10kV电流互感器变比选择的设计分析与研究-中国期刊网

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（整期优先）网络出版时间：2024-01-18

作者: 张涛

电气工程 >电力系统及自动化

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10kV电流互感器变比选择的设计分析与研究

张涛

镇江丹高电力科技有限公司

摘要：本研究聚焦于10kV电流互感器变比的选择及其对电力系统继电保护的影响。通过分析不同短路容量下的变压器高压侧对变比选择的影响，研究揭示了变比与过负荷保护及电流速断保护之间的关系。研究结果强调了在不同运行和保护条件下，精确选择电流互感器变比的必要性，为10KV电力系统设计提供了重要的参考依据。

关键词: 10kV；电流互感器；变比；设计

一、10kV电流互感器的基本原理

1、10kV电流互感器概述

10kV电流互感器是电力系统中用于测量和保护的关键设备，其基本原理基于电磁感应定律。该设备的核心功能在于将电力系统中的大电流转换成较小的、标准化的电流值，从而实现对电流的安全监控和有效控制。电流互感器的构造主要包括闭合的铁芯和绕组，铁芯提供一个低磁阻的路径，用于集中磁通。绕组分为初级绕组和次级绕组。初级绕组串联在高电压电路中，承担主要的电流传输任务。次级绕组则连接到测量或保护设备上。[1]

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当10kV线路上的电流流过初级绕组时，会在铁芯中产生变化的磁通。根据法拉第电磁感应定律，这个变化的磁通将在次级绕组中感应出一个电流。这个感应电流的大小与初级绕组中的电流成比例，其比例由初级绕组和次级绕组的匝数比决定。具体来说，电流互感器的转换比是通过初级绕组和次级绕组的匝数比来确定的。设初级绕组匝数为次级绕组匝数为则变比K可以表示为：

当初级绕组中有电流流过时，次级绕组中将产生电流满足关系：

通过这种方式，10kV电流互感器将高达数千安培的初级电流转换为几安培甚至更小的次级电流，使得电流测量设备和保护装置能够在安全的电流水平下运行。电流互感器的精度和稳定性对电力系统的正常运行至关重要。在设计时，需要考虑到铁芯的饱和特性、绕组的匝数比以及绝缘强度等因素，以确保在不同的负载和电压条件下，电流互感器能够准确且稳定地工作。

2、继电保护与电流互感器变比的关系

继电保护系统在电力系统中的作用是监控电路的正常运行，并在出现故障时快速动作，隔离故障部分，保证系统的稳定和安全。电流互感器（CT）在此系统中扮演着至关重要的角色，其变比的选择直接影响继电保护的准确性和可靠性。电流互感器的主要功能是将高电流转换为较低的电流，以便于继电保护设备的使用。继电保护装置通常设计为在一定的电流水平下工作，这一水平远低于系统的正常运行电流。因此，电流互感器的变比（即初级电流与次级电流的比例）成为确定继电保护系统正确响应的关键。电流互感器的变比可表示为：

为初级电流，为次级电流。在继电保护系统中，当系统运行正常时，次级电流应在设备设计的工作范围内。然而，在出现过电流或短路故障时，初级电流会急剧增大，导致次级电流超出正常范围，从而触发继电保护动作。

电流互感器变比的选择与系统的最大负载电流和故障电流有关。变比需足够小，以保证在正常运行条件下，次级电流不会超过继电保护设备的额定电流。同时变比也不能过小，否则在故障条件下，次级电流可能不足以激活继电保护装置，因此变比的确定需要综合考虑系统的正常运行参数和潜在的故障情况。

流互感器的精度也对继电保护系统的性能有显著影响电流互感器的误差包括比值误差和相位误差，这些误差会影响到继电保护设备的响应时间和准确性。比值误差反映了实际次级电流与理论值的偏差，而相位误差则是初级电流和次级电流之间的相位差异。继电保护装置在设计时需考虑这些误差，以确保在故障发生时能够可靠地动作。

二、10kV电流互感器变比选择的重要性

1、电力系统继电保护功能与变比选择的关系

在10kV电力系统中，继电保护的功能是保证电力系统安全、可靠运行，防止电力设备因过电流、短路等异常情况而受损。电流互感器（CT）的变比选择对于继电保护功能的实现至关重要，这一选择直接影响了保护装置的灵敏度和准确性。电流互感器的核心作用是将高电流转换为低电流，以便继电保护装置能够处理。在10kV系统中，电流互感器的变比是根据系统的正常运行电流和潜在的最大故障电流来确定的。[2]变比太高或太低都会影响继电保护的性能。一个合适的变比不仅能确保在正常运行条件下，次级电流在安全的操作范围内，而且还能保证在出现故障时，能够产生足够的电流激活保护装置。

为了量化电流互感器的变比选择对继电保护的影响，可以引入概念“仪表安全系数”（FS）。仪表安全系数是指电流互感器在不发生饱和的情况下能够承受的最大电流与其额定电流的比值，表示为：

是电流互感器不发生饱和的最大电流，是电流互感器的额定电流。一个较高的FS值意味着电流互感器在较高的过电流条件下仍然能够正常工作，不会对继电保护的准确性造成影响。

电流互感器的变比也直接影响到继电保护的选择性。选择性是指继电保护装置能够区分系统正常运行和故障状态，并仅在故障状态下动作的能力。变比的适当选择可以确保在故障情况下，继电保护装置接收到的电流信号足以区分正常和故障状态，从而做出正确的响应。在实际的工程应用中，电流互感器变比的选择还需要考虑到系统的动态变化，如负载波动、系统升级等。这些因素可能导致系统的电流特性发生变化，因此电流互感器的变比需要有一定的适应性和灵活性。

2、电力系统动稳定校验与变比选择的关系

在10kV电流互感器应用中，动稳定校验是确保电力系统在各种操作条件下保持稳定的关键环节。电流互感器变比的选择直接关系到动稳定校验的准确性和有效性，进而影响整个电力系统的安全运行。[3]动稳定校验主要涉及评估电力系统在经历大幅负荷变化或系统故障后的响应。在这些情况下，电流互感器需准确传输电流信号，以便控制系统做出适当的调整，维持系统稳定。电流互感器的变比决定了它在转换过程中的准确度，因此变比选择对于动态稳定性的维持至关重要。

变比的适当选择能够确保电流互感器在系统经历动态变化时，如负载波动或瞬态过程中，仍能提供准确的电流测量。若变比选取不当，可能导致电流互感器输出信号失真，从而影响系统的动态响应。在极端情况下，不准确的电流测量可能引发保护装置误动作，甚至导致系统不稳定。电流互感器在进行动态稳定校验时的一个关键参数是其饱和特性。电流互感器的饱和特性可以用磁化曲线来描述，表示为：

是磁通密度，是磁场强度。电流互感器工作在其饱和点以下是保持动态稳定的重要条件。一旦电流互感器工作在或超过饱和点，其输出信号将无法准确反映通过初级绕组的电流，导致动稳定校验失准。因此在选择电流互感器的变比时，必须考虑到其饱和特性，确保在电力系统经历大范围动态变化时，电流互感器仍能提供准确、可靠的电流测量。变比的选择还需要考虑到电流互感器的额定电流和系统可能遭遇的最大故障电流，以确保在各种情况下电流互感器都不会进入饱和状态。

三、10kV电流互感器变比选择的方法与依据

1、按一次侧计算电流占电流互感器一次侧额定电流的比例选择

在10kV电力系统中，电流互感器（CT）的变比选择是保证系统准确性和安全性的关键。变比的选择涉及到多个标准和计算方法，这些标准旨在确保电流互感器在各种操作条件下都能有效工作。根据《电气装置的电测量仪表装置设计规范》(GBJ63-90)，电流互感器的变比应根据一次侧计算电流与其一次侧额定电流的比例来确定。在额定运行条件下，仪表的指示应处于量程的70%至100%之间。电流互感器最大变比N的计算公式为：

然而实际工程应用中，按此原则选择的变比往往较小。按照规范选择变比时，变比可能偏小，导致电流互感器在实际应用中性能不足。例如，对于630kVA变压器，当电流互感器变比取50/5时，其额定电流仅占电流量程的72.8%，这可能导致在某些情况下电流互感器不能有效反映实际电流情况。除了遵循GBJ63-90规范外，电流互感器变比的选择还应考虑系统的实际需要，包括系统的最大负载电流和最大可能的短路电流。这要求设计人员根据系统的实际情况，包括供电部门提供的电源短路容量或系统阻抗，来合理选择电流互感器的变比。

2、按电力系统继电保护标准选择

10kV电流互感器变比选择的过程中，继电保护的要求起到关键作用。正确的变比选择能确保电力系统在不同条件下的稳定运行和有效保护。

（1）过负荷保护的影响

过负荷保护装置的动作电流IDZJ通过以下公式计算：

其中，取1.3；为接线系数，取1；为过负荷系数；为继电器返回系数，取0.85；N为电流互感器的变比。根据不同应用场景（如民用建筑或工厂用配电所），的值会有所不同，影响电流互感器最小变比的计算。

（2）电流速断保护的影响

电流速断保护约束可以通过以下公式表示：

其中，IDZJS 为电流继电器的瞬动电流；为电流继电器的瞬动电流倍数；为变压器低压侧三相短路时流过高压侧的电流。在不同的短路容量下（如200MVA、100MVA、50MVA），变压器的高压侧短路容量对变比选择有显著影响。研究发现，满足过负荷保护要求的最小变比通常小于实际所需的变比。因此工程应用中需综合考虑过负荷保护和电流速断保护的要求，以确定最适合的变比。