第六章 厂用电接线及设计 6.3...

第六章厂用电接线及设计

6.3 互感器的原理与选择

河海大学 能源与电气学院王敏

第六章 导体和电气设备的原理与选择

6.1 电气设备选择的一般条件

6.2 高压断路器和隔离开关的原理与选择

6.3 互感器的原理与选择

6.4 限流电抗器的选择

6.5 高压熔断器的选择

6.6 裸导体的选择

6.7 电缆、绝缘子和套管的选择

6.3 互感器的原理与选择

一、电流互感器

二、电压互感器

三、互感器的配置

互感器是一次回路与二次回路的联络元件。

用以向测量仪表、继电器的电流线圈和电压线圈供电，正确反

映电气设备的正常运行和故障情况。

是一种特殊变压器，由铁芯、原绕组和副绕组构成。主要为测

量和保护服务。

负荷

WWVV AA

电源

TV TA

将一次回路的高电压和大电流变为二次

回路标准的低电压（100V或100/3V或

100/√3V）和小电流（5A或1A）。

将一次回路的高电压和大电流变为二次

回路标准的低电压（100V或100/3V或

100/√3V）和小电流（5A或1A）。互感器的作用是：

使测量仪表、继电器等二次设备与主电路隔离，且互感器

二次测均接地，保证了设备和人身的安全；

使测量仪表、继电器等标准化，有利于大批量生产；

所有二次设备可用低电压、小电流的控制电缆连接，为实

现集中管理、远方控制和测量提供了方便。

使测量仪表、继电器等二次设备的使用范围扩大。

例如一只

大的电流

例如一只5A的电流表通过TA

就可以测量任意大的电流

一、电流互感器的原理与选择

一）电流互感器的工作原理

二）电流互感器的工作状态

三）电流互感器的误差

四）电流互感器的准确级与额定容量

五）电流互感器的分类和结构

六）电流互感器的接线

七）电流互感器的选择

一）电流互感器的工作原理（电磁式）

电流互感器的原理接线如图：电流互感器的原理接线如图：

电力系统中广泛采用的是电磁式电流互感器，它的工作原理和变压器相似。

一次绕组串联在一次回路中：匝数很少，导线很粗；

一次绕组的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而

与二次电流大小无关

二次绕组：匝数很多，导线很细，与测量仪表、继电器等

的电流线圈串联。

TA近似在短路状态下运行？TA近似在短路状态下运行？

电流互感器的一次电流I1与二次电流I2之间的关系为

221

21 IKI

N

NI i

式中，Ki为电流互感器的变流比， 。21 NNi IIK

电流互感器的二次回路

中所串接的负载，是测量

仪表和继电器的电流线圈。

它们的阻抗都很小，因此

电流互感器在正常工作时，

二次侧接近于短路状态，

这是与普通电力变压器的

主要区别。

电流互感器在正常工作时，二次绕组绝对不允许开路电流互感器在正常工作时，二次绕组绝对不允许开路

二）电流互感器的工作状态

TVTV

NN11

NN22II22

II11

负载负载

AA WhWh

TATA

～～

三）电流互感器的误差

图 电流互感器的等效电路和相量图图 电流互感器的等效电路和相量图

a）等效电路 b）相量图

由于电流互感器本身存在励磁损耗和磁饱和

等影响，使一次电流I1和二次电流I2′在大小和相

位上都有误差。。

根据磁势平衡原理可知: 102211 NININI

201

2201 IIN

NIII ∴

由相量图可知， 与 不仅在数值上不相等，而且相位也

不相同，即出现了电流误差和相位误差（比差和角差）。

2I

1I

图 电流互感器的等效电路和相量图图 电流互感器的等效电路和相量图

a）等效电路 b）相量图

电流误差 fi（又称比值差） ：是二次电流乘以额定变流比

Ki与一次电流数值差的百分数，即

%1001

12

I

IIKf ii

由于 很小，由图可得：i %100)sin(

1

0

I

If i

ii sin

相位误差 （又称角差）：是 与 的相角差，并规定若

超前于 ， 为正值，反之为负值。

i 2I 1I

2I 1I

i

0

1

cos( ) 180

3.14

I

I

电流互感器的误差与下列因素有关：

与励磁安匝大小有关：励磁安匝加大时，误差加大。

一次电流大小有关：在额定值范围内，一次电流增大时，

误差减小，当一次电流在额定值附近时，误差最小。

与二次负荷阻抗大小有关：二次负荷阻抗加大时，误差加

大。

与二次负荷的功率因数有关：功率因数减小时，电流误差

将加大，而相位误差相对减小。

四）电流互感器的准确级与额定容量

电流互感器的准确级以电流误差fi来定义的。即：

在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差。（准确级越大，误差越大，精度越低）

%1001

12

I

IIKf ii

准确级：TA根据测量时误差的大小而划分不同的准确级。指的是

在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差

准确级的分类：

测量用：0.2、0.5、1、3

保护用：5P、10P

TPS、TPX、TPY、TPZ

最大复合误差

稳态保护用：按变换

稳态短路电流设计

暂态保护用：按变换

瞬态短路电流设计，

适合与高速动作的保

护装置和断路器配合

准确级 一次电流为额定电流的百分值

误差限值 二次负荷变化范围

电流误差（%） 相位差（’）

0.2 10

20

100~120

±0.5

±0.35

±0.2

±20

±15

±10

（0.25~1）S2N

0.5 10

20

100~120

±1

±0.75

±0.5

±60

±45

±30

1 10

20

100~120

±2

±1.5

±1

±120

±90

±60

3 50~120 ±3 不规定 （0.5~1）S2N

测量用TA准确级和误差限值测量用TA准确级和误差限值

扩展阅读：TA不同测量准确级的应用

装于重要回路（如发电机、调速器、变压器、厂用馈线、出

线等）中的电能表和计费的电能表一般采用0.5～1级表，相

应的互感器的准确级不应低于0.5级；

对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线和

500KV宜用0.2级；

供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表，一般皆用

1～1.5级的，相应的电流互感器应为0.5～1级

供只需估计电参数仪表的互感器可用3级。

保护型TA准确级和误差限值

保护级的准确级以额定准确限值一次电流（额定一次电流倍数，

I1/IN ，也称额定准确限值系数）下的最大复合误差 来标称。%

复合误差 ：在稳态情况下，电流互感器二次电流瞬时值乘

以额定变比后与一次电流瞬时值之差的有效值占一次电流有

效值的百分数，即

T

i dtiiKTI 0

212

1

1100

对保护级TA，主要在系统短路时工作，因此在额定一次电流范

围内的准确度要求不如测量级高，只相当于3～10级，但对可能

出现的短路电流范围内，则要求TA的最大误差不超过 –10%。

准确级

电流误差（%） 相位差（’） 复合误差（%）

在额定准确限值一次电流下在额定一次电流下

5P

10P

±1.0

±3.0

±60

----

5.0

10.0

扩展阅读：

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电流互感器的10%误差曲线，是指

电流互感器的误差为--10%时，一次电流

倍数 与二次负荷阻抗最大允许

值的关系曲线，如图所示。因此TA满足

10%误差要求的条件获得如下：

11 / Ni IIn

图 电流互感器的10%误差曲线

2 212 2 2 2( )

i

IS I Z Z

k

2 2| |aiZ Z

11 / Ni IIn 已知

电流互感器的额定容量

TA的额定容量是指TA在额定二次电流（5A、 1A）IN2和额定

二次阻抗ZN2下运行时，二次绕组输出容量，也可用二次阻抗表

示。

注意：由于TA的误差和二次负荷有关，同一个TA在不同的二次

负荷下，准确级不同，额定容量也不同。

如:LMZ1-10-3000/5 型电流互感器

在0.5级工作时， S2N=40VA (Z2N=1.6欧)

在1级工作时， S2N=60VA (Z2N=2.4欧)，

22 2 2N N NS I Z

225 NZ

注意：

只有二次负载阻抗Z 在一定范围内（小于某个值），才能保证电流互感器达到一定的准确级。只有二次负载阻抗Z2在一定范围内（小于某个值），才能保证电流互感器达到一定的准确级。

同一台电流互感器工作在不同准确级时，可以带不同范围（上限值）的二次负载阻抗。同一台电流互感器工作在不同准确级时，可以带不同范围（上限值）的二次负载阻抗。

五）电流互感器的分类和结构

按一次电压分：有高压和低压两大类；

按一次线圈匝数分：有单匝式和多匝式；

按安装地点分：有户内式和户外式；

按用途分：有测量用和保护用两大类；

按准确度等级分：有0.2、0.5、1、3、5P、10P等级；

按绝缘介质分：有油浸式和干式（含环氧树脂浇注式）；

按安装型式分：有穿墙式、母线式、套管式、支持式等；

按工作原理分：电磁式、电容耦合式、光电耦合式、无线

电电磁波耦合式。

电流互感器的结构

在同一回路中，不同的二次负荷对电流互感器有不同的精不同的二次负荷对电流互感器有不同的精

度度要求要求，，往往需要多只电流互感器，用以供给各种测量与各种保护。

为了节约材料和降低投资，高压电流互感器常由多个没有磁联系的独立铁心和二次绕组与共用的一次绕组构成具有同一电流比、多个二次绕组的电流互感器。

3～35kV：2个二次绕组110 kV 个二次绕组220 kV 个二次绕组

3～35kV：2个二次绕组110 kV：3~4个二次绕组220 kV：4～5个二次绕组

图某工厂35kV总降压变电所的主接线图

a) 单匝式 1 — 一次绕组 2 —绝缘 3 —铁心 4 — 二次绕组

a）单匝式电流互感器是由载流导体（作为一匝原绕组）

穿过绕有副绕组的环形铁芯构成。它结构简单、体积小、

价格低。但由于原绕组是单匝，当被测电流很小时，原边

磁势小，测量精确度很低。

按照一次绕组的匝数分：

图 LMZJ1-0.5型电流互感器1—铭牌 2—一次母线穿孔 3—铁心

4—安装板 5—二次接线端子

•LMZJ1-0.5型电流互感器：属于单匝式电流互感器，互感器铁

心为环形（5～800A）或矩形卷铁心（1000～3000A）。

图 LQJ-10型电流互感器1—一次接线端子 2—一次绕组 3—二次接线端子

4—铁心 5—二次绕组 6—警告牌

LQJ-10型电流互感器：有两个铁心和两个二次线圈，0.5级

用于测量，3级用于继电保护。

当一次额定电流为400A及以下时，为提高其测量准确度，

将一次绕组制成两匝或两匝以上，就构成了多匝式。

例如：为了适应不同一次负荷电流的要求，110kV及以上

的电流互感器常常将一次绕组分成几组，通过改变一次

绕组的串并联关系，即可方便地获得2－3个额定电流比。

b) 多匝式

图 LLB-110型 SF6电流互感器

例：LLB-110型电流互感器：为倒挂式结构，互感器的底座、

瓷套与顶部躯壳内部充以SF6气体作为绝缘介质。

六）电流互感器的接线

是指TA与测量仪表或电流继电器之间的接线方式。是指TA与测量仪表或电流继电器之间的接线方式。

电流互感器的接线方式

a）一相式接线

b）不完全星形接线

c）两相电流差接线

d）三相星形接线

一相式接线：用于负荷平衡的三相电路中。

如低压动力线

保护用

如低压动力线

中，供测量电

流或接过负载

保护用。

特点：仅能反映一相电流的变化。

两相两继电器接线：用于中性点不接地的三相三线制系统中。

又叫两相不完全星形接线或两相V形接线

特点：比较经济。

如 测量三相电流和

作为相间短路保护接线

如6~10kV测量三相电流和

作为相间短路保护接线

0 bI I

两相一继电器接线：用于中性点不接地的三相三线制系统的继电保护装置中。

又叫两相交叉接线、两相电流差式接线或

差接法

a cI I 特点：不同形式的故障时，流过

继电器的电流不同。

不同形式的故障时，流过继电器的电流情况？不同形式的故障时，流过继电器的电流情况？

三相三继电器接线：用于三相四线制或负荷可能不平衡的三相三线制系统中。

又叫三相完全星形接线或完全星形

特点: ①三个线圈正好反映各相电流，对各种故障都起作用。

②使用元件多，费用较高。

电流互感器的使用注意事项

电流互感器在工作时二次侧绝对不允许开路，并且不允许

串接开关和熔断器；

电流互感器的二次侧必须有一端良好接地；

二次侧负荷阻抗必须在允许范围之内，否则准确度将下降。

防止一、二次侧绕组

间绝缘损坏，危及设

备和人身安全

为什么为什么？

接线时注意极性：我国电流互感器采用“减极性”接线。

减极性：在一次绕组和二次绕组的同极性端（同名端）同时加入某一同相

位电流时，两个绕组产生的磁通在铁芯中同方向。

按照同名端来标记一、二次绕组的首末端按照同名端来标记一、二次绕组的首末端

流过继电器的电流方

是一致的

流过继电器的电流方向，与取消TA而将继电器直接串联在一次电路中的电流方向是一致的。

一次回路额定电压和额定电流；

二次额定电流的选择；

种类和类型的选择（见书）；

准确级和额定容量的选择；

10%误差曲线的校验（保护级）；

热稳定和动稳定校验。

七）电流互感器的选择

220kV及以上

的TA宜选1A

N maxI IN NsU U

为确保所供仪

接近电流

为确保所供仪表的准确度，TA的一次侧额定电流应尽可能与最大工作接近电流

取线路最大工作电流或变压器

额定电流的1.2～1.5倍。

取线路最大工作电流或变压器

额定电流的1.2～1.5倍。

• 准确级的选择原则：互感器的准确级不得低于所供测量仪

表的准确级。当所供仪表要求不同的准确级时，应按相应

最高级别来确定电流互感器的准确级。

即TA二次侧所接负荷S2应不大于该准确级所规定的额定容量SN·TA

2

22 2NS I Z

2 TANS S

2| | i WL touZ Z Z R

连接导线的阻抗？与TA的接线方式有关

接头的接触电阻，近似取0.1Ω

仪表、继电器线圈；可由产品样本查得

2

22 2NS I Z

2| | i WL touZ Z Z R

因此，满足准确度等级的连接导线阻抗为

22

22

( )N TA N i tou

N

S I Z R

I

WLZ <

2 TANS S

2

22 TAN NI Z S

则连接导线的截面为：

c

WL

lA

Z

式中，lc 为连接导线的计算长度（m），与电流互感器的接线方式有关。

一般是铜导线，为0.0175

ll c 2

ll c

ll c 3

l为从电流互感器二次端子到仪表、继电器接线端子的单向长度

注意：选择电流互感器二次侧连接导线截面时，还应按机械

强度进行校验 铝线截

面不得小于

注意：选择电流互感器二次侧连接导线截面时，还应按机械

强度进行校验，一般要求铜线截面不得小于1.5mm2，铝线截

面不得小于2.5mm2 。

•一相式接线:

•三相完全星形接线 :

•两相不完全星形接线和两相电流差接线：

TA的的动稳定和热稳定校验：

一般TA的铭牌参数会给出动稳定倍数和热稳定倍数，因此：

21( )t N kK I t Q

12es N shK I i

短路电流在短

路作用时间内

的热效应

一般 是1S热稳定

电流倍数，即t=1S

tK

磁绝缘型TA需要做外部动稳定校验，相间相互作用的电动力

有可能使磁绝缘的电流互感器损坏：

210.173 ( )

2P sh

LF i N

a

若电流互感器为母线磁套绝缘，则

2

1 2

0.173 ( )

1( ) ( )

2

cP sh

c

LF i N

a

L L L m

TA出线端至最近一个母线支柱绝缘子之间的跨距TA出线端至最近一个母线支柱绝缘子之间的跨距

特殊用途和新型电流互感器简介

组合互感器（高压计量箱）组合互感器是将电压互感器、电流互感器组合到一起的互感器。组合互感器可将高电压变化为低电压，将大电流变化为低电流，从而起到对电能计量的目的。

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户外专用环氧树脂真空浇注而成，外形采用防雨伞裙，表面爬电距离大，防雨、防尘、耐腐蚀

型号额定电压比

（V）

三相额定输出（VA）

极限输出（VA）

额定绝缘水平（KV）

0.2 0.5 0.5 3

JLSZ1-6W 60000/10020或25 50 50 200 400

7.2/32/60

JLSZ1-10W 10000/100 12/42/75

额定电流比

（A）准确级次

额定二次输出（VA） IS热电流

（KA有效值）

动稳定电流

（KA峰值）0.2S 0.2 0.5S

5～300

0.2S

0.5S10 15 10

20 45

400 24 60

600 32 80

800 60 100

1000 80 100

钳形互感器钳形电流互感器是一款精密电流互感器（直流传感器），是专门为电力现场测量计量使用特点设计的。该系列互感器选用高导磁材料制成，精度高。线性优。抗干扰能力强等。使用时可以直接夹住母线或母排上无须截线停电其使用十分方便。它可配合多种测量仪器，电能表现场校验仪、多功能电能表、示波器、数字万用表、双钳式接地电阻测试仪、双钳式相位伏安表等， 可在电力不断电状态下，对多种电参量进行测量和比对。

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零序电流互感器

零序电流互感器在电力系统产生零序接地电流时与继电保护装置或信号配合使用，使装置元件动作，实现保护或监控。

当电路中发生触电或漏电故障时，互感器二次侧输出零序电流，使所接二次线路上的设备保护动作(切断电源,报警等等）。

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微型电流互感器

对于指针式的电流表，电流互感器的二次电流大多数是安培级的（如5A

等）。

随着电力系统的迅速发展，微电子技术越来越多地渗透到电力系统自动化管理和控制、在线监测和保护等领域，因而需要将强电量SA至数百安

培电流转换为计算机数据采集、模数传换接口以及其它种类电子电路所能接收的弱电量信号。对于数字化仪表，采样的信号一般为毫安级（0-

5V、4-20mA等）。

微型电流互感器二次电流为毫安级，微型电流互感器也有人称之为“仪用电流互感器”。“仪用电流互感器”有一层含义是在实验室使用的多电流比精密电流互感器，一般用于扩大仪表量程。

微型电流互感器是电力仪表的最前端取样器件，直接影响智能电力仪器仪表的测量精度。对于此种电流互感器，一方面要求其测量精度高，另一方面又要有良好的抗电磁干扰能力和长时间的稳定性。

高精度电流互感器系列产品属于测量范围宽，输出电流小，不需要电子补偿线路，且体积小巧（可以做到指甲盖大小），非常适用于高精度的标准电度表、功率计、电量变送器等电力仪器仪表。

目前国产微型电流互感器的精度在0.1级左右。

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高精度电流互感器系列产品属于测量范围宽，输出电流小，不需要电子补偿线路，且体积小巧（可以做到指甲盖大小），非常适用于高精度的标准电度表、功率计、电量变送器等电力仪器仪表。

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传统的电流互感器原理是电磁感应，一次绕组串联在电力线路中，二次绕组外部回路接有测量仪器或继电保护及自动控制装置，利用高、低压绕组之间的电磁耦合，将信息从一次侧传到二次侧。这种结构要求在铁芯与绕组间以及一、二次绕组之间有足够耐压强度的绝缘层，以保证所有的低压设备与高电压相隔离。

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随着电力系统传输的电力容量的增加，电压等级越来越高，这样互感器的绝缘结构越来越复杂，体积和重量加大，产品的造价也越来越高。例如，常规的油浸式电流互感器，500kV产品的价格要比300kV的价格增加一倍。

又因电磁型电流互感器的铁心具有饱和非线性，当电力系统发生短路故障时，高幅值的短路电流使互感器饱和、输出的二次电流严重畸变，造成保护拒动，使电力系统发生严重事故。互感器的饱和引起波形畸变，而且其频带响应特性较差，频带窄，系统高频响应差，而导致新型的基于高频暂态分量的快速保护的实现存在困难等一系列隐患。

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随着光电子技术的迅速发展，科技人员已研制出利用光学传感技术和电子学原理相结合的电子式电流互感器，简称数字互感器或光电互感器。电子式电流互感器一般具有抗磁饱和、低功耗、宽频带等优点。

数字互感器在原理与传统的互感器完全不同，数字互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压、电流测量的新型互感器。它是光学电压互感器（OVT）、光学电流互感器（OCT）、组合式光学互感器等各种光学互感器的通称。基于晶体材料光电效应的教字式光电互感器，将取代现有基于铜材电磁效应的铁磁式互感器

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有源型电子式电流互感器特点是一次传感器为空心线圈，高压侧电子器件需要由电源供电方能工作。

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无源磁光玻璃型电子式电流互感器特点是一次传感器为磁光玻璃，无需电源供电。

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原理：法拉第磁光效应

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与传统的电磁感应式电流互感器相比，光电式电流互感器具有以下优点：

（1）优良的绝缘性能，造价低。电磁感应式电流互感器绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。在光电式电流互感器中，高压侧信息是通过由绝缘材料做成的玻璃光纤而传输到低压侧的，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级升高呈线性地增加。

（2）不含铁心，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。光电式电流互感器运行暂态响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。

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（3）电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路高电压危险。由于光电式电流互感器的高压与低压之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，因此可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压侧没有因开路而产生高压的危险，同时因没有磁耦合，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。

（4）暂态响应范围大，测量精度高。电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，并在一个通道同时满足高精度计量和继电保护的需要。光电式电流互感器有很宽的动态范围，一个测量通道额定电流可测到几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培。因此既可同时满足计量和继电保护的需要，又可免除电磁感应式电流互感器多个测量通道的复杂结构。

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（5）频率响应范围宽。光电式电流互感器传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间，实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。现代光电式电流互感器的结构已经可以测出高压电力线路上的谐波。而电磁感应式电流互感器是难以进行这诸多方面工作的。

（6）没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险。光电式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，在结构设计上就可避免这方面的危险。

（7）体积小、重量轻。光电式互感器的传感头本身的重量一般小于1KG。

（8）适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。光电式电流互感器一般以数字量输出，这将最佳地适应日趋广泛采用的微机保护、电力计量数字化及自动化发展的潮流。

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变频功率传感器是一种电子式互感器，变频功率传感器通过对输入的电压、电流信号进行交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输入二次仪表相连，数字量输入二次仪表对电压、电流的采样值进行运算，可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。

电子式互感器扩展阅读

应用：750千伏延安智能变电站简介

750千伏延安智能变电站位于全国著名的洛川会议旧址、苹果之乡的洛川县，北距革命圣地延安市95公里，南距西安市200公里。

750千伏延安智能变电站占地183.63亩，工程总投资5.8

亿元，于2009年4月10日正式开工建设，本期安装2100

兆伏安变压器1组，远期2组，750千伏出线本期两回，远期8回；330千伏出线本期4回，远期12回

应用：750千伏延安智能变电站简介

应用：750千伏延安智能变电站简介

330kV电子式互感器与刀闸静触头共柱安装，可节约占地约4

亩

330kV电子式互感器与刀闸静触头共柱安装，可节约占地约4

亩

750kV电子式互感器、智能主变压器和智能断路器为世界首台首套750kV电子式互感器、智能主变压器和智能断路器为世界首台首套

如何分析影响电流互感器的误差的因素？

课后学习：

理论分析（了解）：

影响电流互感器磁动势方程：

)('3440)cos(222

)(

(%)100)sin(222

)(

2

2

22

2

2

22

SN

LZZ

SN

LZZf

avl

i

avl

i

/

)(

44.4

10

2222

22

BLNI

ZZIE

BSfNE

av

l

磁动势方程：

二次侧回路方程：

电磁感应定律：

S---铁芯截面（m2）

Lav---磁路平均长度（m）

μ---铁芯磁导率（H/m）

Z2---二次绕组内阻抗（Ω）

Z2l---二次侧负载阻抗（Ω）

N2---二次绕组匝数

铁芯及二次绕组的结构；

二次负荷；

铁芯磁导率μ

下 课！

第六章厂用电接线及设计

6.3 互感器的原理与选择

河海大学 能源与电气学院王敏

第六章 导体和电气设备的原理与选择

6.1 电气设备选择的一般条件

6.2 高压断路器和隔离开关的原理与选择

6.3 互感器的原理与选择

6.4 限流电抗器的选择

6.5 高压熔断器的选择

6.6 裸导体的选择

6.7 电缆、绝缘子和套管的选择

6.3 互感器的原理与选择

一、电流互感器

二、电压互感器

三、互感器的配置

二、电压互感器的原理与选择

一）电磁式电压互感器工作原理

1电压互感器的特点

2电压互感器的准确级和额定容量

3电压互感器分类和结构

二）电容式电压互感器

三）电压互感器接线

四）电压互感器选择

1选择结构类型、接线方式和准确等级

2选择额定电压

3选择容量

一）电磁式电压互感器工作原理

1电压互感器的特点

一次绕组：匝数很多，并联在供电系统的一次电路中；

11 2 2

2u

NU U K U

N

电压互感器的一次电压U1与二次电压U2之间的关系为

二次绕组：匝数很少，与电压表、继电器

的电压线圈等并联，接近于空载运行。

式中，Ku为电压互感器的变压比， 。1 2u N NK U U

电压互感器的等效电路和相量图如图所示：

)()()( 212102120222112221 ZZIZIUZIIZIUZIZIUU

电压互感器的等效电路和相量图a）等效电路 b）相量图

2 电压互感器的准确级和额定容量

电压误差 fu（又称比值差） ：是二次电压乘以额定变压比

Ku与一次电压数值差的百分数，即

%1001

12

U

UUKf uu

相位误差 （又称角差） ：是 与 的相角差，并规

定若 超前于 ， 为正值，反之为负值。u

u2U

1U

2U 1U

由相量图可知， 与 不仅在数值上不相等，而且相位也不相同，即出现了电压误差和相位误差

2U

1U

1）准确级：在规定的一次电压和二次负荷变化范围

内，负荷功率因数为额定值时，电压误差的最大值。

准确级的分类：

测量用：0.2、0.5、1

保护用： 3、3P、6P

实验室等精密测量实验室等精密测量

功率表用功率表用

电压互感器的准确级及误差

电压互感器的误差与下列因素有关：

•互感器的励磁电流有关：励磁电流增大时，误差也增大。

•与互感器绕组的阻抗及漏抗有关：阻抗和漏抗加大时，误

差也加大。

•与互感器二次负荷阻抗大小有关：二次负荷阻抗加大时，

误差加大。

•与二次负荷的功率因数有关：功率因数减小时，角误差将

明显增大。

电压互感器的额定容量SN2是指对应于最高准确级下的容量(VA)。即：电压互感器在

这种负荷容量下所引起的误差，不会超过这一准确级规定的数值。

2）电压互感器的额定容量

另外，按照电压互感器在最高工作电压下长期工作允许发热条件，还规定有最大

（极限）容量。

2

2 2 2/N N NS U Z

例如：JSJW-10型电压互感器

二次绕组额定容量(VA)最大容量(VA)

0.5级 1级 3级

120 200 400 960

同一台电压互感器工作在不同准确级时，会有不同的额定容量，即可以带不同范围的额定二次阻抗。

3. 电压互感器的分类和结构

按相数分：有单相和三相两大类；

按绕组分：双绕组、三绕组、多绕组；

按用途分：有测量用和保护用两大类；

按准确度等级分，有0.2、0.5、1、3、3P、6P等级；

按安装地点分：有户内式和户外式；

按绝缘介质分：有油浸式和干式（含环氧树脂浇注式）。

20

以 下才有

20kV

以 下才有

用于 室内

等优点

用于3~35kV室内

配电装置，具有尺寸小，重量轻等优点

用于 及以下空气干

爆炸危险等优点

用于6kV及以下空气干

燥的室内配电装置，具有重量轻无着火和爆炸危险等优点。

电压互感器的型号：

（1）三相式结构

三相式结构的电压互感器仅适用于20kV及以下电压等级，有三相三柱式和三相五柱式两种结构，如图所示。

图 三相式电压互感器结构a) 三相三柱式结构b) b) 三相五柱式结构

a) 三相三柱式电压互感器只能用来测量线电压，由于它的一次侧中性点不允许接地，故不能用来测量相对地电压。

原因：要测量相对地电压，它的一次侧中性点必须接地。当系统发生

接地故障时，三相绕组中的零序电流同时流向中性点，产生的三相零序磁通同相位，在三个铁心柱中不能构成零序磁通通路，只能通过气隙和铁外壳构成回路，由于磁阻很大，使得零序电流比正常励磁电流大很多倍，使互感器

绕组过热甚至烧毁。

b) 三相五柱式电压互感器由于两个边柱为零序磁通提供了通路，其一次绕组中性点可以接地。这种结构与接线可用来测量线电压，也可以用测量相对地电压。

（2）单相式结构单相电压互感器可以构成单

相、三相电压互感器，适用于任何电压等级。分为普通式和串级式，其结构原理图如图所示。

图

双绕组和单相三绕组TV

图a和图b分别为单相

双绕组和单相三绕组TV结构原理示意图。

图级式原理示意图。

图c为220kV串级式TV的结构原理示意图。

35kV及以下TV采用普通式结构，它与普通小容量变压器相似。

110kV及以上的电磁式电压互感器普遍制成串级式结构。

其特点是：该互感器由两个铁心(元件)组成，两个铁心互相绝缘；一次绕组分成匝数相等的四部分 分别绕在两个铁心的上 按磁通相加方向顺序串联，接于相与地之间 每个铁心上的两个绕组的中点与铁心相连 减小了重量和体积 每段绕组对铁心的最高电压为 设计

其特点是：该互感器由两个铁心(元件)组成，两个铁心互相绝缘；一次绕组分成匝数相等的四部分，分别绕在两个铁心的上、下铁心柱上，按磁通相加方向顺序串联，接于相与地之间，每个铁心上的两个绕组的中点与铁心相连。 铁心与绕组采用分级绝缘，节省了绝缘材料，减小了重量和体积，降低了成本。每段绕组对铁心的最高电压为Uph/4，所以每段绕组对铁心的绝缘只需按Uph/4设计，比普通结构的TV减少了3/4的绝缘

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平衡绕组的作用:同一铁心的两个铁心柱，由于位置不同，漏磁通路有差异，会使两铁心柱中磁通不等，此二铁心柱上的两段线圈的电压分布不匀。为此，在同一铁心的上下铁心柱上绕有匝数相等、绕向相同、反向对接的平衡绕组。若两柱中磁通不等，在平衡绕组内产生平衡电流，使磁通大者去磁，磁通小者助磁，从而使两柱中磁通相等，两段线圈电压分布均匀。

WM

图 JDJ-10型电压互感器

图 JDJ2-35型电压互感器

• JDJ型单相双绕组油浸式电压互感器：

WM

JDC6-110型单相三绕组串级式（分级绝缘）电压互感器

JSJW型三相三线圈五芯柱油浸式电

压互感器：用于小电流接地系统中的

电压、电能测量和绝缘监视。

图 JDZJ-10型电压互感器

1—一次接线端子 2—高压绝缘套管

3—一、二次绕组 4—铁心 5—二次接线端子

• JDZJ-10型单相三绕组环氧树脂浇注绝缘绝缘电压互感器：

其外形结构如图所示，采用Y0/Y0/ （开口三角形）接线，额

定电压为 V3

100V

3

100V

3

10000a cbU U U

• 随着电力系统输电电压的增高，电磁式电压互感器的体积越来越大，成本随之增高，因此研制了电容式电压互感器。

• 电容式电压互感器的分压电容还可兼作载波通讯的耦合电容。

• 在110kV及以上的高压配电装置中应用比较广泛。

二）电容式电压互感器

为了防止 产

的放电间隙

为了防止L和C2产

生的共振过电压引起的绝缘击穿，在电容C2两端并联的放电间隙

至通信设备

1U

2CU

b

a

TVL

1F

2Z

dr

2C

1C

3U

2U

为了减少负荷电流的为了减少负荷电流的影响，测量仪表经中间电磁式电压互感器与分压器相连

为了抑制电容和

入的阻尼电阻

为了抑制电容和TV的励磁绕组可

能激发产生铁磁谐振过电压而接入的阻尼电阻

1 12 1

1 2C

U CU KU

C C

(2)电容式电压互感器误差电容式电压互感器的误差是由空载电流、负载电流以及

阻尼器的电流流经互感器绕组产生压降而引起的，其误差由空载误差 、 ，负载误差 、 和阻尼器负载电流产生的误差 、 等几部分组成，即

dzu ffff 0

dzu 0

电容式电压互感器的误差除受一次电压、二次负荷和功率因数的影响外，还与电源频率有关。

电容式电压互感用于110~500kV中性点直接接地系统。

0f 0 zf z

df d

三）电压互感器接线

相对地

电压以及发生单相接地故障时的零序电压等

在三相系统中需要测量的电压有：线电压、相对地

电压以及发生单相接地故障时的零序电压等。

WM

图 电压互感器的接线方式

a

b

c

d ）

形接线

a）单相式接线

b）V/V形接线

c）Y0/Y0形接线

d）Y0/Y/（开口三角）

形接线

二次侧过负载及短路保护

TV内部短路及其连线等处短路保护

WM

单相式接线：用于测量任意两相间的电压。

一个单相一个单相电压互感器3~35kV3~35kV

TV

110~220kV110~220kV

• a) 3～35kV的电压互感器需经隔离开关和熔断器接入高压电网。高压侧熔断器的作用：保护高压电网不因一次绕组或引线短路危及一次系统的安全。

• b) 110kV及以上的电压互感器只经隔离开关接入高压电网，其回路中不使用熔断器，其理由之一是，110kV及以上的电压互感器可靠性高；其二是，110kV及以上的熔断器制造困难，价格昂贵。

注意：

WM

两个单相TV接成V/V形接线：供测量各个线电压和电能，广泛应用在工厂变电所的高压配电装置中。

3~35kV3~35kV

WM

三个单相电压互感器接成Y0/Y0形接线：可测量电网的线电压和相电压，并可供电给绝缘监察电压表。

3 直接由隔离开关接入电网3~220kV。当110kV及以上时，直接由隔离开关接入电网

WM

三个单相三线圈TV或一个三相五芯柱三线圈TV接成Y0/Y0/

（开口三角形）接线：接成Y0的二次绕组，供电给需要线电

压的仪表、继电器及绝缘监察电压表；接成开口三角形的辅

助二次绕组，构成零序电压过滤器，用于检测零序电压。

3 及

以上时 直接由隔离开关接入电网

3~220kV。当 110kV及

以上时，直接由隔离开关接入电网

辅助二次绕组 用于大电流接地系统的接地保护。辅助二次绕组（开口三角形接线）用于大电流接地系统的接地保护。正常运行时，开口三角两端之间电压为0V；单相金属性接地时，开口三角两端之间电压为零序电压的3倍。

四、电压互感器的选择

1、选择结构类型、接线方式和准确等级

应根据安装地点及使用条件来选择电压互感器的种类和型式。

6~20kV屋内：一般采用油浸绝缘或树脂浇注绝缘的电磁式电压互感器。35~110kV：一般采用油浸绝缘的电磁式电压互感器。220kV及以上：当容量和准确度等级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。

或三台单相式三绕组电压互感器

需要测量零序电压时，6~20kV可以采用三相五柱式三绕组电压互感器，或三台单相式三绕组电压互感器。

35kV及以上只有单相式电压互感器。

①发电厂和变电所中电压互感器的准确级分为0.2、0.5、1、3

② 电压互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级

①发电厂和变电所中电压互感器的准确级分为0.2、0.5、1、3级及3P和 6P级（保护级）。

②为保证测量仪表的准确度，电压互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。

1、选择结构类型、接线方式和准确等级

2 2 2 22

1 1 1 1

( cos ) ( sin ) ( ) ( )n n n n

i i i i i ii i i i

S S S P Q

各仪表的功率，用最大负荷相的负荷

为保证所选电压互感器的准确级，其最大相二次负荷S2应不大于所选准确级相应的一相额定容量SN2，否则准确级将相应降低，校验条件为:

根据负荷的接线方式和电压互感器的接线方式，尽量使各相负荷分配均匀。

22 NSS

扩展阅读：若电压互感器与负荷的接线方式不同

a)互感器为星形、负荷为不完全星形接线，用相应公式计算出电压互感器每相有功功率负荷和无功功率负荷 ，并与互感器接线方式相同的负荷相加，可得二次负荷为

2A

2AA )()( QPS

2B

2BB )()( QPS

2C

2CC )()( QPS

取最大相负荷进行比较。

b)互感器为不完全星形、负荷为星形接线，用相应公式计算出电压互感器相间有功功率负荷和无功功率负荷 ，并与互感器接线方式相同的负荷相加，可得二次负荷为

2AB

2ABAB )()( QPS

2BC

2BCCB )()( QPS

取最大的相间负荷进行比较。取最大的相间负荷进行比较。

扩展阅读：若电压互感器与负荷的接线方式不同

2、电压的选择

一次回路电压的选择：

二次回路电压的选择，与连接方式有关，应满足保护和测量仪表的要求；

1 10.8 1.2N NS NU U U

接线型式 电网电压 型式 二次绕组电压

开口三角

绕组电压

一台TV接线

和不完全星形接线

3~35kV 单相式 100 无

三台单相或三相三绕组电压互感器

110J~500J 单相式 100/ 100

3~60 单相式 100/ 100/3

3~15 三相五柱式 100（线） 100/3（相）

【例】 选择某变电站屋内10kV母线上的电压互感器。母线上接有5回出线和1台主变压器，共装有有功电能表6只，无功电能表6只，有功功率表1只，无功功率表1只，母线电压表1只及绝缘监察电压表3只。

解:根据电压互感器安装在屋内，电网的额定电压为10kV，供给电能表电压及用于绝缘监察，选用JSJW-10型三相五柱式电压互感器(也可选用3只单相JDZJ型浇注绝缘电压互感器)，额定电压为10/0.1kV，辅助二次绕组为0.1/3kV，准确级为0.5级，三相额定容量SN2=120VA。电压互感器与测量仪表的接线方式如图所示，与电压互感器接线方式不同(不完全星形部分)的各相间二次负荷分配在下表中示出。

仪表名称及型号

仪表电压线圈 AB相 BC相

线圈消耗功率/VA

cosφ

sinφ

仪表数目

Pab Qab Pbc Qbc

有功功率表(46D1-W) 0.6 1 0 1 0.6 0 0.6 0

无功功率表(46D1-var)

0.5 1 0 1 0.5 0 0.5 0

有功电能表(DS1) 1.5 0.38 0.925 6 3.42 8.325 3.42 8.325

无功电能表(DX1) 1.5 0.38 0.925 6 3.42 8.325 3.42 8.325

电压表(46L1-V) 0.3 1 0 1 0.3 0

总计 7.94 16.65 8.24 16.65

表 电压互感器各相间二次负荷分配

根据上表计算不完全星形部分负荷的视在功率和功率因数，即

VA4463.1865.1694.7222

ab2

abab QPS

5.64

4463.18

94.7arccosarccos

ab

abab

S

P

VA5774.1865.1624.8222

bc2

bcbc QPS

67.63

5774.18

24.8arccosarccos

bc

bcbc

S

P

利用计算公式，并计及与电压互感器接线方式相同的绝缘监察电压表功率P’，得A相负荷为

W0769.93.03/)305.64cos(4463.18

3/)]30cos(['

ababA

PSP

var032.63/)305.64sin(4463.18

3/)]30sin([ ababA

SQ

B相负荷为'

bcbcababB 3/)]30cos()30cos([ PSSP

W391.83.0

3/)]3067.63cos(5774.18)305.64cos(4463.18[

3/)]30sin()30sin([ bcbcababB SSQ

var5635.16

3/)]3067.63sin(5774.18)305.64sin(4463.18[

由于Sab与Sbc接近，φab与φbc接近，可知B相负荷最大，即

VA5677.185635.16391.8222

B2

BB QPS

故选用JSJW-10型电压互感器满足要求。

五）电压互感器的使用注意事项

电压互感器在工作时二次侧绝对不允许短路，因此一、二

次侧均需装设熔断器以防止短路；

电压互感器的二次侧必须有一端接地，防止一次电压串入

二次侧危及安全。

电压互感器的一次侧应装设隔离开关作为安全检修用。

电压互感器的极性：采用“减极性”原则。

通常，单相电压互感器一次绕组的出线端子标为 和 ，二次绕

组的出线端子标为 如果一

次电压的方向由

通常，单相电压互感器一次绕组的出线端子标为A和X，二次绕

组的出线端子标为a和x，其中A和a为同名端，X和x为同名端。如果一

次电压的方向由A指向X，则二次电压的方向由a指向x。

三、互感器在主接线中的配置原则

一）电压互感器的配置

三）电流互感器的配置

互感器在主接线中的配置与测量仪表、同步点的选互感器在主接线中的配置与测量仪表、同步点的选择、保护和自动装置的要求以及主接线的形式有关

一）电压互感器配置

• 母线除旁路母线外，一般工作及备用母线都装有一组TV ，用于同步、测量仪表和保护装置。

• 线路 35kV及以上输电线路，当对端有电源时，为了监视线路有无电压、进行同步和设置重合闸，装有一台单相TV 。

发电机一般装2~3组TV。一组（三只单相、双绕组）供自动调节励磁装置。另一组供测量仪表、同步和保护装置用，该TV采用三相五柱式或三只单相接地专用TV，其开口三角供发电机在未并列之前检查是否接地之用。当TV负荷太大时，可增设一组不完全星形连接的TV，专供测量仪表使用。5万kW以上的发电机中性点常接单相TV，用于100%定子接地保护。

变压器 变压器低压侧有时为了满足同步或继电保护的要求，设有一组TV。

二）电流互感器配置

为了满足测量和保护装置的需要，在发电机、变压器、出线、母线分段及母联断路器、旁路断路器等回路中均设有TA。

对于中性点非直接接地系统，依具体情况（如负荷是否对称、保护灵敏度是否满足等）按两相或三相配置。

35kV及以下电压网络接线中，大多数采用两相式配置。但对35kV馈电线当采用距离保护时以及G、T主要回路中仍按三相式配置。

对于保护用TA的装设地点应按尽量消除主保护装置的保护死区来设置。例如若有两组TA，且位置允许时，应设在断路器两侧，使断路器处于交叉保护范围之中。

为了防止支柱式TA套管闪络造成母线故障，TA通常布置在断路器的出线侧或变压器侧。

为了减轻内部故障时发电机的损伤，用于自动调节励磁装置的TA应布置在发电机定子绕组的出线侧。为了便于分析和在发电机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的TA宜装在发电机中性点侧。

例： 500kV变电所中，220kV侧采用双母线带旁路接线时，在设有旁路断路器和母联兼旁路情况下，通常旁路断路器只代替线路断路器，其CT的配置与线路的相同，母联兼旁路断路器只代替变压器回路的断路器，其CT的配置与变压器回路相同。

在采用微机保护的情况下，不同保护尽量共用二次绕组，以减少电流互感器二次绕组数量，但一个元件的两套主保护必须使用不同的二次绕组。

例：500kV变电所的220kV母线、线路、变压器，以及重要的220kV变电所的220kV母线、线路、变压器，为满足系统稳定要求一般都配置双套主保护，故220kV的TA要带有6个二次线圈---2个供线路或变压器保护、2个供母线保护、1个供失灵保护、1个供测量用。

例： 500kV变电所的35kV~66kV侧一般接所

用变和无功补偿设备。在并联电抗器、电容器组和所用变回路，按两相式配置有3个二次绕组的CT，供电抗器或电容器保护、母线保护和测量仪表用。在主变回路，通常配置两组CT，一组带暂态特性和测量级的CT按三相式配置。带暂态特性的供500kV变压器差动保护用，测量级供变压器测量仪表。另一组普通保护级CT按两相式配置，供母线保护和后备保护用。

例： 220kV变电所的10kV侧一般接10kV出线、

所用变和无功补偿装置。在主变回路，通常要配置两组电流互感器，共4个二次绕组、3个普通保护级CT和1个测量级，按三相式配置。普通保护级CT供220kV变压器保护用，测量级供变压器测量仪表，10kV出线、所用变和无功

补偿设备回路，按两相式（或三相式）配置有两个绕组的CT，供保护和测量用。

例：变压器各侧套管CT的配置

当各侧主回路中独立的电流互感器二次绕组数量不够用

时，出线套管中装设CT作为补充。

当主回路断路器检修电流互感器停用时，某些保护可临

时接到套管电流互感器回路，作为主回路电流互感器用。

在某些特殊接线方式下，利用引线套管CT代替主回路

CT以减少设备节省投资。如线路变压器组接线的

110~220kV变电所可用变压器110~220kV出线套管CT

接变压器和线路保护而省去110~220kV独立的CT。

扩展阅读：避雷器、阻波器、耦合电容器的配置

6~10kV配电装置的母线和架空线进线处装设避雷器，对于有电缆的架空线，避雷器应装在电缆头附近；

35~220kV户外配电装置的每段母线装设避雷器，架空线路不装避雷器，SF6全封闭组合电器的架空线路侧应装设避雷器，35kV及以上电缆进线段在电缆和架空线的连接处；

330~500kV线路一般在线路侧装避雷器，配电装置的每段母线是否装设避雷器，要根据避雷器与被保护设备的距离、母线及相关设备参数经计算确定；

变压器的330~500kV侧、330~500kV高压并联电抗器应装设避雷器，变压器的220kV侧如母线避雷器较远，经计算需要时也应装设避雷器，三绕组变压器的低压侧一般在一相上装设避雷器；

分级绝缘的变压器中性点，可接地或不接地运行，应装设避雷器，非直接接地系统中的变压器中性电应装设避雷器。

电力电容器的线端和不接地中性点应装设避雷器；

各级电压配电装置的阻波器、耦合电容器要根据系统通信的要求配置。

1.了解有什么新型的电压互感器？

2.电压互感器和电流互感器的选择和校验项有什么区别？

课后学习：

1、熔断器的保护特性是反时限的，通过的短路电流越大，其熔断时间越短，它

可以在短路电流还没有达到最大值前，熔丝就熔断了，从而避免了被保护的设备遭受最大短路电流的冲击；

2、电压互感器是用熔断器进行保护的，其不会受到大的电流冲击，所以不用校

验动稳定和热稳定度，而电流互感器由于不能装设保护，所以需要校验动稳定和热稳定度。

3、当母线流经短路电流时，短路电流会流经电流互感器的一次绕组，所以要考核互感器的动热稳定能力。而电压互感器测量的是母线对地电压或母线之间的电压，短路时短路电流不可能流经电压互感器内部所以电压互感器不需做动热稳定试验。但它需要做短路试验。

下 课！