第二章 互感器及变换器
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第二章 互感器及变换器
互感器的作用是将一次回路的高电压和大电流变为二次回路 的标准的低电压（100V）和小电流（5A或1A），并将二次 设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证 了设备和人员的人身安全。
电流互感器
电压互感器
本章主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 电流互感器 电压互感器 变换器 对称分量滤过器 综合变流器
N 0
三相星形接线和二相星形接线。这两种接线的接线系数在各种 路情况下均为1。
3.电流互感器使用注意事项
（1）电流互感器在工作时其二次侧不允许开路
i1e2
i1
e2
0
t
电流互感器二次开路时
, i1 , e2
的变化曲线
（2）电流互感器二次侧有一端必须接地
一端必须接是为了防止一、二次绕组绝缘击穿时，一次侧
（1）变比误差
I 2 I1 I 100% I1
由于角度误差δ一般很小，可以认为，所以变比误差 △I可近似表示成为 / Im cos(m a) I I1/
（2）角度误差
由于角度误差δ很小，所以可近似表示成
sin m a Im I2 arg sin （rad） I1 I1
准确 度级 0.2 一次电流为额定电 流的百分数（% ） 10 20 100～120 10 20 100～120 10 20 100～120 50～120 50～120 100 100m 误差限值 变比误（+%） 0.5 0.35 0.2 1 0.75 0.5 2 1.5 1 3.0 10 3 -10 不规定 相位误（+%） 20 15 10 60 45 30 120 90 60 不规定 （0.5~1)S2N S2N （0.25~1)S2N 二次负荷变化范 围
Kcon 1
两相电流差式接线只适 用于10KV以下小接地电 流系统中作为相间短路 保护，小容量设备和高 压电动机的保护
2）两种常用的接线方式
三相星形接线，由于两个保护之间在定 值和时限上都是按照选择性的要求配合 整定的，因此能保证100%切除XL2
希望：切除BC线路
事实：当保护1、2 采用三相星形接线 时，在两个保护的 动作值和时限按选 择性配合，能保证 100%只切除BC线路
第一节 电流互感器
一、电磁式电流互感器的工作原理 二、电流互感器的误差 三、电流互感器的准确级与二次额定容量 四、电流互感器的极性和常用接线
一、电磁式电流互感器的工作原理
电流互感器的额定变比为其一、二次侧额 定电流之比，即
K TA I 1N I 2N
二、电流互感器的误差
二、电流互感器的误差
穿时，一次侧的高压窜入二次侧危及人身和设备安全。
（3）电压互感器在连接时，也要注意其端子的极性。
二、电容式电压互感器
电容分压式电压互感器（CTV）用于110～500kV中性
点直接接地系统，它是利用分压原理实现电压变换
的，用超高压电容和一个电磁式电压互感器将电容
分压输出的较高电压进一步变换成二次额定电压，
第二节 电压互感器
一、电磁式电压互感器 二、电容式电压互感器工作原理及电磁暂态过 程
一、电磁式电压互感器
1、电磁式电压互感器的工作原理
电磁式电压互感器的工作原理与一般电力变压器一样，但 不同的是容量较小，要用其二次电压准确地反映一次电压，因 此要求变比误差要小。二次侧所接测量仪表和继电器的电压绕 组，其阻抗值很大，故电压互感器近于空载状态下运行。 电压互感器的额定变比KTV为其一、二次侧额定电压之比：
KTV=U1N/U2N
2、电磁式电压互感器的测量误差及准确度级
电压误差 U
相位误差δ u
U 2 U1 U 100% U1
U2 u arg U1
电压互感器准确级和误差限值
准确度级 误差极限
电压误差 （%） 相位差 （′） 一次电压变 二次电压 化范围 保护范围
0.5 1 3
± 0.5 ± 20 （0.85～
1.15）U1N
± 1.0 ± 40 ± 3.0 不规定
（0.25～1 ）S2N
3.电压互感器的接线方式
4、电压互感器使用注意事项
（1）Βιβλιοθήκη Baidu压互感器在工作时其二次不允许短路
电压互感器同普通电力变压器一样，二次侧如发生短路，
将产生很大短路电流烧坏互感器。因此电压互感器一次、 二次绕组必须装设熔断器以进行短路保护。 （2）电压互感器二次侧有一端必须接地。 这是为了防止一、二次侧接地时，一、二次绕组绝缘击
故障 XL1 A 组合 XL2 B 切除线路 XL1
A C XL 2
B A XL 2
B C XL 2
C A XL 2
C B XL 1
两相星形接线，2/3的机会切除XL2
故障 XL1 A 组合 XL2 B
A C
B A
B C
C A
C B
切除线路 XL1 XL1 XL2 XL2 XL1 XL1 XL2 XL2
则电压误差为：
1 U I L j C +C +j L + LT +RL +RT 1 2 I L RL +RT
式中RL——谐振电抗器的电阻； RT——隔离变压器一次侧电阻与折算 到一次侧的二次侧电阻之和。
实用的电容分压式电压互感器
高一倍，如采用不完全星形接线由于B相无
电流互感器则灵敏系数比完全星形接线低一
倍，为提高灵敏系数不完全星形接线的中性
线上接一只电流继电器。
两种接线方式的比较
两相星形接线 三相星形接线
需要三个电流互感器、三个 电流继电器和四根二次电缆 ，相对来讲是复杂和不经济 的。 三相星形接线广泛应用于发 电机、变压器等大型贵重电 力设备的保护中，提高保护 动作的可靠性和灵敏性。 它也可用于中性点直接接地 电网中，作为相间短路和单 相接地短路的保护。
接入负荷后，由于负荷电流和内阻抗Zn造成电压误 差为：
U I L (
1 j (C1 C 2 )
ZT )
电容分压式电压互感器工作原理
可见要减小误差，就要减小负荷或减小内阻抗。为减小内阻抗，
在回路串入一个补偿电抗器L，亦称为谐振电抗器，选择合适
的L值使满足谐振条件。
1 j ( L LT ) j 0 (C1 C 2 )
1 2 2 2 I A I C I a1 I K , I B 2 I A IK 3 3
I a I b I A I b I c I B I c I a I C
1 Ia Ic I A 3 2 2 I b I A I B 3 3
高电压窜入二次侧，危及人身和设备安全。 （3）电流互感器在连接时，要注意其端子的极性。 在安装和使用电流互感器时，一定要注意端子极性，否则二 次侧所接仪表、继电器中流过的电流不是预想的电流，甚 至会引起事故。如不完全星接线中，C相k1、k2如果接反， 则中性线中电流不是相电流，而是相电流的1.732倍，可能 使电流表烧坏。
S2N=I22NZ2N
因为电流互感器的误差与二次负荷有关，故同一 台电流互感器使用在不同准确级时，会有不同的 额定容量。
举例
额定容量S2N=I22NZ2N ，一般取 I2N=5A 或1A，则 S2N=25Z2N ，TA误差与 Z2N有关,如LMZ-10-3000/50.5型电流互感器在0.5级，Z2N=1.6 欧姆 ,在1.0 级，Z2N=2.4欧姆。 二次负荷阻抗值
当隔离变压器T二次侧短路时，谐振电抗器L与分压回路等效电容（C1、 C2并联）将发生串联谐振，使电压互感器回路中电流剧增，在谐振电抗器 L和电容器C2上产生很高的谐振电压。p1、p2为放电间隙，可以防止过电 压引起绝缘击穿。隔离变压器二次侧虚框中的电路是为了抑制铁磁谐振而 设置的。
0.5
1
3 10 B
10％误差曲线
保证电流误差不超过 -10 ％ 的条件 下 ，一 次电流 的倍 数 m10(m=I1/IN1) 与允许最大 二次负荷阻抗Z2的关系曲线 。
3.额定容量和额定二次负荷
额定容量 S2N 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。
结论
三相星形接线和两相星形接线都能反应相间短路故障，不同
的是三相星形接线还可以反应各种单相接地短路故障，而两相 星形接线不能反应B相接地故障。另外，三相星形接线中性线 电流 I N I a Ib Ic 。 在正常运行和三相对称短路时为零 I 0 ，在单相接地短路 N 时为 I 3I 。
采用两相星形接 线：即使t1=t2， 有2/3的机会仅切 除一条线路。
（3）对Y，d11接线变压器一侧两相 短路流过另一侧保护中的电流分析
故障点
I A I B I C 0
I A1 I a1e j 30
2
I A2 I a 2e j 30
I a1 I a 2 , I K I a Ib 3I a1 , I c 0
较为简单经济,在中性点直接 接地电网和非直接接地电网中 ，应用广泛。 在分布很广的中性点非直接接 地电网中，两点接地短路发生 在并联线路上的可能性比发生 在串联线路上的大得多。采用 两相星形可以保证有2/3的机 会只切除一条线路，此点比用 三相星形接线有优越性。 采用两相星形接线方式时，应 在所有线路上将保护装置安装 在相同的两相上，保证不同线 路上发生两点及多点接地时， 能切除故障。
2、电流互感器的接线方式
接线系数：
K con
Ir I2
２、电流互感器的接线方式
（b）三相完全星形接线
(a)两相电流差式接线及电流相量图 （c）两相式不完全星形接线
1）两相电流差接线的接线系数 •正常或三相短路
3I a Ir 3 I2 Ia
K con
•AC两相短路
Kcon 2
•AB或BC两相短路
二、电流互感器的误差
继电保护规程规定：用故意保护的电流互感 器，电流爆粉笔变比误差在最恶劣条件下不超 过-10%，角度误差在最恶劣条件下不超过7°。
三、电流互感器的准确级与二次额定容量
1. 电流互感器的准确级
电流互感器准确度级准确度级是指在规定二次负荷范围 内，一次电流为额定值时的最大误差。
电流互感器准确度等级和最大允许误差限值
当采用两相星形接线时，BC段B相发生故障时， 保护1不能切除故障，只能靠保护2切除，扩大了停 电范围—只有2/3的概率切除BC线路
希望：切除一条线路
事实：当保护1、2采用 三相星形接线，在 t1=t2时，两条线路都 将切除 当保护1、2采用两 相星形接线，即使 t1=t2，也能保证有2/3 的概率只切除一条线路。
当过电流保护接入降压变压器高压侧作为低 压侧线路故障的后备保护时，采用三相星形接线， Ｂ相继电器灵敏度高一倍，有利！
采用 两相星形 接线，Ｂ 相无继电 器，灵敏 度降低， 增加一只 继电器
Yd接线变压器
当采用电流保护作为降压变压器相邻线路后 备保护时，完全星形接线接于B相继电器电 流比其他两相电流大一倍，故灵敏系数也提
Y Y I A I C Y Y I B 2 I A
当Y,d11接线的降压变压器低压（△）侧 AB两相短路时，在高压（Y）侧各相的电 流为 当Y,d11接线的升压变压器高压（Y）侧 BC两相短路时，在低压（△）侧各相的 电流为 当过电流保护接于降压变压器的高压侧 作为低压侧线路故障的后备保护，采用 两相星形接线时的灵敏度比采用三相星 形接线时降低一半。
并实现一次电路与二次电路隔离。
1.电容分压式电压互感器工作原理
UC 2 =KU1 = C1U 1 C1C 2
其中：K—分压比，
K
C1 C1C 2
U1—装置的相对地电压,改变 C1和C2的比值，可得到不同
的分压比。
当二次侧接入负荷后，输出电压为：
C1 1 U2 U1 I L ( ZT ) C1 C2 j (C1 C2 )
式中连接导线电阻 继电器阻抗
SR ZR 2 I ops
U2 Z2 2 RWL Z R Rtou I2
RWL l rs
四、电流互感器的极性和常用接线方式
1、电流互感器的极性
I1W1 I 2W2 0 W1 I1 I2 I1 W2 KTA
可知 I1 和 I 2 同相位。
互感器的作用是将一次回路的高电压和大电流变为二次回路 的标准的低电压（100V）和小电流（5A或1A），并将二次 设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证 了设备和人员的人身安全。
电流互感器
电压互感器
本章主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 电流互感器 电压互感器 变换器 对称分量滤过器 综合变流器
N 0
三相星形接线和二相星形接线。这两种接线的接线系数在各种 路情况下均为1。
3.电流互感器使用注意事项
（1）电流互感器在工作时其二次侧不允许开路
i1e2
i1
e2
0
t
电流互感器二次开路时
, i1 , e2
的变化曲线
（2）电流互感器二次侧有一端必须接地
一端必须接是为了防止一、二次绕组绝缘击穿时，一次侧
（1）变比误差
I 2 I1 I 100% I1
由于角度误差δ一般很小，可以认为，所以变比误差 △I可近似表示成为 / Im cos(m a) I I1/
（2）角度误差
由于角度误差δ很小，所以可近似表示成
sin m a Im I2 arg sin （rad） I1 I1
准确 度级 0.2 一次电流为额定电 流的百分数（% ） 10 20 100～120 10 20 100～120 10 20 100～120 50～120 50～120 100 100m 误差限值 变比误（+%） 0.5 0.35 0.2 1 0.75 0.5 2 1.5 1 3.0 10 3 -10 不规定 相位误（+%） 20 15 10 60 45 30 120 90 60 不规定 （0.5~1)S2N S2N （0.25~1)S2N 二次负荷变化范 围
Kcon 1
两相电流差式接线只适 用于10KV以下小接地电 流系统中作为相间短路 保护，小容量设备和高 压电动机的保护
2）两种常用的接线方式
三相星形接线，由于两个保护之间在定 值和时限上都是按照选择性的要求配合 整定的，因此能保证100%切除XL2
希望：切除BC线路
事实：当保护1、2 采用三相星形接线 时，在两个保护的 动作值和时限按选 择性配合，能保证 100%只切除BC线路
第一节 电流互感器
一、电磁式电流互感器的工作原理 二、电流互感器的误差 三、电流互感器的准确级与二次额定容量 四、电流互感器的极性和常用接线
一、电磁式电流互感器的工作原理
电流互感器的额定变比为其一、二次侧额 定电流之比，即
K TA I 1N I 2N
二、电流互感器的误差
二、电流互感器的误差
穿时，一次侧的高压窜入二次侧危及人身和设备安全。
（3）电压互感器在连接时，也要注意其端子的极性。
二、电容式电压互感器
电容分压式电压互感器（CTV）用于110～500kV中性
点直接接地系统，它是利用分压原理实现电压变换
的，用超高压电容和一个电磁式电压互感器将电容
分压输出的较高电压进一步变换成二次额定电压，
第二节 电压互感器
一、电磁式电压互感器 二、电容式电压互感器工作原理及电磁暂态过 程
一、电磁式电压互感器
1、电磁式电压互感器的工作原理
电磁式电压互感器的工作原理与一般电力变压器一样，但 不同的是容量较小，要用其二次电压准确地反映一次电压，因 此要求变比误差要小。二次侧所接测量仪表和继电器的电压绕 组，其阻抗值很大，故电压互感器近于空载状态下运行。 电压互感器的额定变比KTV为其一、二次侧额定电压之比：
KTV=U1N/U2N
2、电磁式电压互感器的测量误差及准确度级
电压误差 U
相位误差δ u
U 2 U1 U 100% U1
U2 u arg U1
电压互感器准确级和误差限值
准确度级 误差极限
电压误差 （%） 相位差 （′） 一次电压变 二次电压 化范围 保护范围
0.5 1 3
± 0.5 ± 20 （0.85～
1.15）U1N
± 1.0 ± 40 ± 3.0 不规定
（0.25～1 ）S2N
3.电压互感器的接线方式
4、电压互感器使用注意事项
（1）Βιβλιοθήκη Baidu压互感器在工作时其二次不允许短路
电压互感器同普通电力变压器一样，二次侧如发生短路，
将产生很大短路电流烧坏互感器。因此电压互感器一次、 二次绕组必须装设熔断器以进行短路保护。 （2）电压互感器二次侧有一端必须接地。 这是为了防止一、二次侧接地时，一、二次绕组绝缘击
故障 XL1 A 组合 XL2 B 切除线路 XL1
A C XL 2
B A XL 2
B C XL 2
C A XL 2
C B XL 1
两相星形接线，2/3的机会切除XL2
故障 XL1 A 组合 XL2 B
A C
B A
B C
C A
C B
切除线路 XL1 XL1 XL2 XL2 XL1 XL1 XL2 XL2
则电压误差为：
1 U I L j C +C +j L + LT +RL +RT 1 2 I L RL +RT
式中RL——谐振电抗器的电阻； RT——隔离变压器一次侧电阻与折算 到一次侧的二次侧电阻之和。
实用的电容分压式电压互感器
高一倍，如采用不完全星形接线由于B相无
电流互感器则灵敏系数比完全星形接线低一
倍，为提高灵敏系数不完全星形接线的中性
线上接一只电流继电器。
两种接线方式的比较
两相星形接线 三相星形接线
需要三个电流互感器、三个 电流继电器和四根二次电缆 ，相对来讲是复杂和不经济 的。 三相星形接线广泛应用于发 电机、变压器等大型贵重电 力设备的保护中，提高保护 动作的可靠性和灵敏性。 它也可用于中性点直接接地 电网中，作为相间短路和单 相接地短路的保护。
接入负荷后，由于负荷电流和内阻抗Zn造成电压误 差为：
U I L (
1 j (C1 C 2 )
ZT )
电容分压式电压互感器工作原理
可见要减小误差，就要减小负荷或减小内阻抗。为减小内阻抗，
在回路串入一个补偿电抗器L，亦称为谐振电抗器，选择合适
的L值使满足谐振条件。
1 j ( L LT ) j 0 (C1 C 2 )
1 2 2 2 I A I C I a1 I K , I B 2 I A IK 3 3
I a I b I A I b I c I B I c I a I C
1 Ia Ic I A 3 2 2 I b I A I B 3 3
高电压窜入二次侧，危及人身和设备安全。 （3）电流互感器在连接时，要注意其端子的极性。 在安装和使用电流互感器时，一定要注意端子极性，否则二 次侧所接仪表、继电器中流过的电流不是预想的电流，甚 至会引起事故。如不完全星接线中，C相k1、k2如果接反， 则中性线中电流不是相电流，而是相电流的1.732倍，可能 使电流表烧坏。
S2N=I22NZ2N
因为电流互感器的误差与二次负荷有关，故同一 台电流互感器使用在不同准确级时，会有不同的 额定容量。
举例
额定容量S2N=I22NZ2N ，一般取 I2N=5A 或1A，则 S2N=25Z2N ，TA误差与 Z2N有关,如LMZ-10-3000/50.5型电流互感器在0.5级，Z2N=1.6 欧姆 ,在1.0 级，Z2N=2.4欧姆。 二次负荷阻抗值
当隔离变压器T二次侧短路时，谐振电抗器L与分压回路等效电容（C1、 C2并联）将发生串联谐振，使电压互感器回路中电流剧增，在谐振电抗器 L和电容器C2上产生很高的谐振电压。p1、p2为放电间隙，可以防止过电 压引起绝缘击穿。隔离变压器二次侧虚框中的电路是为了抑制铁磁谐振而 设置的。
0.5
1
3 10 B
10％误差曲线
保证电流误差不超过 -10 ％ 的条件 下 ，一 次电流 的倍 数 m10(m=I1/IN1) 与允许最大 二次负荷阻抗Z2的关系曲线 。
3.额定容量和额定二次负荷
额定容量 S2N 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。
结论
三相星形接线和两相星形接线都能反应相间短路故障，不同
的是三相星形接线还可以反应各种单相接地短路故障，而两相 星形接线不能反应B相接地故障。另外，三相星形接线中性线 电流 I N I a Ib Ic 。 在正常运行和三相对称短路时为零 I 0 ，在单相接地短路 N 时为 I 3I 。
采用两相星形接 线：即使t1=t2， 有2/3的机会仅切 除一条线路。
（3）对Y，d11接线变压器一侧两相 短路流过另一侧保护中的电流分析
故障点
I A I B I C 0
I A1 I a1e j 30
2
I A2 I a 2e j 30
I a1 I a 2 , I K I a Ib 3I a1 , I c 0
较为简单经济,在中性点直接 接地电网和非直接接地电网中 ，应用广泛。 在分布很广的中性点非直接接 地电网中，两点接地短路发生 在并联线路上的可能性比发生 在串联线路上的大得多。采用 两相星形可以保证有2/3的机 会只切除一条线路，此点比用 三相星形接线有优越性。 采用两相星形接线方式时，应 在所有线路上将保护装置安装 在相同的两相上，保证不同线 路上发生两点及多点接地时， 能切除故障。
2、电流互感器的接线方式
接线系数：
K con
Ir I2
２、电流互感器的接线方式
（b）三相完全星形接线
(a)两相电流差式接线及电流相量图 （c）两相式不完全星形接线
1）两相电流差接线的接线系数 •正常或三相短路
3I a Ir 3 I2 Ia
K con
•AC两相短路
Kcon 2
•AB或BC两相短路
二、电流互感器的误差
继电保护规程规定：用故意保护的电流互感 器，电流爆粉笔变比误差在最恶劣条件下不超 过-10%，角度误差在最恶劣条件下不超过7°。
三、电流互感器的准确级与二次额定容量
1. 电流互感器的准确级
电流互感器准确度级准确度级是指在规定二次负荷范围 内，一次电流为额定值时的最大误差。
电流互感器准确度等级和最大允许误差限值
当采用两相星形接线时，BC段B相发生故障时， 保护1不能切除故障，只能靠保护2切除，扩大了停 电范围—只有2/3的概率切除BC线路
希望：切除一条线路
事实：当保护1、2采用 三相星形接线，在 t1=t2时，两条线路都 将切除 当保护1、2采用两 相星形接线，即使 t1=t2，也能保证有2/3 的概率只切除一条线路。
当过电流保护接入降压变压器高压侧作为低 压侧线路故障的后备保护时，采用三相星形接线， Ｂ相继电器灵敏度高一倍，有利！
采用 两相星形 接线，Ｂ 相无继电 器，灵敏 度降低， 增加一只 继电器
Yd接线变压器
当采用电流保护作为降压变压器相邻线路后 备保护时，完全星形接线接于B相继电器电 流比其他两相电流大一倍，故灵敏系数也提
Y Y I A I C Y Y I B 2 I A
当Y,d11接线的降压变压器低压（△）侧 AB两相短路时，在高压（Y）侧各相的电 流为 当Y,d11接线的升压变压器高压（Y）侧 BC两相短路时，在低压（△）侧各相的 电流为 当过电流保护接于降压变压器的高压侧 作为低压侧线路故障的后备保护，采用 两相星形接线时的灵敏度比采用三相星 形接线时降低一半。
并实现一次电路与二次电路隔离。
1.电容分压式电压互感器工作原理
UC 2 =KU1 = C1U 1 C1C 2
其中：K—分压比，
K
C1 C1C 2
U1—装置的相对地电压,改变 C1和C2的比值，可得到不同
的分压比。
当二次侧接入负荷后，输出电压为：
C1 1 U2 U1 I L ( ZT ) C1 C2 j (C1 C2 )
式中连接导线电阻 继电器阻抗
SR ZR 2 I ops
U2 Z2 2 RWL Z R Rtou I2
RWL l rs
四、电流互感器的极性和常用接线方式
1、电流互感器的极性
I1W1 I 2W2 0 W1 I1 I2 I1 W2 KTA
可知 I1 和 I 2 同相位。