第六章 导设选择(-3)

发电厂变电所电气设备《发电厂电气部分》课题组电力工程学院电气工程系第六章导体和电气设备的原理与选择1互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器。互感器将高电压、大电流按比例变成低电压（100、V）和小电流（5、1A），其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护装置等。

为了确保工作人员在接触测量仪表和继电保护装置时的安全，互感器的每一个二次绕组必须有一可靠的接地，以防绕组间绝缘损坏而使二次部分长期存在高电压。一、电磁式电流互感器

电磁式电流互感器工作原理与变压器相似。其特点有：（1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中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；第三节

互感器的原理及选择2（2）电流互感器二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。电流互感器的额定电流比Ki为

（6-27）I1N、I2N分别为一、二次绕组的额定电流；N1、N2分别为一、二次绕组的匝数。

(一）电流互感器的误差电流互感器的等值电路及相量图如图6-8所示。图中二次绕组阻抗Z2（x2′，r2′）、负荷阻抗Z2L（x2L′、r2L′）和二次侧电动势

、电压

、电流

的数值均是归算到一次侧的值。第三节

互感器的原理及选择3图6-8电流互感器（a）等值电路；（b）相量图第三节

互感器的原理及选择4铁心中合成磁动势

，可得（6-28）

可见，由于互感器存在励磁损耗，使一次电流

与二次电流在数值上和相位上均有差异。这种误差通常用电流误差fi和相位差

表示。电流误差fi的定义为（6-29）从相量图可知，

，而相位差

通常很小，则可得（6-30）第三节

互感器的原理及选择5可见，电流互感器的误差可用励磁磁动势

I0N1来表示。当相量图中的

N1用

N1/I1N1表示时，则

N1/I1N1在横轴上的投影就是电流误差，在纵轴上的投影就是相位差。

需要强调的是电流互感器在运行时，二次绕组严禁开路。二次绕组开路时，电流互感器由正常短路工作状态变为开路工作状态，

，励磁磁动势由正常为数甚小的

骤增为I1N1

，铁心中的磁通波形呈现严重饱和的平顶波，因此二次绕组将在磁通过零时，感应产生很高的尖顶波电动势，其值可达数千甚至上万伏（与Ki及I1大小有关），危及工作人员的安全和仪表、继电器的绝缘。由于磁感应强度骤增，会引起铁心和绕组过热。此外，在铁心中还会产生剩磁，使互感器准确级下降。第三节

互感器的原理及选择6根据电磁感应定律、磁动势方程和二次侧回路方程，代入式（6-30）可得

(6-31)

由式（6-31）可见，电流互感器的电流误差及相位差决定于互感器铁心及二次绕组的结构，同时又与互感器的运行状态（二次负荷Z2L及运行中铁心的值）有关。由于磁化曲线的非线性，为了减小误差，通常电流互感器按制造厂家设计的额定参数运行时，铁心的磁感应强度不大，即在额定二次负荷下，一次电流为额定值时，接近最大值。第三节

互感器的原理及选择7（1）测量用电流互感器的准确级。

测量用电流互感器有一般用途和特殊用途（S类）两类。对于工作电流变化范围较大的线路及高压、超高压电网中，推荐采用带有S类测量级二次绕组的电流互感器。表6-4所示为测量用电流互感器在规定的二次负荷变化范围为（0.25~1）S2N时的准确级和误差限值。(二）电流互感器的准确级第三节

互感器的原理及选择8表6-4测量用电流互感器准确级和误差准确级电流误差（±%）在下列一次额定电流（%）时相位差（±’）在下列一次额定电流（%）时1520100R1201520100R1200.2S0.5S0.751.50.350.750.20.50.20.530901545103010300.10.20.510.40.751.53.00.20.350.751.50.10.20.51.0153090180815459051030603在(50-120)%额定电流时，电流误差为±3%，相位差不作规定5在（50-120%）额定电流时，电流误差为±5%，相位差不作规定第三节

互感器的原理及选择91）P类电流互感器。

通常220kV及以下系统，一般保护宜选用不考虑瞬态误差而只保证稳态误差的稳态保护用电流互感器（P类）。

它的误差有两条要求：一是额定一次电流和额定二次负荷下的电流误差和相位差不超过规定值；二是在额定准确限值一次电流下的复合误差不超过规定限值。

复合误差ε定义为二次电流瞬时值

（已归算到一次侧）与一次电流瞬时值I1

之差的有效值，通常以一次电流有效值I1的百分数表示，即（2）保护用电流互感器的准确级。保护用电流互感器按用途可分为稳态保护用（P）和暂态保护用（TP）两类。第三节

互感器的原理及选择10稳态用的P类常用的包括P、PR类型。其中PR类是一种限制剩磁系数的“低剩磁保护级”电流互感器，常用于220kV变压器差动保护和100~200MW发电机变压器组及大容量电动机差动保护用的电流互感器。

电流互感器的准确级常用的有5P、10P和5PR、10PR。标准规定：复合误差等于准确级限值的一次短路电流称为额定准确限值一次电流。而额定准确限值一次电流与额定一次电流的比值，称为额定准确限值系数，该系数标准值为：5，10，15，20，30等，如某电流互感器的保护准确级表示为5P或10P，而在误差限值之后可紧接着标出额定准确限值系数，如5P15与10P20中的15和20。P类稳态保护电流互感器的误差限值如表6-5所示。第三节

互感器的原理及选择11表6-5P类稳态保护电流互感器的误差限值准确级电流误差（±%）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，5PR10P，10PR1.03.060—5.010.02）TP类电流互感器。

暂态保护用TP类电流互感器的准确级常用的有TPX、TPY、TPZ三个级别，且TP类电流互感器的铁心比P类的铁心截面大许多倍，才能保证在瞬态过程中有一定的准确度。第三节

互感器的原理及选择12

TPX级暂态保护型电流互感器在其环形铁心中不带气隙，由于是闭合铁心，静态剩磁较大，在短路暂态过程中，特别是在重合闸后的重复励磁下，铁心容易饱和，致使二次电流畸变，暂态误差显著增大，故超高压系统主保护一般不采用TPX级，但因价廉，可用于某些后备保护。

TPY级互感器的铁心带有小气隙，气隙长度约为磁路平均长度的0.05%，由于气隙使铁心不易饱和，有利于直流分量的快速衰减，与TPX级电流互感受器相比，稳态误差略高，采用相应措施可达到同时满足稳态与暂态误差要求。因而，它在330~500kV线路保护、高压侧为330~500kV的降压变压器差动保护和300MW及以上发电机变压器组差动保护等回路中得到了最广泛的应用。第三节

互感器的原理及选择13

TPZ级互感器的铁心有较大气隙，气隙长度约为磁路平均长度的0.1%，由于铁心气隙较大，一般不易饱和，可显著改善互感器暂态特性，因此特别适合于有快速重合闸（无电流时间间隙不大于0.3S）的线路上使用。TPZ级互感器通常适用于仅反应交流分量的保护，由于不保证低频分量误差及励磁阻抗低，一般不宜用于主设备保护和断路器失灵保护。

TP类暂态保护电流互感器误差限值如表6-6所示。准确级电流误差（%）相位差（’）在准确限值条件下最大峰值瞬时误差（%）在额定一次电流下TPXTPYTPZ±0.5±1±1±30±60180±18101010*表6-6TP类暂态保护电流互感器误差限值第三节

互感器的原理及选择14（1）种类和型式的选择。应根据安装地点（如屋内、屋外）和安装方式（如穿墙式、支持式、装入式等）选择其型式：3~20kV屋内配电装置的电流互感器，应采用瓷绝缘或树脂浇注绝缘结构；35kV及以上配电装置宜采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器；

有条件安装于断路器或变压器瓷套管内，且准确级满足要求时，应采用价廉、动热稳定性好的套管式电流互感器。(三）电流互感器的选择当一次电流较小（在400A及以下）时，宜优先采用一次绕组多匝式，以提高准确度；220kV及以上电压等级或采用微机监控系统时，二次额定电流宜采用1A。而强电系统均采用5A。第三节

互感器的原理及选择15（2）一次回路额定电压和电流的选择。一次回路额定电压UN和电流I1N应满足测量用电流互感器的一次额定电流不应低于回路正常最大负荷电流，且应尽可能比电路中的正常工作电流大1/3左右，以保证测量仪表在正常运行时，指示在刻度标尺的3/4最佳位置，并且过负荷时能有适当指示。（3）准确级和额定容量的选择。

为了保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。对测量精度要求较高的大容量发电机和变压器、系统干线、发电企业上网电量、电网或供电企业之间的电量交换的关口计量点宜用0.2级；第三节

互感器的原理及选择16装于重要回路（如中小型发电机和变压器、调相机、厂用馈线、有收费电能计量的出线等）中的互感器的准确级采用0.2~0.5级；

对供运行监视、100MW及以下发电机组的厂用电、较小用电负荷以及供电企业内部考核经济指标分析的电能表和控制盘上仪表的电流互感器应为0.5～1级。当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。表6-7所示仪表与配套的电流互感器的准确等级。表6-7仪表与配套的电流互感器的准确等级指示仪表计量仪表仪表准确等级电流互感器准确等级仪表准确等级电流互感器准确等级有功功率表无功功率表0.51.01.52.50.50.51.01.00.20.51.02.01.02.02.03.00.10.2或0.2S0.5或0.5S0.5或0.5S第三节

互感器的原理及选择17电流互感器的额定容量S2N：是指电流互感器在额定二次电流I2N和额定二次阻抗Z2N下运行时，二次绕组输出的容量，S2N=I22NZ2N。由于电流互感器的额定二次电流为标准值，为了便于计算，厂家常提供电流互感器的Z2N值。互感器按选定准确级所规定的额定容量S2N应大于或等于二次侧所接负荷

即

（6-32）

ra、rre分别为二次侧回路中所接仪表和继电器的电流线圈电阻（忽略电抗）；

rc为接触电阻，一般可取0.1Ω；rL为连接导线电阻。第三节

互感器的原理及选择18代入，得到在满足电流互感器准确级额定容量要求下的二次导线的允许最小截面为（6-33）

S、Lc分别为连接导线截面（mm2）和计算长度（m）；ρ为导线的电阻率，铜ρ=1.75×10-2Ω·mm2/m。

式（6-33）中Lc与仪表到互感器的实际距离L及电流互感器的接线方式有关。图6-9为电流互感器常用接线方式。图6-9（a）用于对称三相负荷时，测量一相电流，Lc=2L；图6-9（b）为星形接线，可不计中性线电流，Lc=L，由于导线计算长度小，测量误差小，常用于110kV及以上线路和发电机、变压器等重要回路；第三节

互感器的原理及选择19

图6-9（c）为不完全星形接线，常用于35kV及以下电压等级的不重要出线，按回路的电压降方程，可得

。图6-9电流互感器与测量仪表接线图（a）单相接线；（b）星形接线；（c）不完全星形接线第三节

互感器的原理及选择20工程上，二次连接导体均采用多芯电缆。按相关规定，芯线截面为1.5~2.5mm2者，每根电缆芯数不宜超过24芯，4.0~6.0mm2者，每根电缆芯数不宜超过10芯，即芯线截面越大，必增加电缆根数，给安装运行带来不便。当为减少电缆根数需要减少芯线截面而又不增加电流互感器的误差时，可采用下述措施：

1）将同一电流互感器的两个二次绕组同名端顺向串联。2）将电流互感器二次侧接线方式由不完全星形改为完全星形，差电流接线改为不完全星形接线。3）采用额定二次负荷较大的电流互感器或低功耗的仪表与保护设备等。4）选用具有多个二次绕组的电流互感器，转移部分二次负荷。第三节

互感器的原理及选择21（1）种类和型式的选择。1）只对本身带有一次回路导体的电流互感器进行热稳定校验。电流互感器热稳定能力常以1s允许通过的热稳定电流It或一次额定电流I1N的倍数Kt来表示，热稳定校验式为（6-34）(四）热稳定和动稳定校验2）动稳定校验包括由同一相的电流相互作用产生的内部电动力校验，以及不同相的电流相互作用产生的外部电动力校验。显然，多匝式一次绕组主要经受内部电动力；单匝式一次绕组不存在内部电动力，则电动力稳定性为外部电动力决定。内部动稳定校验式为（6-35）第三节

互感器的原理及选择22

ies、Kes分别为电流互感器的动稳定电流及动稳定电流倍数，由制造厂提供。

外部动稳定校验式为（6-36）Fal为作用于电流互感器瓷帽端部的允许力，由制造厂提供；L为电流互感器出线端至最近一个母线支柱绝缘子之间的跨距；a为相间距离；0.5为系数，表示互感器瓷套端部承受该跨上电动力的一半。

此外，选用母线型电流互感器时，应注意校核窗口尺寸。第三节

互感器的原理及选择23电磁式电压互感器的工作原理和变压器相同，其特点是：（1）容量很小，类似一台小容量变压器，但结构上要求有较高的安全系数；（2）二次侧仪表和继电器的电压线圈阻抗大，电压互感器在近于空载状态下运行。二、电压互感器(一）电磁式电压互感器电压误差

定义为

(6-37)

其中，额定电压比Ku=U1N/U2N。相位差

定义为

超前于

时取正值。通常

很小，

和

可用电压降

分别在图6-11中所示的坐标水平轴和垂直轴上的投影与

的比值表示，即第三节

互感器的原理及选择24图6-11电压互感器相量图第三节

互感器的原理及选择25

(6-38)

(6-38)表6-9电压互感器的准确级和误差限值用途准确级误差限值适用运行条件电压误差（±%）相位差（±′）一次电压变化范围频率变化范围功率因数及二次负荷范围测量0.10.20.5130.10.20.51.03.05102040不规定（0.8～1.2）U1N(0.99~1.01)fN

（0.25～1）

保护3P6P3.06.0120240（0.05～1）U1N(0.96~1.02)fN

剩余绕组6P6.0240第三节

互感器的原理及选择26电磁式电压互感器分类：按安装地点分为屋内和屋外式；按相数分为单相和三相式，只有20kV以下才有三相式；按绝缘分为浇注式、油浸式和SF6气体绝缘式。浇注式用于3～35kV，油浸式主要用于110kV及以上。油浸式电压互感器按其结构可分为普通式和串级式，3～35kV均制成普通式，需经隔离开关和熔断器接入高压电网。110kV及以上的制成串级结构，其特点是：绕组和铁心采用分级绝缘，同时绕组和铁心放在瓷套中，运行可靠性高，电压互感器只经隔离开关接入高压电网。

SF6气体绝缘电压互感器一般为110kV及以上与GIS配套使用。第三节

互感器的原理及选择27电磁式电压互感器的励磁特性为非线性特性，在35kV及以下的电力系统中性点偏移、瞬间电弧接地或进行倒闸操作的激发下，都可能与电力系统分布电容形成铁磁谐振。为此，应采取必要的消谐措施，如在电压互感器零序电压线圈的端口接入电阻或专用电子消谐装置等。(二）电容式电压互感器电容式电压互感器的结构原理如图6-12所示。电容式电压互感器实质上是一个电容分压器，在被测装置的相和地之间接有电容器C1和C2，在电容器C2上的电压为（6-40）第三节

互感器的原理及选择28图6-12电容式电压互感器（a）原理图；（b）等效电路图；（c）相量图第三节

互感器的原理及选择29电容式电压互感器的等效电路及相量图如图6-12(b)、(c)所示。为简化分析，不计R1、R2’和

，则由于

，

，即

滞后90º，而

超前90º，则电压

滞后90º，即

，则图6-12电容式电压互感器（b）等效电路图；（c）相量图第三节

互感器的原理及选择30电容式电压互感器的误差除受U1、Z2L和

的影响外，还与电源频率有关，当系统频率变化超出50±0.5Hz范围时，会产生附加误差。此外，由于电容器对温度变化较为敏感，温度变化也将带来电压误差。(三）电压互感器选择（1）电压互感器的种类和型式。

1）在6～35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式电压互感器；110～220kV配电装置当容量和准确级满足要求时，宜采用电容式电压互感器，也可采用油浸式；500kV均为电容式。第三节

互感器的原理及选择31

2）三相式电压互感器投资省，但仅20kV以下才有三相式产品。三相五柱式电压互感器广泛用于3～15kV系统，而三相三柱式电压互感器，为避免电网单相接地时，因零序磁通的磁阻过大，致使过大的零序电流烧坏电压互感器，则电压互感器的一次侧三相中性点不允许接地，不能测量相对地电压，故很少采用。3）用于接入精度要求较高的计费电度表时，可采用三个单相电压互感器组或两个单相电压互感器接成不完全三角形（也称V—V接线），而不宜采用三相式电压互感器。（2）一次额定电压和二次额定电压的选择。

电压互感器一次绕组额定电压U1N，应根据互感器的高压侧接线方式来确定其相电压或相间电压。第三节

互感器的原理及选择32电压互感器二次绕组电压通常是供额定电压为100V的仪表和继电器的电压绕组使用。显然，单相式电压互感器单独使用或接成V—V接线时，二次绕组电压为100V，而接线方式为三相式的电压互感器，其二次绕组电压为V，并可获得相间电压100V；电压互感器剩余电压绕组的电压，当用于35kV及以下中性点不接地系统时为100/3V，110kV及以上中性点接地系统时为100V。（3）接线方式选择。1）一台单相电压互感器。用于110kV及以上中性点接地系统时，测量相对地电压；用于35kV及以下中性点不接地系统时，只能用于测量相间电压，不能测量相对地电压。第三节

互感器的原理及选择33

2）三相式电压互感器（应用于3~15kV电压等级）及三台单相三绕组或四绕组电压互感器构成YNynd11接线，或YNyd11接线（应用于各个电压等级），其二次侧星形绕组用于测量相间电压或相对地电压，需抽取同期并列电压时b相或c相接地（y接线），否则为中性点接地（yn接线）；而剩余绕组d11三相首尾串联接成开口三角形，在中性点不接地的电力系统中，供交流电网绝缘监视仪表与信号装置使用，在中性点直接接地的电力系统中，供接地保护使用。

3）两台单相电压互感器分别跨接于电网的UAB及UBC的线间电压上，接成不完全三角形，广泛应用在20kV以下中性点不接地的电网中，用来测量三个相间电压，节省一台电压互感器（仍不能测量相对地电压）。第三节

互感器的原理及选择34（4）容量和准确级选择。

按照所接仪表的准确级和容量，选择电压互感器的准确级和额定容量。

电压互感器的额定二次容量应大于电压互感器的二次负荷，即S2N≥S2L，而二次负荷（6-42）电压互感器三相负荷常不相等，为满足准确级要求，通常以最大相负荷进行比较。计算电压互感器各相的负荷时，必须注意电压互感器和负荷的