CT原理、類型、暫態(tài)特性

1、一、電流互感器原理在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬安都有。為便于二次儀表測量需要轉(zhuǎn)換 為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣 隔離作用。較早前，顯示儀表大部分是指針式的電流電壓表，所以電流互感器的二次電流大多數(shù)是安培級的（如 5A等）?，F(xiàn)在的電量測量大多數(shù)字化，而計算機的采樣的信號一般為毫安級（0-5V、4-20mA等）。微型 電流互感器二次電流為毫安級，主要起大互感器與采樣之間的橋梁作用。 微型電流互感器也有人稱之為“儀用電流互感器”。（“儀用電流互感器”有一層含義是在實驗室使用的 多電流比精密電流互感器，一般用于擴

2、大儀表量程。）被測回路電流互感器電流互感器電流互感器原理線路圖微型電流互感器與變壓器類似也是根據(jù)電磁感應原理工作,變壓器變換的是電壓而微型電流互感器變換的 是電流罷了。如圖繞組 N1 接被測電流，稱為一次繞組（或原邊繞組、初級繞組）；繞組 N2 接測量儀表， 稱為二次繞組（或副邊繞組、次級繞組）。微型電流互感器一次繞組電流II與二次繞組I2的電流比，叫實際電流比K。微型電流互感器在額定工作 電流下工作時的電流比叫電流互感器額定電流比，用 Kn 表示。Kn=I1n/I2n二、電流互感器分類微型電流互感器大致可分為兩類，測量用電流互感器和保護用電流互感器。1、測量用電流互感器測量用電流互感器主要與

3、測量儀表配合，在線路正常工作狀態(tài)下，用來測量電流、電壓、功率等。測量用微型電流互感器主要要求：1、絕緣可靠， 2、足夠高的測量精度， 3、當被測線路發(fā)生故障出現(xiàn)的大電流 時互感器應在適當?shù)牧砍虄?nèi)飽和（如 500%的額定電流）以保護測量儀表。2、保護用電流互感器保護用電流互感器主要與繼電裝置配合，在線路發(fā)生短路過載等故障時，向繼電裝置提供信號切斷故障電 路，以保護供電系統(tǒng)的安全。保護用微型電流互感器的工作條件與測量用互感器完全不同，保護用互感器 只是在比正常電流大幾倍幾十倍的電流時才開始有效的工作。保護用互感器主要要求：1、絕緣可靠， 2、 足夠大的準確限值系數(shù)， 3、足夠的熱穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性。

4、保護用互感器在額定負荷下能夠滿足準確級的要求最大一次電流叫額定準確限值一次電流。準確限值系數(shù) 就是額定準確限值一次電流與額定一次電流比。當一次電流足夠大時鐵芯就會飽和起不到反映一次電流的 作用，準確限值系數(shù)就是表示這種特性。保護用互感器準確等級5P、10P,表示在額定準確限值一次電流 時的允許誤差 5%、 10% 線路發(fā)生故障時的沖擊電流產(chǎn)生熱和電磁力，保護用電流互感器必須承受。二次繞組短路情況下，電流互 感器在一秒內(nèi)能承受而無損傷的一次電流有效值，稱額定短時熱電流。二次繞組短路情況下，電流互感器 能承受而無損傷的一次電流峰值，稱額定動穩(wěn)定電流。保護用電流互感器分為：1、過負荷保護電流互感器，

5、 2、差動保護電流互感器， 3、接地保護電流互感器 (零序電流互感器)三、電流互感器結(jié)構(gòu)原理、普通電流互感器結(jié)構(gòu)原理電流互感器的結(jié)構(gòu)較為簡單，由相互絕緣的一次繞組、二次繞組、鐵心以及構(gòu)架、殼體、接線端子等 組成。其工作原理與變壓器基本相同，一次繞組的匝數(shù)(N1)較少，直接串聯(lián)于電源線路中，一次負荷電流()通過一次繞組時，產(chǎn)生的交變磁通感應產(chǎn)生按比例減小的二次電流()；二次繞組的匝數(shù)(N2)較多，與儀 表、繼電器、變送器等電流線圈的二次負荷(Z)串聯(lián)形成閉合回路，見圖5 1。圖 51 普通電流互感器結(jié)構(gòu)原理圖由于一次繞組與二次繞組有相等的安培匝數(shù)，I1N1=I2N2，電流互感器額定電流比：。電流

6、互感器實 際運行中負荷阻抗很小，二次繞組接近于短路狀態(tài)，相當于一個短路運行的變壓器。穿心式電流互感器結(jié)構(gòu)原理穿心式電流互感器其本身結(jié)構(gòu)不設(shè)一次繞組，載流(負荷電流)導線由L1至L2穿過由硅鋼片搟卷制成 的圓形(或其他形狀)鐵心起一次繞組作用。二次繞組直接均勻地纏繞在圓形鐵心上，與儀表、繼電器、變 送器等電流線圈的二次負荷串聯(lián)形成閉合回路，見圖 52。二決繞組二決繞組Ki u心圖52穿心式電流互感器結(jié)構(gòu)原理圖圖 5 2 穿心式電流互感器結(jié)構(gòu)原理圖 由于穿心式電流互感器不設(shè)一次繞組，其變比根據(jù)一次繞組穿過互感器鐵心中的匝數(shù)確定，穿心匝數(shù) 越多，變比越?。环粗?，穿心匝數(shù)越少，變比越大，額定電流比：。

7、式中II穿心一匝時一次額定電流；n穿心匝數(shù)。特殊型號電流互感器多抽頭電流互感器。這種型號的電流互感器，一次繞組不變，在繞制二次繞組時，增加幾個抽頭，以 獲得多個不同變比。它具有一個鐵心和一個匝數(shù)固定的一次繞組，其二次繞組用絕緣銅線繞在套裝于鐵心 上的絕緣筒上，將不同變比的二次繞組抽頭引出，接在接線端子座上，每個抽頭設(shè)置各自的接線端子，這 樣就形成了多個變比，見圖 53。poqA(.poqA(.J c5c圖54不同變比電流互感器原理圖圖 53 多抽頭電流互感器原理圖例如二次繞組增加兩個抽頭，KI、K2為100/5, KI、K3為75/5, KI、K4為50/5等。此種電流互感器 的優(yōu)點是可以根據(jù)

8、負荷電流變比，調(diào)換二次接線端子的接線來改變變比，而不需要更換電流互感器，給使 用提供了方便。不同變比電流互感器。這種型號的電流互感器具有同一個鐵心和一次繞組，而二次繞組則分為兩個匝 數(shù)不同、各自獨立的繞組，以滿足同一負荷電流情況下不同變比、不同準確度等級的需要，見圖 54。DodKjIK， 2Kl2 Ki圖5 4不同變比電流互感器原理圖圖 5 4 不同變比電流互感器原理圖例如在同一負荷情況下，為了保證電能計量準確，要求變比較小一些（以滿足負荷電流在一次額定值 的 2/3 左右），準確度等級高一些 （如 1K1、1K2 為 200/5、0.2 級）；而用電設(shè)備的繼電保護，考慮到故障 電流的保護系

9、數(shù)較大，則要求變比較大一些，準確度等級可以稍低一點（如 2K1、2K2 為 300/5、1 級）。一次繞組可調(diào)，二次多繞組電流互感器。這種電流互感器的特點是變比量程多，而且可以變更，多見 于高壓電流互感器。其一次繞組分為兩段，分別穿過互感器的鐵心，二次繞組分為兩個帶抽頭的、不同準 確度等級的獨立繞組。一次繞組與裝置在互感器外側(cè)的連接片連接，通過變更連接片的位置，使一次繞組 形成串聯(lián)或并聯(lián)接線，從而改變一次繞組的匝數(shù)，以獲得不同的變比。帶抽頭的二次繞組自身分為兩個不 同變比和不同準確度等級的繞組，隨著一次繞組連接片位置的變更，一次繞組匝數(shù)相應改變，其變比也隨 之改變，這樣就形成了多量程的變比，見

10、圖 55（圖中虛線為電流互感器一次繞組外側(cè)的連接片）。帶抽頭的二次獨立繞組的不同變比和不同準確度等級，可以分別應用于電能計量、指示儀表、變送器、 繼電保護等，以滿足各自不同的使用要求。例如當電流互感器一次繞組串聯(lián)時（圖 55a），1K1、1K2，1K2 1K3, 2K1、2K2, 2K2、2K3 為 300/5, 1K1、1K3, 2K1、2K3 為 150/5；當電流互感器一次繞組并聯(lián)時（圖 5 5b）, 1K1、1K2, 1K2、1K3, 2K1、2K2, 2K2、2K3 為 600/5, 1K1、1K3, 2K1、2K3 為 300/5。其接線圖 和準確度等級標準在銘牌上或使用說明書中。

11、（b） 一次并聯(lián) （ 一匝 ）圖 55 一次繞組匝數(shù)可調(diào)、二次多繞組的電流互感器原理圖組合式電流電壓互感器。組合式互感器由電流互感器和電壓互感器(詳細內(nèi)容本講第四節(jié)介紹)組合而 成，多安裝于高壓計量箱、柜，用作計量電能或用作用電設(shè)備繼電保護裝置的電源。組合式電流電壓互感器是將兩臺或三臺電流互感器的一次、二次繞組及鐵心和電壓互感器的一、二次 繞組及鐵心，固定在鋼體構(gòu)架上，浸入裝有變壓器油的箱體內(nèi)，其一、二次繞組出線均引出，接在箱體外 的高、低壓瓷瓶上，形成絕緣、封閉的整體。一次側(cè)與供電線路連接，二次側(cè)與計量裝置或繼電保護裝置 連接。根據(jù)不同的需要，組合式電流電壓互感器分為V/V接線和Y/Y接線兩

12、種，以計量三相負荷平衡或不(b)三臺電流互感器和電壓互感器Y/Y接線(a)兩臺電流互感器和電壓互感器V/V接線圖 56 組合式電流電壓互感器電流互感器的暫態(tài)飽和及應用計算惡摘 要：討論保護用電流互感器的暫態(tài)飽和及工程應用中的問題?；ジ衅鲿簯B(tài)飽和對保護裝置性能有 嚴重影響，為保證繼電保護在暫態(tài)飽和條件下正確動作，工程應用中應合理選用電流互感器的類型和參數(shù)， 保護裝置必要時應采取減緩互感器飽和影響的措施。文中還列舉大型發(fā)電機變壓器組差動保護用電流互感 器的選擇計算示例。關(guān)鍵詞：電流互感器；飽和；短路電流偏移；暫態(tài)特性；準確限值；繼電保護1前言保護用電流互感器要求在規(guī)定的一次電流范圍內(nèi)，二次電流的綜

13、合誤差不超出規(guī)定值。對于有鐵心的 電流互感器，形成誤差的最主要因素是鐵心的非線性勵磁特性及飽和。電流互感器的飽和可分為兩類：一 類是大容量短路穩(wěn)態(tài)對稱電流引起的飽和（以下稱為穩(wěn)態(tài)飽和）；另一類是短路電流中含有非周期分量和鐵 心存在剩磁而引起的暫態(tài)飽和（以下稱為暫態(tài)飽和）。這兩類飽和的特性有很大不同，引起的誤差也差別很 大。在同樣的允許誤差條件下，考慮暫態(tài)飽和要求的互感器鐵心截面可能是僅考慮穩(wěn)態(tài)飽和的數(shù)倍至數(shù)十 倍。因而對互感器造價及安裝條件提出了嚴峻的要求。以往在中低壓系統(tǒng)和發(fā)電機容量較小的情況下，互 感器暫態(tài)飽和的影響較輕，一般未采取專門對策。而對當前的超高壓系統(tǒng)和大容量機組，為保證繼電保護

14、 的正確動作，暫態(tài)飽和已成為必須考慮的因素。由于互感器暫態(tài)飽和的機理和計算較復雜，要求互感器暫 態(tài)不飽和所需代價很高，因而在實際工程中應用情況較混亂。本文根據(jù)國內(nèi)外的標準和應用經(jīng)驗，提出較 規(guī)范的考慮暫態(tài)飽和的互感器選擇和計算方法，供工程應用參考。作為示例，本文給出大型發(fā)電機變壓器 組差動保護用電流互感器的選擇計算及參數(shù)選擇的建議。2電流互感器的穩(wěn)態(tài)飽和特性及對策當電流互感器通過的穩(wěn)態(tài)對稱短路電流產(chǎn)生的二次電動勢超過一定值時，互感器鐵心將開始出現(xiàn)飽 和。這種飽和情況下的二次電流如圖 1所示，其特點是：畸變的二次電流呈脈沖形，正負半波大體對稱， 畸變開始時間小于 5ms（1/4 周波），二次電流

15、有效值將低于未飽和情況。對于反應電流值的保護，如過電 流保護和阻抗保護等，飽和將使保護靈敏度降低。對于差動保護，差電流取決于兩側(cè)互感器飽和特性的差 異。* A I1帥* A I1帥電at互雷醫(yī)您館和二決電畫下削誤幻熱抽電曲敲肛例如某一 1200/5的電流互感器，制造部門提供的規(guī)范為：5P20, 30VA。其中5P為準確等級，30VA為二次負荷額定值，20為準確限值系數(shù)（ALF）。電流互感器在額定負荷下的二次極限電動勢E =s（ALF）I（R +R ）,此時綜合誤差應不超過5%。綜合誤差也可選用10%。選擇保護用電流互感器時, sn ct bn一般要求ALF與額定一次電流乘積大于保護校驗用短路電

16、流，二次負荷小于互感器額定負荷，實際二次電動勢不超過極限二次電動勢。當前工程中經(jīng)常遇到的問題是短路電流過大，ALF不滿足要求，但實際負荷 比額定負荷小得多。對于低漏磁電流互感器2，可以在實際負荷下的二次電動勢不超過極限值的條件下， 適當提高ALF的可用值。但應指出，對于某些不符合低漏磁要求的互感器，如U型電流互感器、一次多匝 的互感器等，在一次短路電流倍數(shù)超過ALF時，由于鐵心局部飽和可能引起二次極限電動勢降低，不能在 降低二次負荷時，按反比提高ALF。有些制造廠提供的ALF與負荷的關(guān)系曲線，未認真考慮上述局部飽和 影響，使用時應慎重。3電流互感器的暫態(tài)飽和短路電流一般含有非周期分量，這將使電

17、流互感器的傳變特性嚴重惡化。原因是電流互感器的勵磁特 性是按工頻設(shè)計的，在傳變等效頻率很低的非周期分量時，鐵心磁通（即勵磁電流）需要大大增加。圖2 表 示電流互感器在完全偏移的故障電流（非周期分量幅值達 100%）下鐵心磁通的增長情況，互感器帶電阻性負 荷。圖中0代表傳變故障電流工頻分量所需的磁通，而0則代表傳變暫態(tài)（非周期）分量所需的磁通， ac dc其值遠大于傳變工頻分量的0。磁通暫態(tài)分量0是系統(tǒng)一次回路時間常數(shù)T和電流互感器二次回路ac dc p時間常數(shù)T的函數(shù)。0開始時是按T增長。磁通達到最大值的時間和數(shù)值與T、T等有關(guān)。s dc p p s按是否考慮短路電流的暫態(tài)過程，電流互感器分為

18、P和TP兩大類。P類電流互感器要求在0情況下 ac不飽和，而TP類電流互感器則要求在整個工作循環(huán)中的總磁通0 =0 +0情況下不飽和。因此要求TP ac dc類電流互感器的鐵心遠大于P類電流互感器。要求增大的倍數(shù)即暫態(tài)面積增大系數(shù)K。dc由標準可知，對于全偏移短路電流，在C_ t _0工作循環(huán)時，所需暫態(tài)面積系數(shù)為：電流互感器暫態(tài)面積系數(shù)K與一次時間常數(shù)T有密切關(guān)系，對于P級、TPS和TPX級電流互感器,TT , td p p s短路電流為全偏移情況下，短路后不同時間t的K與T關(guān)系見圖3(圖中T =10s)。在T較大時，K可 tf psptd達幾十倍。THO.UI 兒呼白 達幾十倍。THO.U

19、I 兒呼白 ilf Q打（LJ QU ss3閩in5 rk的美索泊曲m旦-當一次電流存在非周期分量導致互感器暫態(tài)飽和時，二次電流的波形示例如圖 4。圖中 T 為 50ms,Rp 2n為4Q , R為2Q。圖4(a)為互感器無剩磁的情況，圖4(b)為互感器有75%剩磁的情況。2由圖 4可知，非周期分量導致互感器暫態(tài)飽和時二次電流波形是不對稱的，開始飽和的時間較長如圖4(a)為30ms。但鐵心有剩磁時，將加重飽和程度和縮短開始飽和時間，如圖4(b),飽和開始時間為 6ms。對鐵心中剩磁的影響必須給予足夠的注意，因為電流互感器由于短路電流引起暫態(tài)飽和形成剩磁后， 在正常運行的電流情況下，剩磁很難消除

20、。文獻3列舉了在一個 230kV 系統(tǒng) 141組電流互感器的調(diào)查 結(jié)果如表1,可見各種程度的剩磁存在概率都是很大的。表剩做調(diào)查給杲弼匯為飽利遨嗎的螢0-20lbfrhSO為了減緩暫態(tài)飽和對繼電保護的影響，需要采取必要的措施。這種措施有兩類：一類是保護裝置具備減緩飽和影響的能力；另一類是選擇適當?shù)碾娏骰ジ衅黝愋秃蛥?shù)。保護裝置減緩互感器暫態(tài)飽和影響的措施 BT)母線外部故障時，各支路的短路電流分布可能很不均勻，飽和情況可能很不一致。為保證母線差動保 護的正確動作，要求母線差動保護裝置必須采取措施減緩暫態(tài)飽和影響，并不對電流互感器提出特殊要求。 這已成為定論并得到普遍執(zhí)行。對于其它保護，如發(fā)電機差

21、動保護、變壓器差動保護等，則未有明確規(guī)定。當前國內(nèi)生產(chǎn)的保護裝置 一般未采取專門措施，而需要在選擇電流互感器時，考慮暫態(tài)飽和的影響。某些國外產(chǎn)品已聲明采取了相 應措施，而不再對互感器提出特殊要求。保護裝置采取的措施，使用較廣泛的有高阻抗母線保護，以提高差動繼電器阻抗和利用飽和互感器分 流來防止區(qū)外故障誤動。還有利用互感器暫態(tài)飽和有一定時延來區(qū)別差動保護中的差電流是由內(nèi)部故障產(chǎn) 生還是由飽和產(chǎn)生等等。本文不準備詳細討論保護裝置防止互感器飽和引起誤動的各種措施。只想著重指 出，在當前普遍應用微機保護條件下，保護裝置完全有可能采用多種有效措施來減緩暫態(tài)飽和的影響，因 而可對互感器選擇不提出特殊要求。

22、這樣可產(chǎn)生重大經(jīng)濟效益。所以，希望繼電保護開發(fā)制造部門能在這 方面取得更積極有效的成果。還需要指出的是互感器暫態(tài)飽和與穩(wěn)態(tài)飽和的特性有很大差別，反映在二次電流的波形也很不相同， 因而采取的措施也應注意區(qū)別對待。例如利用故障與飽和出現(xiàn)的時間差時，暫態(tài)飽和與故障時差可能較明 顯，而穩(wěn)態(tài)飽和與故障時差則較小(V5ms)。考慮暫態(tài)飽和的電流互感器選擇原則電流互感器暫態(tài)飽和問題是普遍存在的，但不同情況下嚴重程度有所差別，所導致的后果也不同。如 普遍要求選用的電流互感器保證暫態(tài)過程中不致飽和，則將大大增加投資。實際上，許多工程中選用的一 般電流互感器雖未能完全滿足暫態(tài)特性要求，但也可能有一定暫態(tài)儲備，運行

23、經(jīng)驗表明，很多情況下采用 一般互感器也是可接受的。因此，選擇保護用電流互感器時，應根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問題的嚴重程度， 所用保護裝置的特性及暫態(tài)飽和可能引起的后果等因素，慎重確定。500kV系統(tǒng)電流互感器選擇500kV系統(tǒng)和高壓側(cè)為500kV的變壓器或發(fā)電機變壓器組，由于一次時間常數(shù)較大(100ms以上)， 電流互感器暫態(tài)飽和可能較嚴重，由此導致保護誤動或拒動的后果嚴重。因此，除保護裝置本身能保證不 受互感器暫態(tài)飽和影響的情況外，所選電流互感器應能滿足暫態(tài)性能要求。500kV 線路一般保護宜選用帶小氣隙的 TPY 級電流互感器，按考慮重合閘的兩次工作循環(huán)進行暫態(tài)特性驗算。斷路器失靈保護不宜使

24、用TPY級電流互感器，可選用TPS級或5P等電流可較快衰減的互感 器，但應注意防止互感器飽和時電流檢測元件拒動。高壓側(cè)為500kV的發(fā)電機變壓器組，高壓側(cè)母線一般為一個半斷路器接線，差動保護回路500kV側(cè)宜 選用TPY級電流互感器，低壓側(cè)發(fā)電機中性點及出線端空間較緊張，裝設(shè)TP類電流互感器可能存在困難, 但穿越故障電流較小，一般不超出 3 倍額定電流。因此，為與高壓側(cè)匹配，差動保護用電流互感器在滿足 暫態(tài)特性要求下可選用帶小氣隙的5PR級電流互感器口。暫態(tài)性能可按外部三相短路C-O工作循環(huán)進行驗 算。高壓側(cè)為500kV的降壓變壓器的差動保護回路各側(cè)均宜選用TPY級電流互感器。高、中壓側(cè)宜按外

25、部線路故障C-0-C-0工作循環(huán)校驗暫態(tài)特性。低壓側(cè)為三角接線時，可按外部三相短路C-O工作循環(huán)校驗。220kV系統(tǒng)電流互感器選擇220kV系統(tǒng)的暫態(tài)問題(T 60ms)及其影響后果比500kV系統(tǒng)相對較輕，適當降低保護用電流互 p感器的暫態(tài)特性要求是可以接受的。以往在220kV系統(tǒng)有大量按穩(wěn)態(tài)特性選用的電流互感器運行經(jīng)驗，但 通常這些互感器的短路電流倍數(shù)和二次負荷選擇留有一定裕度。因此，220kV系統(tǒng)一般可按穩(wěn)態(tài)特性選用 P類、PR類和PX類電流互感器，但宜適當提高所選用電流互感器的準確限值系數(shù)(ALF)以減少暫態(tài)飽和影 響。根據(jù)運行經(jīng)驗，所選互感器的準確限值系數(shù)宜大于保護校驗故障電流與互感

26、器額定電流之比的兩倍， 即用戶給定暫態(tài)系數(shù)K22。參見IEEE Std C37.110-1996等規(guī)定。高壓側(cè)為 220kV 的發(fā)電機變壓器組或主變壓器，雖然外部故障穿越短路電流倍數(shù)不大，但一次時間常 數(shù)可能較大(發(fā)電機和發(fā)電機變壓器組的T可能達150250ms)，短路暫態(tài)可能較嚴重。其差動保護的各側(cè) p電流互感器除參照上述220kV重要線路，在按穩(wěn)態(tài)特性選用電流互感器時，適當提高所選的ALF外。還應 特別注意各側(cè)電流互感器特性及二次負荷的協(xié)調(diào)匹配。母線保護用電流互感器的選擇由于高壓母線短路電流很大，而且外部故障時流過各互感器的電流差別也可能很大，母線差動保護用 電流互感器的選擇，很難滿足各種外部故障下的暫態(tài)特性要求。一般需要保護裝置采取必要的減輕互感器 暫態(tài)飽和影響的措施。工程應用中可根據(jù)保護裝置的特定要求采用適當?shù)碾娏骰ジ衅鳌?10kV及以下系統(tǒng)電流互感器選擇llOkV及以下系統(tǒng)由于暫態(tài)問題及其影響相對較輕，電流互感器一般按穩(wěn)態(tài)條件選擇，采用P類 互感器。對于發(fā)電機或發(fā)電機變壓器組，可參照上節(jié)的原則選用適當?shù)碾娏骰ジ衅?。保護用電流互感器的分類和選擇保護用電流互感器的分類P類：準確限值規(guī)定為穩(wěn)態(tài)對稱一次電流的復合誤差。的電流互感器，對剩磁無要求。PR類：剩磁系數(shù)有規(guī)定值(10%)的電流互感器，在某些情況下，也可規(guī)定二次回路的時間常 數(shù)或二次繞