低压配电系统电流互感器的选型方案
何艳1 白怡明1 杨广亮2
1中煤国际工程集团沈阳设计研究院, 沈阳市110000
2 江苏安科瑞电器制造有限公司，江苏江阴 214405
摘 要：分析低压电流互感器的原理，介绍了准确级和准确级限值的概念，同时并在此基础上，结合工程实例分析。低压电流互感器在低压测量、计量、继电保护、系统监测、接地保护等方面的选用。
关键词：低压配电系统 低压电流互感器 工作原理 准确级 准确级限值 选型
1 引言
随着我国电力工业中城网及农网的改造，以及低压配电系统的自动化程度不断提高，电流互感器作为低压配电系统中的一种重要电气元件，已被广泛地应用于测量、计量、继电保护、系统监测、接地保护和各种电力系统分析之中，本文对此进行初步的探讨。
2 低压电流互感器工作原理
低压电流互感器的工作原理如图1所示，电流互感器的一次绕组串联在被测线路中，I1为线路电流即电流互感器的一次电流，N1为电流互感器的一次匝数，I2电流互感器二次电流（通常为5A、1A），N2为电流互感器的二次匝数，Z2e为二次回路设备及连接导线阻抗。当一次电流从电流互感器P1端流进，P2端出，在二次Z2e接通的情况下，由电磁感应原理，电流互感器二次绕组有电流I2从S1流过，经Z2e至S2，形成闭合回路。由此可得电流在理想状态下I1×N1=I2×N2，所以有I1/I2=N1/N2=K，K为电流互感器的变比。
图1
3 低压电流互感器的选型
3.1 测量用电流互感器
3.1.1 测量用电流互感器是为指示仪表、积分仪表和其他类似电器提供电流的电流互感器
测量用电流互感器广泛用于对低压配电系统电流的测量，主要准确（对电流互感器给定的等级）级有：0.2、0.5、1、3、5等，目前应用比较广泛的测量用互感器主要为母线式电流互感器，安装方便，而且其型号、规格繁多，可根据不同规格的母排或线缆选用最经济合理的电流互感器，表（一）以AKH-0.66型电流互感器，分析测量用电流互感器的运用及特点。
表（一） AKH-0.66测量用电流互感器技术参数表
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电流互感器型号
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输入、输出
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主要特点
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AKH-0.66/I型
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输入：5-3000A
输出：0-5A（0-1A）
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适用用于多（单）根电缆或单根母排穿越，适用面广
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AKH-0.66/II型
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输入：150-6300A
输出：0-5A（0-1A）
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适用用于多根母排或多根电缆穿越，适用面广，二次接线端与母排安装水平面平行。
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AKH-0.66/III型
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输入：250-6300A
输出：0-5A（0-1A）
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具备II型特点，精度高，容量大，适用于相间距离小的场合，二次接线端与母排安装水平面垂直。
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AKH-0.66/M8型
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输入：5-150A
输出：0-5A（0-1A）
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适用于小电流空间场所，为接线式电流互感器。
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AKH-0.66/K型
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输入：100-6300A
输出：0-5A（0-1A）
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用于项目改造，无须拆一次母线，安装方便，为用户节省人力、财力，提高改造效率。
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AKH-0.66/S型
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输入：5-6300A
输出两组：一组0-5A（0-1A），
另一组AC0-20mA
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双路输出，一路用于电流的测量，另一路用于远传，用于系统监测，与遥测单元配合使用，为用户节约成本。
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AKH-0.66/SM型
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输入：5-6300A
输出两组：
一组0-5A（0-1A），
另一组DC4-20mA
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双路输出，一路用于电流的测量，另一路用于远传，用于系统监测，与自控仪表如PLC配合使用，为用户节约成本，辅助电源DC24V由PLC供电。
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3.1.2 测量用电流互感器在低压配电系统中的问题及应用实例
测量用电流互感器在低压配电系统中二次输出5A和1A的选择，是一些电气工程师经常遇到的问题。
2009年12月山东聊城某化工厂，各生产车间环境多为爆炸性环境，各车间电气控制室不安装在车间内，而是安装在离各车间较远的公共电气控制室，来实现对系统电流信息的集中采集，现场电流互感器与控制室之间距离大约200米，有的甚至300米，二次传输导线为2.5平方毫米，使用的电流互感器有AKH-0.66/30I 200/5A 0.5级 5VA 穿心1匝 等许多规格，使用的电流表为CL72-AI，该项目比较大，该项目在将完工，部分工程试运行时，发现所有电流表显示与现场电流完全不准确。
经分析，电流互感器额定容量就是电流互感器额定二次电流I2e，通过二次回路额定负载Z2e时所消耗的视在功率S2e，即，S2e=I2e²Z2e； 因数显表消耗的视在功率只有0.05VA，很小，所以我们可以不考虑 ，Z2e=ρ.2L/S=0.0176Ω. mm²/m×2×200 m /2.5=2.82Ω，S2e= I2e²Z2e=5A²×2.82Ω=70.5VA，远远大于电流互感器的额定容量5VA，所以此时应该选择200/1A的电流互感器，2010年2月份该项目更换了所有的比5A电流互感器，同时由于电流表为数显表，变比可以重新设定为200/1，使整个系统恢复正常。
从本实例可以得出电流互感器接数显电流表时，传输距离对比如表（二）
表（二） 传输距离对比
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二次导线截面积（mm²）
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额定二次电流（A）
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互感器容量（VA）
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单程传输距离（m）
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1.5
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5
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2.5
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4.2
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1
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106
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||
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2.5
|
5
|
5
|
14.2
|
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1
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355
|
||
|
4
|
5
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10
|
45
|
|
1
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1136
|
||
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0.2
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0.02
|
0.2
|
2840
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3.2 计量用电流互感器
3.2.1 计量用电流互感器就是与计费电能表和计量装置配合使用的电流互感器。主要准确级有：0.2、0.5S、0.2S。
3.2.2 计量用电流互感器在低压配电系统中的问题及应用实例
计量用电流互感器在低压配电系统中，准确级0.2级、0.2S级区分是用户经常碰到的问题，以及错误接线（极性接反）对计量的影响。
3.2.2.1 准确级0.2级、0.2S级区别见表（三）
表（三） 误差和相位差限值
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准确级
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在下列额定电流（%）下的
电流误差 （ ±%）
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在下列额定电流（%）下的相位差
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|||||||||||||
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±（′）
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±crad
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||||||||||||||
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1
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5
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20
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100
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120
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1
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5
|
20
|
100
|
120
|
1
|
5
|
20
|
100
|
120
|
|
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0.2
|
0.75
|
0.35
|
0.2
|
0.2
|
30
|
15
|
10
|
10
|
0.9
|
0.45
|
0.3
|
0.3
|
|||
|
0.2S
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0.75
|
0.35
|
0.2
|
0.2
|
0.2
|
30
|
15
|
10
|
10
|
10
|
0.9
|
0.45
|
0.3
|
0.3
|
0.3
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3.2.2.2 计量用电流互感器的错误接线（极性接反）对计量的影响
（1）计量接线方式三相三线
正确接线时的有功功率为：P=Pa+ Pc =UabIa.cos(30°+φa)+ Ucb.Ic.cos(30°-φc);
三相电路平衡时，Uab=Ucb=√3U，Ia=Ic=√3I，即，P=3UI cosφ
假如A相电流互感器极性接反，祥见接线图（a）和相量图(b)
这样我们可以得出：公用线的电流Io是相电流的√3倍；
电能表一的电流滞后电压的角度为：30°+φa+180°=210°+φa；
电能表二电流滞后电压的角度为：30°-φc；
所以错误接线时的有功功率为：
P´=Pa´+ Pc´=Uab.Ia.cos(210°+φa)+ Ucb.Ic.cos(30°-φc)=UIsinφ;
若功率因数cosφ=0.9，则当A相计量互感器极性接反，漏计电能为实际计量电能的：
P/ P´-1=3UIcosφ/UI sinφ-1=3×0.9/0.4359-1=5.19倍;
（2）计量接线方式三相四线
正确接线时的有功功率为：P=Pa+ Pb+ Pc =UaIa.cosφa+ Ub.Ib.cosφb+Uc.Ic.cosφc;
三相电路平衡时，Ua=Ub=Uc=U，Ia=Ib=Ic=I，即，P=3UIcosφ
假如A相电流互感器极性接反，祥见接线图（c）和相量图(d)
这样我们可以得出：公用线的电流Io是相电流的2倍,A相电流为-Ia；
所以错误接线时的有功功率为：
P´=Pa+Pb+Pc=-UaIa.cosφa+Ub.Ib.cosφb+ Uc.Ic.cosφc= UIcosφ;
则当A相计量互感器极性接反，漏计电能为实际计量电能的：
P/ P´-1=3UIcosφ/UIcosφ-1=2倍;
3.3 保护用电流互感器
3.3.1 保护用电流互感器就是为保护用继电器提供电流的电流互感器器，与电流继电器等类似电器配套使用，主要用于低压配电系统电流过载保护和短路保护。主要准确级有：5P、10P，5、10表示复合误差5%、10%，准确限值系数又叫限值系数，它是额定准确限值一次电流（此时符合误差不超过5%、10%）与额定一次电流的比值，准确限值系数有，5、10、15、20，
3.3.2保护用电流互感器在低压配电系统中的问题及应用实例
保护电流互感器在低压配电系统中，准确级以及准确限值系数的选择是用户经常碰到的问题。
2003年河北某工厂，由于新厂房扩建，在新厂房1500米附近安装了一台250KVA（10/0.4kV）配变，与主变距离2500米，因负荷较小（额定电流80A），当时为了考虑计量准确，使互感器额定一次电流与最大负荷电流相接近，将电流互感器比选择100/5A，同时保护用电流互感器选择100/5A，10P10。在施工下水道时，将电缆挖断，造成工厂附近大面积停电。
经电网参数计算得：主变短路电抗为X1 = 0.07Ω，配变短路电抗为X2 = 0.5Ω，短路点前短路电抗为X3= 0.4Ω， 计算电抗X*∑= X1 + X2 + X3 = 0.97。 相短路时TA流经次暂态短路电流周期分量有效值为：I" = 1 / X*∑×5.5 = 5.67（kA），此时短路电流是额定电流的56.7倍，远远大于准确限值系数10，同时复合误差超过10%时，影响继电器动作，应该选择500/5A 10P15。
3.4 剩余电流互感器
3.4.1 在低压配电系统中接地保护主要有：零序保护（中、高压均可以使用）和剩余电流保护（也称漏电电流保护），两者基本工作原理相同都是基于基尔霍夫电流定律，但是使用场合根据系统接地方式的不同而不同。剩余电流互感器主要与继电器配合使用，也常常与电气火灾监控系统配套使用，灵敏度高。
3.4.2 剩余用电流互感器与零序电流互感器在低压配电系统中的区别，祥见（表四），以及剩余电流互感在接地系统方式不同时的应用，祥见表（五）。
表（四） 剩余电流互感器与零序电流互感器的区别
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接地故障保护方式
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接线方式
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灵敏度
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适用接地系统
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备注
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剩余电流保护
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A、B、C三相导线与N线
一起穿过一个剩余C.T，
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高
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TT、TN-S、
TN-C-S、IT
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零序电流保护
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A、B、C三相导线一起穿过一零序C.T，低压也可在中性线N上安装一个零序C.T
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较高
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TN-S、TN-C、
TN-C-S、IT
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表（五） 接线方式剩余电流互感器在接地系统方式不同时的应用
3.5 电流互感器使用过程中的注意事项
（1）电流互感器在接线时，同名端必须要保持一致，即P1、S1；P2、S2。
（2）电流互感器在正常运行时，二次不得开路，防止二次开路产生高电压，影响人身和设备安全。
4 结束语
本文对低压配电系统中的不同类型电流互感器进行了简单概述，推荐给电力系统各位专家和电气工程师们参考，有利于不同类型低压电流互感器在低压智能配电系统的广泛应用。