电气设计知识积累

• 1 关于电流互感器（CT）和电压互感器（PT）
• • 1.1 CT二次侧不能开路 PT二次侧不能短路
  • • 1.1.1 电流互感器综述及其二次侧不能开路
    • 1.1.2 电压互感器综述及其二次侧不能短路
  • 1.2 关于PT的开口三角及其引申
  • • 1.2.1开口三角PT的示意图及原理
    • 1.2.2电压互感器接成开口三角的工作原理
    • • 延展知识点一：中性点接地和中性点不接地系统
      • • （1）概念综述
        • （2）中性点不接地系统故障分析
        • （3）中性点直接接地系统故障分析
        • （4）中性点经消弧线圈接地故障分析
        • （5）适用范围及总结
      • 延展知识点二：线路的等效模型
  • 1.3电力系统继电保护中CT、PT的配置原则
  • • 1.3.1 CT的极性
    • 1.3.2 CT的指向
    • • 附 常见CT指向图梳理
    • 1.3.3 CT和PT的选型
    • • 一、电流互感器的选型
      • • （1）电流互感器的一次参数
        • （2）电流互感器的二次额定电流
        • （3）电流互感器的额定输出容量
        • （4）电流互感器的准确度级
      • 二、电压互感器的选型
      • • （1）电压互感器的一次参数
        • （2）电压互感器的二次额定电压
        • （3）电压互感器的额定输出容量
        • （4）电压互感器的输出误差
    • 1.3.4 CT和PT的常规配置
    • • 延展知识点一：什么是线路抽取电压 U X U_X UX​
• 2 继电保护的专题研究

1 关于电流互感器（CT）和电压互感器（PT）

1.1 CT二次侧不能开路 PT二次侧不能短路

1.1.1 电流互感器综述及其二次侧不能开路

电流互感器的作用是隔离一次系统的大电流，从而使得二次的继电保护、自动装置和测量仪表能够安全准确地获取电气一次回路的电流信息。电流互感器主要有电磁式互感器和电子式互感器两种。

电磁式互感器的二次回路不能开路，因为电流互感器是一个特殊形式的变换器，它的二次电流正比于一次电流。因为其二次回路的负载阻抗很小，一般只有几个欧姆，所以二次工作电压很低，当二次回路阻抗大时二次工作电压$U=IZ$ 也变大，它不但影响电流传变的准确度，还有可能损坏二次回路的绝缘，烧毁电流互感器铁芯。所以电流互感器的二次回路不能开路。

1.1.2 电压互感器综述及其二次侧不能短路

电压互感器时隔离高电压，供继电保护、自动装置和测量仪表获取一次电压信息的传感器。电压互感器也有电磁式、电容式和电子式三种。

电磁式电压互感器的二次回路不能短路，因为电压互感器也是一种特殊形式的变换器，与电流互感器不同的是，电压互感器的二次电压正比于一次电压。电压互感器的二次负载阻抗一般较大，其二次电流$I=U/Z$，在二次电压一定的情况下，阻抗越小则电流越大，当电压互感器二次回路短路时，二次回路的阻抗接近于0，二次电流$I$将变得非常大，如果没有保护措施，将会烧坏电压互感器。所以电压互感器的二次回路不能短路。

1.2 关于PT的开口三角及其引申

开口三角形指的是中性点不接地系统中电压互感器三相的3个二次绕组的接法，绕组按照三角形接线连接，但不接成环，留一个开口。

1.2.1开口三角PT的示意图及原理

如图所示，根据KVL定理，开口的电压大小为三相电压的向量和 U △ U_△ U△​ ，在正常运行三相平衡的工况下， U △ = 0 V U_△=0V U△​=0V 。
当电力系统发生单相接地故障时，开口电压数值大小不为0，因此可以起到监测电力系统单相接地故障的功能。

1.2.2电压互感器接成开口三角的工作原理

根据上图开口三角形接法，可知开口三角的电压，为三相电压绕组电压的矢量和，即 U △ ⃗ = U a ⃗ + U b ⃗ + U c ⃗ \vec{U_△}=\vec{U_a}+\vec{U_b}+\vec{U_c} U△​ ​=Ua​ ​+Ub​ ​+Uc​ ​ ，向量图如图所示：
在正常运行情况下三相电压矢量和为0，因此开口电压为0。
而在故障情况下：
当系统为中性点不接地系统，根据下方延展知识点，发生单相接地故障时，中性点电位被抬高，故障相相电压幅值不变，非故障相电压变为正常运行时相电压的 3 \sqrt{3} 3 ​倍，此时根据三相电压矢量和为 U △ ⃗ = U b ⃗ ′ + U c ⃗ ′ \vec{U_△}=\vec{U_b}'+\vec{U_c}' U△​ ​=Ub​ ​′+Uc​ ​′。
注意：从向量图上看到的 U a ⃗ ′ \vec{U_a}' Ua​ ​′仅仅表示中性点电位被抬高，表示的是中性点到A相之间的电压（正常运行时中性点与地同电位，所以中性点与A相间的电压就是地与A相间的电压，就是相电压），实际上当发生A相接地短路，A相与大地同电位，因此此时实际的A相相电压为0，可知此时开口三角电压为正常运行时相电压的3倍。一般来说，PT二次侧额定电压指的是绕组本身的额定电压，因此当想要中性点不接地系统发生单相短路故障时，开口三角输出电压为100V的话，就需要涉及PT二次侧额定电压（即绕组本身额定电压）为33.3V。

当系统为中性点接地系统，根据下方延展知识点，故障相相电压为0，非故障相相电压幅值相角不变，因此根据电压向量图可知，开口三角输出电压为原先相电压，若想要开口三角电压输出为100V，则将绕组额定值设计为100V即可。

在我国的电力系统当中，一般单相PT二次侧额定电压为57.7V，三相PT二次侧额定电压为100V。
1 。 1^。 1。对于三相系统相间电压的单相电压互感器，二次额定电压为100V，对于接在三相电压与地之间的单相电压互感器，二次额定电压为 100 / 3 V 100/\sqrt{3}V 100/3 ​V；
2 。 2^。 2。接成开口三角的剩余绕组额定电压与系统中性点接地方式有关，中性点直接接地，二次额定电压为100V；不接地时，二次额定电压为$100/3V$。

延展知识点一：中性点接地和中性点不接地系统

（1）概念综述

中性点运行的方式主要分为2类：直接接地 和 不接地系统。
直接接地系统供电可靠性低，因为这种系统一相故障接地时，即出现了除中性点外的另一个接地点，构成了短路回路，接地相电流很大，需要立刻切除故障相或切除三相；
不接地系统供电可靠性较高，该系统一相接地时，不构成短路回路，接地相相电流不大，不必切除接地相，但非接地相对地电压升高为相电压的 3 \sqrt3 3 ​倍，因此对设备绝缘水平提出了较高要求。

（2）中性点不接地系统故障分析

关于电压向量分析：
如上图所示，故障相为A相。
在非故障的情况下，中性点N的点位为0，从电压向量图看出三相电压分别为 U A ⃗ \vec{U_A} UA​ ​、 U B ⃗ \vec{U_B} UB​ ​和 U C ⃗ \vec{U_C} UC​ ​，当发生单相接地短路时，A相直接接地，接地相电位为0，因此由于负载压降，中性点的电位被抬高，但故障相本身与地同电位，故障相相电压为0。如向量图中红色箭头AN所示。
根据相电压的定义，故障后B相和C相的故障电压变为图中的红色箭头NB和NC，非故障相相电压变为正常运行的 3 \sqrt{3} 3 ​倍。

关于电流向量的分析
故障相为A相。
在非故障的情况下，根据线路的电力系统等效模型 （详见延展知识点二） ，由于电力线路对地充电电容的存在，本该对电网存在充电电流，非故障情况下由于中性点不接地，因此充电电流对地没有构成回路，因此充电电流不存在；
在单相短路故障的情况下，对于故障相，由于产生了除了对地电容以外的第二个接地点，2侧电位相等，因此故障相不存在电容的充电电流；对于非故障相，由于中性点电位被抬高，产生相位差，因此两相的充电电流合成的故障相的故障电流，其相位关系如上图所示，故障相电流与非故障相电流的幅值关系为： I A ′ = 3 I B ′ = 3 I C ′ I_A'=\sqrt{3}I_B'=\sqrt{3}I_C' IA′​=3 ​IB′​=3 ​IC′​。

（3）中性点直接接地系统故障分析

)
关于电压的分析：
故障相为A相，当发生单相接地短路时，由于中性点直接接地，所以中性点的电位被一直固定在地电位保持不变（因为大地的容量可理解为无穷大），因此B相相电压和C相相电压保持不变，A相由于故障点接地，电位为0，与中性点一致，没有电位差，因此相电压为0。
关于电流的分析：
由于故障点的存在，因此出现了除了中性点外的第二个接地点，下方的橙色箭头表示了短路电流的流向，原先经负载到中性点到地，当发生单相短路故障，电源点将跳过负载直接接地，由于线路负荷很小，所以接地相会产生很大的短路电流，其余相与正常运行时一致。因此在中性点直接接地系统中，当发生单相接地故障，需要立刻切除接地相或三相。

（4）中性点经消弧线圈接地故障分析

在中性点不接地系统当中，根据上述分析可知，故障相对地的电流为容性电流，随着网络的延伸，电流也会愈发增大，以至于完全有可能使接地点电弧不能够自行熄灭并引起弧光接地过电压，甚至发生严重的系统性事故，因此装设消弧线圈本质上是在接地相电流当中增加了一个感性的电流分量，和装设消弧线圈前的容性电流分量相抵消，减小了接地点的电流，使电弧易于自行熄灭，提高了供电可靠性，一般对于3~60kV网络，容性电流超过如下数值的时候，中性点应装设消弧线圈：
3~6kV网络：30A
10kV网络：20A
35~60kV网络：10A
中性点经消弧线圈接地，同时也能分为过补偿和欠补偿，过补偿指感性电流大于容性电流；欠补偿指感性电流小于容性电流。

（5）适用范围及总结

原理：
在电压等级较高的系统中，绝缘费用在设备总价格中占相当大的比重，降低绝缘水平带来的经济效益很显著，所以一般采用中性点直接接地的方式，而以其它措施提高供电可靠性；
在电压等级较低的系统中，一般采用中性点不接地方式提高供电可靠性。

在我国，110kV及以上系统中性点直接接地，60kV及以下的系统中性点不接地。

延展知识点二：线路的等效模型

1.3电力系统继电保护中CT、PT的配置原则

1.3.1 CT的极性

在继电保护当中，一般CT（电流互感器）都按照减极性进行配置：
规定一次电流由标识端流入电流互感器作为假定正方向，二次电流由标识端流出电流互感器作为假定的正方向，即当一次电流由P1端流向P2端的时候，二次电流由S1端流出经过外部回路流回到S2端，其中，P1和S1为同名端，P2和S2为同名端。
备注：同名端是指，当从同名端注入电流的时候，在铁芯形成的磁通方向一致，如下图所示：

可以从电磁感应原理的角度来理解电流互感器正方向及电流的流向：
1 。 1^。 1。假设一次电流的流向是从P1流向P2，根据右手定则，可以判断出，一次电流在一次绕组中产生从上往下看顺时针旋转的磁场；
2 。 2^。 2。产生的交变的磁场将在二次绕组中感应出对应的二次电流，根据楞次定律“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”，因此二次绕组的感应电流方向应是从P2流向P1；
3 。 3^。 3。根据以上分析可知，减极性接法为一次电流由P1流向P2，二次电流由P1流向P2，经P2流出经外部回路（装置测量绕组）回到P1。

1.3.2 CT的指向

CT的指向并不是完全规定死的，所有的方向都是在一个参考方向的基础上定出来的，因此在继电保护配置当中，需要合理规划配合CT的极性和指向，保证电流测量和保护模拟量矢量的正确性，例如对于差动保护的CT，需要保证所有相关CT极性一致（均指向保护设备或均与之相反），具体指向可以无所谓，因为保护原理是矢量和，如下图所示：


如何理解CT指向，即P1端靠近谁，就是指向谁，例如P1端靠近母线，则CT极性指向母线；若P1端靠近设备，则CT极性指向设备。
一般而言，用于计算功率的电流模拟量采样，由于需要和电压配合计算得到功率值，因此一般采用CT极性指向母线为正方向，这是因为由于功率计算一般取母线电压进行计算，因此母线为基点，正方向为母线指向线路。

附 常见CT指向图梳理

如上图所示，主变高压侧CT P1指向110kV母线，主变低压侧CT P1指向10kV母线，P2同时指向变压器设备；10kV支路CT P1指向10kV母线。注意，主变高低压测无论是CT的测量绕组还是保护绕组，都是采用相对指向的配置方式。

1.3.3 CT和PT的选型

1 。 1^。 1。电磁式互感器主要通过电磁感应原理实现对电压电流的测量；

2 。 2^。 2。电子式互感器是采用磁光、电光变换原理或由无铁芯线圈构成的新型互感器，它包括电流（电压）传感器、传输系统、二次转换器、具有模拟量输出或数字量输出。包括采用磁光效应、洛式线圈、小型号输出、全光纤传输等类型的互感器统称为电子式互感器；
应用：电子式互感器通过信号处理箱接收传感头输出的模拟感应信号，经信号处理箱进行滤波、幅值、相位仪校准后变成标准输出信号，提供给计量、保护和测量设备。由于输出信号为小信号（毫伏级），不存在二次短路（开路）危险。

电子式电流互感器，采用光隔离绝缘，依靠高压母线磁场自励提供传感器工作电源，高压侧的测量、保护线圈输出的电流信号经数字采样后通过光纤传至二次设备，高低压之间实现了光隔离，永久性解决了绝缘隔离难题。传感头采用小型纳米晶磁芯线圈及罗高斯基保护线圈，具有测量季度高，保护范围宽，免于维护，工作稳定可靠的优点。

电子式电压互感器，通常采用简单的电阻分压原理或电容分压原理实现电压信号的采集。专用的高压电阻或电容，实现了电压信息的高精度与高稳定性采集。采用屏蔽电缆或光纤电缆传输。

3 。 3^。 3。电容式电压互感器（CVT）
电容式电压互感器是由串联电容分压，再经过电磁式互感器降压和隔离。与常规的电磁式电压互感器相比，电容式电压互感器除了可以防止因电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振之外，在经济和安全上还有很多优越之处。

CVT的工作原理：CVT通过电容分压到中间变压器，一般为13000V，中间变压器有两个二次绕组，主二次绕组用于测量，二次电压为 100 / 3 100/\sqrt{3} 100/3 ​；辅助二次绕组用于继电保护，电压为100V，为了能监视系统的接地故障，辅助二次绕组接成开口三角形。阻尼电阻R接在辅助二次绕组上，用于抑制谐波的产生。

在正常运行时，CVT从中间变压器高压端处把分压电容分成2部分，一般称下面电容器的电容为C2，上面电容器电容为C1，则当外加电压为U1时，电容C2上分得的电压为： U 2 = C 1 C 1 + C 2 × U 1 U2=\frac{C1}{C1+C2}\times{U1} U2=C1+C2C1​×U1

通过调节C1和C2的大小，即可得到不同的分压比，为了保证C2上的电压不随负载电流改变，串入一适当电感。

在额定频率时，将电抗器的电抗调整为： w L = 1 w ( C 1 + C 2 ) wL=\frac{1}{w(C1+C2)} wL=w(C1+C2)1​，此时发生串联谐振，电源内阻抗为0，一次侧电流最大，根据变压器主边副边的功率特性，二次侧电流最小，二次侧负载电流小，电容分压器的输出容量（额定容量）将不受测量精度的限制，对于互感器的带负载能力提高起到了十分积极的作用。

由于电压互感器内会有铁磁谐振发生，通常情况下会采用阻尼装置对谐振进行抑制。由电阻及电抗器所组成的阻尼装置主要是跨接在二次绕组上，具有较高的阻抗，功率消耗较小，所以对电容式电压互感器所带来的影响可以忽略不计。一旦有铁磁谐振发生时，电抗器则会在较短的时间内达到深度饱和状态，快速耗尽振荡的能量，从而对铁磁谐振起到有效的抑制作用。

CVT进行谐波测量，测量结果的幅值和相位会存在很大误差。其原因是CVT主电路工作在工频谐振工况，会导致其频率特性发生畸变，从而导致谐波测量结果失真。

一、电流互感器的选型

（1）电流互感器的一次参数

电流互感器的一次参数主要有一次额定电压和一次额定电流。
1 。 1^。 1。一次额定电压
一次额定电压的选择主要满足相应电网电压的要求即可，保证其绝缘水平能够承受电网电压的长期运行，并承受可能出现的雷电过电压、操作过电压及异常运行方式下的电压，如小接地电流方式下的单相接地。

2 。 2^。 2。一次额定电流
一次额定电流的考虑一般需要满足以下要求：
1）应大于所在回路可能出现的最大负荷电流，并考虑适当的负荷增长，当最大负荷无法确定的时候，可以取与断路器、隔离开关等设备的额定电流一致。
2）应能满足短时热稳定、动稳定电流的要求。一般情况下，电流互感器的一次额定电流越大，所能承受的短时热稳定和动稳定电流值也越大。
3）由于电流互感器的二次额定电流一般为标准的5A与1A，电流互感器的变比基本由一次电流的大小决定，所以在选择一次电流额定时要核算正常运行测量仪表要运行在误差的最小范围，继电保护用次级又要满足10%的误差要求。
4）考虑到母差保护等使用电流互感器的需要，由同一母线引出的各回路，电流互感器的变比尽量一致。
5）选取的电流互感器一次额定电流值应与国家标准GB 1208-1997《电流互感器》推荐的一次电流标准值一致：
额定电流一次电流的标准值为：10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、75A及其十进制倍数或小数，标黄的为优先值。

（2）电流互感器的二次额定电流

总的原则：根据标准《GB 1208-1997》，标准规定电流互感器的二次电流为1A和5A
1）10~110kV电压等级变电站：设备数量较多，电缆长度较短，一般使用5A的电流互感器 （由于5A电流互感器体积小，造价便宜，但二次负载较大）
2）220kV及以上电压等级变电站：设备数量较少，电缆长度较长，一般使用1A的电流互感器 （1A电流互感器体积较大，造价昂贵，但是二次负载是5A互感器的1/25）

（3）电流互感器的额定输出容量

电流互感器的额定输出容量是指在满足额定一次电流、额定变比的条件下，在保证所标称的准确度级时，二次回路能够承受的最大负载值（VA）
根据标准《GB 1208-1997》，电流互感器的额定输出容量的标准值有5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100VA

对于电流互感器二次回路的负载 S L S_L SL​，可以用以下公式进行计算：
S L = I e 2 ( ∑ K 1 Z L + K 2 Z 1 + Z j e ) S_L={I_e}^2(\sum{K_1Z_L+K_2Z_1+Z_{je}}) SL​=Ie​2(∑K1​ZL​+K2​Z1​+Zje​)
在上式当中：
I e I_e Ie​表示电流互感器的额定二次电流，单位为A；
Z L Z_L ZL​表示二次设备的阻抗，单位为Ω；
Z 1 Z_1 Z1​表示二次回路连接导线的阻抗，单位为Ω；
Z j e Z_{je} Zje​表示二次回路连接点的接触电阻，其大小取决于连接点的多少与连接点接触是否良好，一般取0.05Ω~0.1Ω；
K 1 K_1 K1​表示二次设备的接线系数；
K 2 K_2 K2​表示二次回路连接导线的接线系数。
备注： S e S_e Se​为电流互感器的实际输出容量，选择上应大于计算出的 S L S_L SL​并适当留有裕量

备注： Z L 0 Z_{L0} ZL0​为零线回路中的负荷阻抗

（4）电流互感器的准确度级

二、电压互感器的选型

（1）电压互感器的一次参数

（2）电压互感器的二次额定电压

（3）电压互感器的额定输出容量

（4）电压互感器的输出误差

1.3.4 CT和PT的常规配置

延展知识点一：什么是线路抽取电压 U X U_X UX​

2 继电保护的专题研究

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