电流互感器精度等级及选型指南
电流互感器精度等级及选型指南
电流互感器在电力系统中扮演着至关重要的角色，其精度等级的选择直接影响到系统的安全性和可靠性。本文详细介绍了电流互感器的各类精度等级及其应用场景，为从事电力系统设计和工程应用的专业人士提供了专业的指导和参考。
01 前言
在中压电力系统中，电流互感器作为主回路元件之一，与断路器及其他开关设备共同承担着重要的角色。尽管电流互感器在电气设计中看似普通，但做出恰当且正确的选择并非易事。在实际工程应用中，设计人员对电流互感器的选择及其技术参数的要求存在不少误解。因此，有必要对电流互感器的精度等级及选型进行深入探讨。
02 保护用精度等级
保护用电流互感器的精度等级，是以额定准确限值一次电流下的最大复合误差百分数来标称的，其后以字母“P”表示。为了满足高压系统中多样化的保护需求，还生产了5PR、10PR、PX、TPS、TPX、TPY和TPZ等多个等级的电流互感器。例如，TP级适用于暂态保护，PR类则指剩磁系数受限的电流互感器，PX为低漏磁设计，而TPS类则兼具低漏磁与严格匝数比控制的特点。TPX级规定在特定暂态工作循环中的峰值瞬时误差，无剩磁限制；TPY级则在TPX级的基础上增加了剩磁限制，且在短路暂态过程中能保持高精度且无剩磁，非常适合330kV及以上的电力系统。对于110kV及以下的电力系统，通常采用P类电流互感器。鉴于本文聚焦于中压电流互感器的应用，我们将主要探讨P类电流互感器的相关问题。
在中压系统中，我们主要关注5P和10P这两个等级。“P”代表保护级，即英文protection的缩写。数字5和10则分别代表综合误差不大于5%和10%。而“P”后的数字如20等则表示准确限值系数，它反映了在特定短路电流倍数下电流互感器的误差范围。通常，准确限值系数为40的情况较少见。
03 测量及计量用精度等级
在电力系统中，电流互感器的准确度至关重要。由于励磁电流的存在，二次侧实际电流会小于一次侧按变比折算至二次侧的电流，同时相位角也存在差异，二次绕组匝数也可能存在误差。这些差额都由电流互感器的准确度来衡量。电流互感器的准确度等级包括5级，其中计量常用的准确度等级为2和5级，特殊用途则可能选用2S和5S级。测量用电流互感器常用的准确度等级为1级和3级。需要注意的是，对于3级和5级准确度等级，其误差要求是在电流互感器所带负载为额定负载的50%～100%之间的任一负荷下进行测试，而非其他测量准确度等级所要求的25%～100%。因此，选择过小容量的电流互感器无法保证所需的精度，而选择过大容量的电流互感器则可能并不必要。
0 精度等级5级与2S 、5S级的差异解析
2S级和5S级是2级和5级的特殊版本，其中“S”代表Special，意为特别专用。在额定电流的5%以下范围内，2级和5级不再受准确度约束，然而2S级却对此范围有着严格的要求。例如，在1%的额定负荷下，2S级的准确度达到75，即其综合误差不超过75%。此外，该级别在1%～120%的额定电流范围内均需满足相应的准确度标准。同时，无论二次负荷欧姆值落在额定负荷值的25%～100%之间的哪个点，且功率因数维持在8～0的范围内，其误差均需符合《测量及计量用电流互感器检定规程》所规定的误差限制。
若电能表亦为2S级或5S级，则必须与相应级别的电流互感器配套使用。这两种级别的电流互感器在精确计量方面表现出色，特别是对于小负荷的计量。当负荷接近额定负荷的1%时，即接近空载状态，如某些用户夜间几乎无电力负荷，此时必须采用带“S”级的电流互感器及相应电能表，以确保计量的准确性。目前，供电部门普遍规定收费用计量采用2S级，这已成为行业惯例。
值得注意的是，若计量仅作为用户内部考核之用，采用2级或5级亦可。然而，2S级电流互感器及其配套电能表的价格相对较高。此外，对于测量用途，所采用的准确等级无需超过5级。
还需指出的是，尽管2S级电流互感器在额定负荷的1%～120%范围内均可实现准确计量，但这并不意味着在此区间的每个点的精确度都达到2%。特别是在负荷为额定负荷的5%时，其误差应不超过75%，而非2%。
电流互感器的保护级为10P时，在不超过准确限值系数的一次电流条件下，其综合误差可控制在10%以内。值得注意的是，10%误差曲线与10P的准确限值系数与二次负荷关系曲线本质上是相同的。这条曲线描绘了在指定的二次负荷和任意功率因数下，电流变比误差不超过10%时，短路电流与额定电流的倍数关系。此外，采用10PX表示时，往往无需查阅曲线，从而为使用和设计带来便利。例如，当需要计算短路电流为额定电流的18倍，二次负荷为12VA时，可以直接选用参数为10P容量为15VA的电流互感器。这意味着，只要一次电流不超过限值系数范围，且容量不大于额定容量，准确度就能满足所标数值。
然而，要确保误差不超过10%，需要考虑多个因素，包括一次电流的大小、二次负荷的大小以及电流互感器的容量。如果这些数值超过所标要求，那么就需要进行短路计算和二次负荷计算，然后查阅准确限值系数曲线来做出判断。
总的来说，现行的保护级不仅使用便捷，还提供了多个误差等级和准确限值系数标准值供选择。只要短路电流和负载不超过规定值，就可以直接确定电流互感器二次保护绕组的参数，无需查阅误差曲线，从而简化了设计和应用过程。同时，这种误差综合考量了多种因素，更符合实际应用的场景。
04 保护级的合理选择
(1) 短路保护与测量绕组的区分
在短路情况下，一次电流会急剧增大。为了保证测量的准确性以及保护的可靠性，二次电流必须与一次电流成比例地增长。这要求电流互感器的铁芯截面足够大，以防止铁芯磁通饱和。然而，对于测量用电流互感器，其二次绕组的要求恰恰相反。当一次电流迅速增加时，铁芯需要迅速饱和，以增大测量误差，从而确保所接仪表不会因电流过大而损坏。因此，测量绕组具有一个专门的参数——仪表保安系数(FS)，它表示仪表保安电流与额定一次电流的比例。IEC（国际电工委员会）推荐电流互感器的仪表保安系数为5或10。这样，只要一次电流超过额定电流的相应倍数，误差就会大于10%，从而保护仪表不受损坏。
(2) 保护准确度的选择
对于短路保护，通常选择10P级电流互感器即可。这是因为过去的机电式仪表在灵敏度和准确度方面都较低，而现在的电子式仪表在这方面有了显著的提升。只要设计所需的灵敏度得到满足，就能确保保护动作的可靠性。在设计时，所要求的灵敏度已经考虑了电流互感器的10%误差以及其他保护装置的误差因素。
常见的短路保护动作整定值通常不会超过额定电流的10倍，而保护准确限值系数则一般设定在15以上。只要负载不超过电流互感器的额定容量，那么在动作灵敏度范围内，电流互感器的误差就不会超过10%。即使实际电流超过了额定电流的15倍，误差超过10%也不会对保护动作的可靠性造成影响，因为此时灵敏系数更高。
同时，我们需要注意，虽然电流可能超过额定电流的15倍，但如果所带负荷小于保护绕组的额定负荷，那么即使短路电流再大，综合误差也不一定会超过10%。这一点可以通过查阅电流互感器的准确限值系数与二次负荷关系曲线来具体了解。
有人可能会提出反向思维，即通过缩小准确限值系数来人为增加二次侧负载，从而提高电流互感器的负载能力。然而，这种方法并不可取，因为平时二次绕组并不适合在过载状态下长时间工作。
在选择电流互感器时，如果要求保护动作具有高准确度，那么可以选择5P级的产品。但在短路保护方面，这并不是必要的。在高灵敏系数的情况下，准确度稍低一些并不会影响动作的准确性。因此，5P级准确度在实际工程设计中使用较少。但在灵敏系数较低时，采用5P级则具有合理性。此外，在其他参数相同的情况下，5P级与10P级的电流互感器价格相差无几。值得注意的是，标注为10P级的电流互感器在实际检测中，其准确度往往显著高于所标值。
最后，在选择电流互感器时，还需要注意额定容量的选择不得过大，准确限值系数的选择也不得过高。
曾有设计人员选用容量过大、准确限值系数过高的情况。例如，某风电项目的5kV开关柜中，电流互感器的准确级为2S/10P30/10P30/10P30，容量为15/30/30/30(VA)，变比为2500/1(A)。这样的规格给生产带来了很大困难，因为三个保护绕组的准确限值系数均为30，容量均为30VA。生产难度主要体现在铁芯截面的要求上，为了在短路电流下保持铁芯不饱和，铁芯截面必须足够大。同时，为了防止铁芯过热，二次绕组的线径也需要相应增大。此外，该例子中还要求有四个二次绕组，且二次侧电流为1A，与二次侧电流为5A的情况相比，1A的二次绕组圈数需要增加到5倍。综合考虑这些因素，电流互感器的尺寸会变得很大，难以在开关柜内安装。
通常情况下，35kV级的电流互感器单体质量就达到250kg。在5kV的成套开关柜中，装设三只电流互感器已经相当困难，需要加强底板槽钢和绝缘隔板的加固措施。由此可见，按照上述参数生产电流互感器不仅成本高昂，而且在实际应用中也会遇到很多困难。
那么，是否真的需要如此大容量的电流互感器呢？事实上，现在的微机保护装置所需电流信号功率仅为1VA左右，远低于传统机电式继电保护装置的功率需求。因此，选择容量过大的电流互感器并无实际意义。
中压系统中，通常采用一组电流互感器，其中一组可能包含两只或三只互感器。然而，电流互感器的二次绕组数量并非随心所欲，一般不宜超过五个。若确实需要五个以上的绕组，那么必须综合考虑其他参数，如变比大小、每个绕组的容量以及准确限值系数等。在严格计算后，才能确定合适的二次绕组个数。
此外，在布置电流互感器时，也需考虑开关柜的空间限制。若实在无法满足用户对二次绕组数量的需求，且在断路器两侧具备布置条件时，可以考虑选择两组电流互感器进行交叉保护。但在狭小的开关柜内，这样的布置方案并不容易实现。有些情况下，用户可能不得不将电流互感器布置在母线室，或采用带有电流互感器的手车配以定制触头盒。
接下来，我们探讨每组电流互感器的具体数量。在中性点不接地系统中，通常只需在固定的两相上装设电流互感器（一般选择A相和C相），通过这两相电流的矢量和来推算第三相的电流。这样的布置方式不仅增加了互感器之间的距离，确保了安全，还节省了投资。
然而，在中性点直接接地系统中，由于可能存在较大的单相接地电流，两相电流的矢量和可能不等于第三相的电流。因此，每一相都需要设置电流互感器。
对于差动保护，通常需要三只电流互感器。这些互感器被安装在被保护设备的两侧，用于纵差动保护。此外，在某些微机综合保护装置中，可能只在两相上设置电流互感器，但具体配置需由微机综合保护器厂家确定。
在负荷严重不平衡的情况下，每相都应设置电流互感器，以避免测量误差。例如，在电弧炼钢锅炉回路中，就可能需要采用三只电流互感器来确保测量的准确性。同时，为了增强所带负荷的能力，有些场合也可能需要采用三只电流互感器，即每相都设置电流互感器，以提高总容量。
在变压器高压侧设置过流保护，同时作为低压侧接地保护的后备措施，需要安装三只电流互感器，并采用完全星形接法。
若需要获取零序电流，通常采用专用零序电流互感器，这种方法在电缆馈线中应用广泛。但也可以选择使用三只电流互感器，通过取其二次电流矢量之和来获得零序电流。然而，在中性点不接地系统中，由于零序电流较小，采用这种方法测量可能误差较大，因此实际中并不常用。
对于大型发电机等重要设备的保护和监视，无论其中性点是否接地，都应在每一相上装设电流互感器。
为提高两相异地接地的保护灵敏度，每一相都必须装设电流互感器，并确保能够切除全部故障回路。