06-03-互感器的原理与选择.pptx

第1页：6.3 互感器的原理与选择

本章讲授互感器的工作原理、误差特性与选择方法，包括电磁式电流互感器、电磁式与电容式电压互感器，以及互感器在主接线中的配置原则。

第2页：互感器的作用

互感器的作用主要有：

• 将一次侧的高电压、大电流转变成二次侧标准的低电压（100 V）、小电流（5 A），使测量仪表标准化、小型化；
• 将一次系统同二次设备隔离，保证运行人员和二次设备的安全；
• 为继电保护、自动装置和测量仪表提供统一的信号源。

第3页：互感器的类型

• 电流互感器：目前广泛应用的是电磁式电流互感器；
• 电压互感器：分为电磁式电压互感器与电容式电压互感器两类。

第4页：电磁式电流互感器

电磁式电流互感器的工作原理与变压器相似，其结构特点是：

• 一次绕组串联在电路中，且匝数很少（常为一匝或几匝）；
• 二次绕组匝数多，接测量仪表和保护装置。

二次额定电流统一为 5 A（或 1 A）。

第5页：电流互感器工作原理

由磁势平衡关系 I₁N₁ + I₂N₂ = I₀N₁ 可知，二次电流与一次电流近似成正比：

I₂ ≈ I₁N₁/N₂ = I₁/K_i，其中 K_i 为电流互感器的额定变比。

电流互感器二次侧严禁开路运行：开路时二次磁势消失，一次电流全部用于励磁，铁芯严重饱和过热，且二次侧感应出危险高电压。

第6页：电流互感器的误差

由于电流互感器本身存在励磁损耗和磁饱和等影响，使一次电流在数值上和相位上都有差异，即测量结果有误差，通常用两项表示：

电流误差（比值差）f_i

二次电流折算值与实际一次电流的差值对一次电流的百分数。

相位差 δ_i

二次电流相量翻转 180° 后与一次电流相量之间的夹角，单位为分（′）。

第7页：影响误差的因素（一）

影响电流互感器误差的主要因素是励磁电流的大小，而励磁电流又取决于：

• 一次电流的大小：一次电流过大时铁芯饱和，误差显著增大；
• 一次电流过小时，励磁电流所占比重上升，误差同样增大。

第8页：影响误差的因素（二）

除一次电流外，二次负载也是影响误差的关键因素：

• 二次负载阻抗 Z₂ 增大，二次电流减小、励磁电势升高，铁芯趋于饱和，误差增大；
• 二次负载功率因数降低（感性增强），相位差增大。

因此准确级均以规定的二次负载范围为前提给出。

第9页：影响误差的因素（三）

其他影响误差的因素还包括：

• 铁芯材料与截面：导磁率高、截面大的铁芯励磁电流小，误差小；
• 二次绕组匝数：匝数增多可减小励磁电流；
• 系统频率：频率变化会影响励磁阻抗，进而影响误差。

第10页：电流互感器的准确级

准确级

根据测量时误差的大小划分，是指在规定的二次负载范围内、一次电流为额定值时的最大误差限值，如 0.2、0.5、1、3 级与保护用 5P、10P 级。

测量用互感器要求误差小，保护用互感器则要求在大短路电流倍数下仍保持一定的准确度与抗饱和能力。

第11页：电流互感器的额定容量

额定容量 S_2N

在额定二次电流 I_2N 和额定二次阻抗 Z_2N 下运行时，二次绕组输出的容量，S_2N = I_2N²Z_2N。

由于误差与二次负荷有关，同一台电流互感器对应不同的准确级便有不同的额定容量（准确级越高，允许二次负载越小）。

第12页：电流互感器的分类

第13页：电流互感器的安装与绝缘方式

第14页：电流互感器的接线

电流互感器常用的三种接线方式：

• 单相接线：用于测量单相电流，如单相回路或对称三相回路中的一相；
• 星形（三相完全）接线：用于三相四线制、需要测量三相电流及零序电流的回路；
• 不完全星形（两相 V 形）接线：用于中性点非直接接地系统的三相三线制回路，可反映相间故障。

第15页：电流互感器型式的选择

① 种类和型式的选择：根据安装地点（屋内、屋外）和安装方式（穿墙式、支持式、装入式等）选择型式。

当一次电流较小时（例如 400 A 以下），宜采用多匝式以提高准确度；当一次电流较大时，采用单匝贯穿式或母线式。

第16页：电流互感器准确级与容量的选择

③ 准确级和额定容量的选择：

• 为保证测量仪表的准确度，电流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准确级时，按要求最高者选取；
• 实际二次负载不得超过选定准确级所对应的额定容量。

第17页：电流互感器的稳定校验

④ 热稳定和动稳定校验：对本身带有一次回路导体的电流互感器进行热稳定校验。

• 热稳定：电流互感器的热稳定能力常以 1 s 允许通过的热稳定电流倍数表示，应满足 I_t²t ≥ Q_k；
• 动稳定：以动稳定电流倍数表示，应满足 i_es ≥ i_sh。

第18页：电压互感器的类型

目前电力系统广泛应用的电压互感器主要有两种：

• 电磁式电压互感器：原理与变压器相似，适用于 3~220 kV；
• 电容式电压互感器：由电容分压器构成，在 110 kV 及以上电压等级中优势明显。

第19页：电磁式电压互感器

电磁式电压互感器的工作原理与变压器相似，其结构特点是：

• 一次绕组并联在电路中，且匝数多；
• 二次绕组匝数少，二次额定电压统一为 100 V（或 100/√3 V）。

电压互感器二次侧严禁短路运行，否则将产生很大的短路电流烧毁绕组。

第20页：电压互感器工作原理

忽略励磁电流和内阻抗时，一、二次电压与匝数成正比：

U₁/U₂ = N₁/N₂ = K_u，其中 K_u 为电压互感器的额定变比。

实际运行中由于存在励磁电流和内阻抗压降，测得值与实际值之间存在误差。

第21页：电压互感器的误差

由于电压互感器存在励磁电流和内阻抗，使得测量结果的大小和相位都有误差，通常表示为：

电压误差（比值差）f_u

折算到一次侧的二次电压与实际一次电压之差对一次电压的百分数。

相位差 δ_u

一次电压相量与二次电压相量翻转 180° 后的夹角。

第22页：电压互感器误差的影响因素

影响电压互感器误差的因素主要有：

• 一次电压：电压偏离额定值时铁芯磁密变化，误差改变；
• 二次负荷：负荷越大，内阻抗压降越大，误差越大；
• 负荷功率因数；
• 系统频率。

第23页：电压互感器的准确级

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，如 0.2、0.5、1、3 级及保护用 3P、6P 级。

频率、功率因数的变化会改变误差，故准确级均对应规定的工作条件。

第24页：电压互感器的额定容量

额定容量

由于误差与二次负荷有关，同一台电压互感器对应不同的准确级便有不同的容量；在最高准确级下所规定的容量即为额定容量。

此外还给出最大容量，指按发热条件允许的最大二次负荷，此时准确级不作保证。

第25页：电压互感器的分类（一）

第26页：电压互感器的接线分类

按相数分类时：

• 单相电压互感器：35 kV 及以上电压等级普遍采用，可单台测量相电压或相间电压，也可由三台组成 YN,yn,d0 接线；
• 三相电压互感器：35 kV 以下采用，常用三相五柱式，可同时取得线电压和相电压。

第27页：电压互感器的绝缘与结构

第28页：电容式电压互感器原理

电容式电压互感器（CVT）实质上是一个电容分压器：由高压电容 C₁ 与中压电容 C₂ 串联构成，从 C₂ 上取得分压。

当 a、b 间接上负荷后，由于 C₁、C₂ 有内阻压降，使 U_C2 小于理想电容分压值，且随负荷变化，产生测量误差。

第29页：电容式电压互感器的补偿

为减小误差，实际电容式电压互感器在分压回路中串入补偿电抗器 L，再经中间变压器 TV 降压输出：

• 电抗器 L 用于补偿电容器内阻抗，使等效内阻抗接近零；
• 中间变压器 TV 将电压降至标准 100 V，并实现一、二次隔离。

由于电容器有损耗、电抗器有电阻，内阻不可能完全补偿为零，因此电容式电压互感器误差比电磁式大。

第30页：电容式电压互感器的过电压

电容式电压互感器需要特别防范两类过电压：

• 二次侧短路引起的过电流和过电压：短路切除后在补偿电抗器上出现很高的过电压，因此应加装放电间隙保护；
• 铁磁谐振过电压：由电容与中间变压器铁芯非线性电感构成回路，在电压突变时激发，表现为持续性的谐振过电压与波形畸变。

抑制措施：在二次侧或剩余电压绕组上接入阻尼电阻（谐振抑制装置）。

第31页：电容式电压互感器优缺点

第32页：电压互感器的接线（一）

第33页：电压互感器的接线（二）

高压与超高压系统中常用的两种接线：

• 3~220 kV：用三台单相三绕组电压互感器构成 YN,yn,d0 接线，其中开口三角（d0）绕组用于监视零序电压（接地故障与绝缘监察）；
• 110~500 kV：多采用电容式电压互感器接线，兼作载波通信耦合电容。

第34页：电压互感器型式的选择

① 种类和型式的选择：

• 在 6~35 kV 屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式电压互感器；
• 110~220 kV 配电装置（特别是户外式）宜采用电容式电压互感器；
• 330 kV 及以上应优先采用电容式电压互感器。

第35页：电压互感器额定电压的选择

② 一次额定电压和二次额定电压的选择：

• 一次额定电压 U_1N 应与电网额定电压一致，并满足 U_1N ≥ U_Ns；
• 二次额定电压统一取 100 V（或 100/√3 V）；
• 3~35 kV 电压互感器一般经隔离开关和熔断器接入高压电网；110 kV 及以上直接经隔离开关接入，不装熔断器。

第36页：电压互感器容量与准确级的选择

③ 容量和准确级的选择：

• 根据仪表和继电器的接线要求选择接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上；
• 计算各相二次负荷，取负荷最大的一相校验，使其不超过该准确级下的额定容量。

第37页：互感器配置原则概述

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。

互感器的配置包括两部分：电压互感器的配置与电流互感器的配置。

第38页：电压互感器配置：母线

1. 电压互感器的配置（母线）：

• 除旁路母线外，一般工作及备用母线都装设一组电压互感器，用于同步、测量仪表和保护装置；
• 旁路母线上是否装设电压互感器，要根据出线是否需要同期或电压监视确定。

第39页：电压互感器配置：线路

（2）线路：35 kV 及以上输电线路，当对端有电源时，装有一台单相电压互感器，用于：

• 监视线路有无电压；
• 进行同步（同期并列）；
• 设置自动重合闸（无电压检定与同期检定）。

第40页：电压互感器配置：发电机

（3）发电机：一般装 2~3 组电压互感器。

• 一组供自动调节励磁装置，采用三只单相、双绕组互感器；
• 另一组供测量仪表、同期和保护装置使用，采用三只单相三绕组互感器（含开口三角绕组用于定子接地保护）。

第41页：电压互感器配置：发电机补充

发电机电压互感器配置的补充说明：

• 当互感器负荷太大时，可增设一组不完全星形连接的互感器，专供测量仪表用；
• 大、中型发电机中性点常接有单相电压互感器，用于定子绕组单相接地保护。

第42页：电压互感器配置：变压器

（4）变压器：变压器低压侧有时为了满足同期或继电保护的要求，设有一组电压互感器。

在发电机—变压器组单元接线中，也可由发电机出口的电压互感器兼供变压器保护装置使用。

第43页：电流互感器配置：相数

2. 电流互感器的配置

（1）相数

对于中性点接地系统，一般按三相配置；对于中性点非接地系统，依具体情况按二相或三相配置。

配置目的

满足测量仪表、保护装置的取流需要，并尽量扩大保护范围、缩小保护死区。

第44页：电流互感器配置：装设地点

（2）保护用电流互感器的装设地点，应按尽量消除保护死区的原则确定：

如有两组电流互感器，应尽可能设在断路器两侧，使断路器处于交叉保护范围之中。

第45页：电流互感器配置：布置位置

（3）为防止电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线侧或变压器侧，即尽可能不在紧靠母线侧装设电流互感器。

第46页：电流互感器配置：发电机

（4）为减轻内部故障对发电机的损伤，用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧。

为便于分析和在发电机内部故障时作出判断，通常在发电机中性点侧也装设电流互感器，构成纵差保护的两侧取流。

第47页：高压互感器的新进展

四、高压互感器的新进展——电子式互感器

电子式互感器的传感原理与传统互感器相同，区别在于：

• 传感部分不传送功率，只传送信号；
• 信号由电子放大器放大后送到负荷，并依靠光导纤维传输。

由此带来绝缘结构简单、体积小重量轻、无铁芯饱和、动态范围宽、可直接与数字化保护装置接口等优点，是智能变电站的重要基础设备。