惟安裝時必須根據廠方要求的位置安裝，例如：不能將前、後調轉，也要根據廠方要求將接線接駁到適當接點中，同樣也不能互調。

電流互感器的次級的匝數較多，安培計或瓦特錶計的電流線圈會接到它的兩端，惟安裝時必須根據廠方要求的位置安裝，例如：不能將前、後調轉，也要根據廠方要求將接線接駁到適當接點中，同樣也不能互調。下圖各種不同類別的電流互感器，一般較常用價格較低廉的帶繞包式（Tape wrapping）；聚碳酸酯外殼（Polycarbonate case）；價格較高亦較耐高溫的鑄造樹脂（Resin Cast）這個級別除了用於低壓系統之外亦會使用在3300V-66kV系統中；一般用於手提儀錶的軟性式（Flexible type）；油浸泡式（Oil type）只會使用在3300V以上系統中；墮性氣體式（Gas type）只會使用在66kV以上系統中。同一導體穿過電流互感器的次數，會相等於原電流值的倍數，因此亦可以看成電流互感器的電流比被改變一樣。

帶繞包式

鑄造樹脂

開口電流互感器

手提儀錶的軟性式

油浸式

墮性氣體式

電流互感器次級的額定電流一般為1A及5A，與專用的安培計配套使用，例如：400A/5A，2500A/5A，只需將滿幅度偏轉為5A儀錶的刻度改變為400及2500A便可，部份特別用途的儀錶或保護系統，只會提供1A型號，因此少數掣櫃或控制面板會同時存在兩種額定電流的電流互感器；當進行次級注流測試時，便需要特別留意，否則可引致儀錶燒毀或保護系統的測試數據不準確。電流互感器的次級繞組不可處於開路狀態，而且也要接地，以保證安全。電流互感器的匝數比值關係如下：

k_i = 電流互感器的變流比

I₁ = 被測的(大)電流(A)

I₂ = 接到錶頭的(小)電流(A)

N₁ = 亙感器接至大電流端的匝數(T)

N₂ = 亙感器接至錶頭端的匝數(T)

電流互感器在正常運行下，次級加上電流計的總阻抗甚低，相當於短路狀態，它的安培匝數為初級安培匝數所平衡；由於電流互感器的設計與變壓器相當近似，若次級開路，次級的安培匝數消失，但初級繞組的電流是由大電流電路中負載決定（沒有拆離），故初級繞組的安培匝數並沒有改變（穿過電流互感器的導體為初級；匝數為1），它全部用以

產生磁通，這時沒有去磁效應，使鐵芯內的磁通劇增，次級線圈的感應電動勢升高到非常危險的數值（次級匝數則會以電流互感器的匝數計算），以致鐵芯和繞組溫度升高到不能容許的程度，令絕緣損毀，甚至危及人身安全。由此可知，電流互感器在初級有電流時，次級不能開路，若真的要把安培計或其他儀錶取走，必須先把次級短路；在電流互感器的線路中亦不可以加入任何保護器件，以免因過流時跳脫。

1. 電流互感器一次被測電流磁勢I1N1在鐵芯產生磁通Φ1
2. 電流互感器二次測量儀錶電流磁勢I2N2在鐵芯產生磁通Φ2；
3. 電流互感器鐵芯合磁通：Φ = Φ1 + Φ2；
4. 因為Φ1及Φ2方向相反，大小相等，互相抵消，所以Φ = 0；
5. 若二次開路，即 I2 = 0，則：Φ = Φ1，電流互感器鐵芯磁通很強，飽和，鐵心發熱，燒壞絕緣，產生漏電；
6. Φ在電流互感器二次線圈N2中產生很高的感生電勢，在電流互感器二次線圈兩端形成高壓，危及操作人員生命安全；
7. 電流互感器二次線圈一端接地，就是為了防止高壓危險而採取的保護措施。

電流互感器按用途來分類，主要可分為測量用及保護用兩種，由於兩者在設計上有很大的分別，所以即使變流比例相同，兩者都不能互換。


測量用電流互感器

測量用電流互感器（Metering/Measurement/Measuring current transformer，MCT）主要與測量儀錶配合，在線路正常工作狀態下，用來測量電流、電度數、功率等。

測量用的電流互感器常用的規格以「Class」表示準確性，一般有0.5、1.0及1.5，全部為百分比（%）誤差，一般要求準確度較高，實物如下圖所示。採用時除考慮誤差值、互感器的變流比外，也要評估電流互感器的額定容量VA值的大小，從而配合測量電路的需要。

保護用電流互感器

保護用電流互感器（Protection/Protective current transformer，PCT）主要與故障繼電器IDMT裝置配合，用於電力系統過載保護，自動控制系統等。在線路發生短路或超載等故障時，向繼電裝置提供信號切斷故障電路，以保護供電系統的安全，實物如圖所示。

本港電力公司對於安裝在總電源開關的保護用的電流互感器最低規格要求為「10P20」。10P20表示當一次電流是額定值一次電流的20倍時，該繞組的複合誤差 ≤ ±10%。10P20，後面的20稱為準確限值係數。準確限值係數的意義就是在保證誤差在 ±10%範圍內時，一次電流不能超過額定電流的倍數，如果在一些要求較高的建築物內，在顧問公司要求下，可能需要選用5P20的，甚至還可能選用5P30的。

例如：一個需要裝設保護裝置的地方，在最大運行方式下短路電流是4kA，選用的電流互感器是200A/5A，5P10，也就是說該電流互感器在200A x 10倍 = 2000A = 2kA時，能保證繞組的複合誤差 ≤ ±5%。若電路的故障是短路，電流超過2kA，甚至達到4kA，這時就達不到複合誤差 ≤ ±5%，如果選用200A/5A，5P30的電流互感器，電流互感器在200A x 30倍 = 6000A = 6kA時，能保證繞組的複合誤差 ≤ ±5%，但最大短路電流才4kA，故在全量程中，均能保證保護用電流互感器的精度。

但實際應用中，為降低成本，保護並不需要太高的精度，10P已經能滿足需要，且在選擇電流互感器時，也沒有必要保證在最大短路電流時還保證精度，一般在保護定值附近能保證精度就可以了。

電流互感器容量相關指標為二次負荷額定容量，一般用VA表示，如5VA、10VA等。選擇互感器時，注意實際容量應在額定二次負荷的25~100%之間。實際容量可按照額定二次電流與二次回路總阻抗計算獲取，實際容量 = (I2)2 x Z，I2為二次額定電流，一般為5A，Z為二次額定阻抗的值，如果測量線路阻抗可忽略，一般取二次儀錶的輸入阻抗即可。

零序電流互感器

零序電流互感器（Zero phase sequence current transformer，ZCT）又稱相平衡電流互感器（Core balance current transformer，CBCT），主要與專用的對地故障繼電器配合使用，用於電力系統對地保護。它在設計上極為靈敏，監察範圍由0mA~20A。安裝時與其他電流互感器亦有不同，需要把所有相導體及中性線同時穿過ZCT，接線示意及實物圖，但線路中的接地線不可同時穿過ZCT，否則會影響其監察作用，如屬裝甲電纜亦不應直接穿過ZCT，否則磁場會被裝甲消去。

初級三相電流的向量和在正常時應為0，但當某一相發生系統接地時，產生接地故障電流，部份電流流向地，這時向量和便不為0，零序電流互感器的次級便感應有電流輸出，從而使保護裝置操作，實現保護和監控，部份型號可安裝於掣櫃面板，實時顯示漏電電流，甚至與電腦系統連接加強對整個電力系統的監控，新建或維修時一般會整套（零序電流互感器及對地故障繼電器）一起購買或選購相同牌子型號，避免廠方設計時的微細差異，而影響運作。

合流電流互感器

首次認識合流電流互感器便是在美智工程，為CLPE進行報價。

合流電流互感器（Summation current transformer，SCT）主要用於把兩個以上同比例或不同比例的電流互感器，合流並輸出為總比例，目前最多可以把9組電流互感器合而為一。例如：兩個400/5及一個200/5的電流互感器，合流後它的總比例為1000/5或因應需要而變更為1000/1，同時提供保護及測量形號，4位實物及接線示意圖下圖，在香港必須向代理訂購，貨期一般為最少三個月。

實例應用：官塘某社區服務中心的辦公室，由於不斷擴展服務，因而在二樓、九樓及十一樓租有寫字樓，因為中電的大量用電收費計劃較為平宜，在申請時得知轉用大量用電收費計劃時，必須以單一電錶用電量為20000度才可以申請，惟各個辦公室相加總用電量才超越20000度電，因此找來承辦商相討，得出結論便是可以使用合流電流互感器，把三個計費電錶合為單一計費電錶，但在最後因為二樓與九樓及十一樓寫字樓由不同變壓器供電，無法進行而告終；安裝時有幾項原則必須遵守，包括如下：

1. 輸入合流電流互感器的各個普通電流互感器次級額定電流值必須相同（1A或5A）；

2. 輸入合流電流互感器的各個普通電流互感器的相序必須相同（L1只可與L1合流）；

3. 合流時，各個電流互感器的P1-P2及S1-S2方向性必須相同；

4. 輸入合流電流互感器的各個普通電流互感器的必須由同變壓器供電；

5. 輸入合流電流互感器的各個普通電流互感器的負荷（VA）必須相同；

6. 輸入合流電流互感器的各個普通電流互感器的準確度應該相同；

7. 訂購時，必須清楚電路數量與各個電路電流額定值，否則訂購回來後只會成為永久存儲物及重新訂購。

負荷

負荷（Burden）次級電路的阻抗在其上的精確度要求的依據。它通常表示為視在功率（以VA）在額定次級電流，並在指定的功率因數，由於負載端的阻抗會影響電流互感器的運作，以圖：6.72中的一般負荷為例，使用的電流互感器為15VA，被量度的導體在滿載1000A時，電流互感器的次級便會有5A電流在閉路線路中循環；在同一線路如使用的電流互感器只有10VA，被量度的導體在滿載同樣為1000A時，電流互感器的次級可能只有4A電流在閉路線路中循環，因此在安裝時電纜的截面積與長度也會有嚴格限制。例如：在本港向電力公司申請電力供應時，電力公司一般只會提供10米的2.5平方毫米的10芯電纜，供電流互感器與計費電錶之間的連接，如因地理環境影響兩者距離大於10米，便可能影響計費電錶的用電量，當然電力公司不會容許這個情況出現，因此必須事前通知電力公司相關負責人，安排提供較大截面積的電纜或較大負荷的電流互感器；當安裝保護用的電流互感器時，同樣應該注意故障繼電器之間的距離，以免因為電路的阻抗過大，而令電流互感器無法提供故障時的真實感應電流，以致故障繼電器無法運作或延長跳脫時間。

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