第四节 自耦变压器和仪用互感器

前面讨论是以普通双绕组电力变压器为例，分析了变压器的基本原理。尽管变压器的种类、规格很多，但其基本原理是一样的，我们不一一分析，这里简单分析一下自耦变压器及仪用互感器基本原理，前面分析变压器所用的方法及所得的结论在这类变压器的中仍能适用。

一、自耦变压器

1.结构

单相自耦变压器由一个铁心和一个具有中心抽头的绕组所组成，如图3-19所示，一次绕组的匝数为N₁，二次绕组的匝数为N₂，其中一部分为一、二次侧共用，于是一、二次侧有电的联系。

2.工作原理

因为一个铁心，一、二次侧共有一个合成磁通量，则同样可得一、二次侧绕组中感应电动势之比

即

因为N₁>N₂，故U₁>U₂，为降压的自耦变压器。反之，当一个自耦变压器将首尾A、B端作为二次绕组提供输出电压；而抽头端C与尾端B作为一次绕组加以输入电压，则此时为升压的自耦变压器。如果自耦变压器的中心抽头采用滑动的方法与绕组接触，则随着接触点位置的不同，N₂也随之改变，从而使变压器的变比K也改变。此时变压器即成为一个调压器，如实验室所用的自耦变压器。

当自耦变压器负载运行时，在公共绕组部分的电流：

其铁心的励磁磁动势为

Θ空载励磁电流I_m很小

而根据图3-19，由节点电流定律可得公共绕组中的电流

将式（3-29）代入上式，得

可见，自耦变压器公共绕组中的电流比负载电流要小，所以可以减少公共绕组部分的截面积，且变比K（大于1）越接近于1，的值就越小。

由于变压器的硅钢片和铜线的用量，与绕组的额定感应电动势和通过的额定电流有关，也就是与绕组容量有关。当变压器额定容量相同时，自耦变压器的绕组容量比普通双绕组变压器的小。故所用有效材料（硅钢片和铜线）少，成本低。有效材料的减少使得铜耗、铁耗以及励磁电流相应减少，效率较高。相应地，自耦变压器的外形尺寸及重量也较小。但是当自耦变压器的变比K较大时，它的优越性就不显著了。变比K越接近1，其优点越显著。故K一般不超过2。由于自耦变压器的一、二次侧有电的联系，因此内部绝缘和防过电压的措施都需要加强。自耦变压器除在电力系统中用在一、二次侧电压相差不大的场合外，还用作调压设备用和异步电动机起动器（补偿器）的重要部件。

二、仪用互感器

仪用互感器主要有两种：电压互感器和电流互感器，它们的基本结构和工作原理与普通双绕组变压器没有实质性的区别。但它们分别是用来测量电压和电流的，因此要求准确度较高。在制造材料和工艺等方面的要求比普通电力变压器高。普通变压器的磁路一般工作在半饱和状态，电压互感器和电流互感器的磁路则要求工作在线性段，这样才能保证它们的测量精度。使用互感器的目的是：①扩大仪表量程；②仪表、仪器与被测高压电路进行绝缘，只有磁的联系没有电联系，以保证测量人身和设备仪表安全。

1.电压互感器

为了测量较高的电压，必须采用电压互感器将高电压等级变换成低电压等级，以便电压表的显示或作为控制线路控制信号。此外，即使电压等级较低的线路，为了保证不同回路不相互产生干扰，也常常要求采用电压互感器进行隔离。图3-20是电压互感器接线图和电路符号，一次侧将接高电压，二次侧输出接测量仪表的电压线圈，其输出的标准电压，一般为100V。

电压互感器的典型负载是电压表，属于高阻抗测量仪表。因此电压互感器实质是一台工作在空载状态下的降压变压器。电压互感器一次绕组要求承受高电压，因此匝数较多，线径较细；二次绕组则正好相反，是匝数相对较少、线径相对较粗的绕组。它是采用变压器的变换电压的原理，将大电压变换成小电压，便于仪器仪表测量。

为了保证人身和设备安全，使用电压互感器时应注意：①电压互感器铁心与二次绕组的一端必须可靠接地；这是因为可以避免由于绝缘老化或其他因素导致绝缘下降时，一次绕组所连接的高电压对人或设备造成威胁。②使用时，二次绕组绝对不允许短路；若使用时一旦二次绕组短路，将会产生很大的短路电流，损坏电压互感器的一、二次绕组。③电压互感器的负载阻抗不能太小，如果所连接的负载阻抗太小，则负载电流较大，使短路阻抗产生的压降将较大，二次侧输出的电压将降低，影响测量的精度。

2.电流互感器

测量电流的电流表或电流线圈，允许通过的电流一般都较小，而用电设备的电流都较大。

为了对交流大电流进行测量，就需要使用电流互感器将其转换成小电流，再用电流表或其他仪器进行测量。电流互感器的接线图和电路符号如图3-21所示，一次侧将串接在用电设备电路中，二次侧输出接测量仪表的电流线圈，二次侧标准输出电流有两种：5A和1A。5A互感器一般用于电流测量仪表或继电保护电路控制用，1A互感器则通常用做小电流的控制系统使用。

电流互感器的典型负载是电流表，属于低阻抗测量仪表，因此电流互感器实质是一台工作在短路状态下的升压变压器。电流互感器一次绕组要求通过被测量线路的大电流，且要求不应对被测电路产生影响。因此，电流互感器一次绕组的匝数很少（常常只有一匝或半匝）。一次绕组线径很粗，一般与被测线路导线截面积相同。电流互感器二次绕组正好相反，是匝数多、线径细的绕组，它是采用变压器的变换电流的原理，将大电流变换成小电流，便于仪器仪表测量。

为了保证人身和设备安全，使用电流互感器时应注意：①电流互感器铁心与二次绕组的一端必须可靠接地；与电压互感器相同，电流互感器的一次侧所连接的电路，一般电压等级也较高。为了避免由于绝缘下降等造成对人或设备的威胁，使用时，电流互感器铁心与二次绕组的一端必须可靠接地。②使用时，二次绕组绝对不允许开路；这是因为电流互感器实质上是一台工作在短路状态下的升压变压器，一旦工作时二次绕组出现断路故障，二次绕组将感应高电压，危及人身或设备的安全。更为重要的是，正常工作时的电流互感器，二次绕组通过的短路电流对一次绕组电流建立的磁动势具有去磁作用。一旦工作时，二次绕组出现断路，二次绕组建立的去磁磁动势为零，一次绕组电流建立磁动势将使互感器铁心严重饱和，而由于铁磁材料具有磁滞特性，严重饱和的铁心将直接使电流互感器报废。③电流互感器的负载阻抗不能太大；若负载阻抗较大，也将影响电流互感器的测量精度。