【超详细】为啥PT二次侧不能短路、CT二次侧不能开路？

电压互感器与电流互感器综述

互感器作为电力系统中不可或缺的关键测量设备，承担着将高电压、大电流安全准确地转换为可供仪表、保护及控制设备使用的低电压、小信号的核心任务。其中，电压互感器（PT）与电流互感器（CT）虽同属互感器家族，却在工作原理、结构特点和运行要求上存在着根本性的区别。

PT 是一种将一次侧高电压转换为二次侧低电压的变压器。其一次侧并联接入高压线路，二次侧则连接阻抗很大的测量仪表（如电压表、保护继电器电压线圈等）。主要作用包括：

①为二次系统的保护、监测与控制回路提供电压信号；

②为计量装置提供精确的电压输入，用于电能计算。

因此，PT 在实际运行中相当于一个高内阻电压源，二次侧近似开路运行，以确保电压测量的准确性与安全性。

CT 是一种将一次侧大电流转换为二次侧小电流的变压器。其一次侧串联在高压线路中，二次侧则连接阻抗很小的测量仪表（如电流表、保护继电器电流线圈等）。主要作用包括：

①为二次系统的保护、监测与控制回路提供电流信号；

②为计量装置提供精确的电流输入，用于负荷与电能计量。

因此，CT 在实际运行中相当于一个电流源，二次侧近似短路运行，以确保电流传变的准确性与安全性。

电压互感器与电流互感器在电网中的接线方式如图1所示：

图1 电压互感器与电流互感器在电网中的接线方式

下面进入正题！

PT二次侧为什么不能短路

由于需要将一次侧的高电压转换为二次侧的低电压，PT一次绕组具有很高的匝数比，通常线径较细、匝数密集，因此一次绕组呈现高阻抗特性，流过的电流很小。正常运行时，PT二次侧接近“空载状态”，负载电流极小。

当二次侧发生短路时，其阻抗瞬间降低至接近零，导致一次电流急剧增大，可达额定电流的数十倍。以下从数学和物理两个维度进行理论解释。

首先根据数学推导，能更加直观地描述一次侧的电流增大的过程：

①参数集中化

图2为一台原始PT模型，一、二次侧匝数为、，电流和电压分别用、和、表示。原、副方绕组电阻、漏抗，以及铁芯铁损、激磁电抗分别用集中参数表示为：

，，，

变比为，如图3所示。

图2 原始PT模型                                                   图3 集中参数表示的PT模型

②副方向原方归算

令变压器原端和副端匝数相等，将副方物理量归算到原方后各物理量变为：

，，，

进一步忽略中间理想PT，得到PT的归算等效模型，如图4所示。

图4 归算后的PT模型

对于电压互感器而言，在正常工作状态下，从其一次侧（左侧）端口看进去，励磁支路呈现为高阻抗通路，因此产生的励磁电流很小，此时，若在二次侧并联接入诸如电压型计量装置之类的高阻抗负载，则一次电流近似等于励磁电流，即。

二次侧短路后，和变得很小，几乎为零，与励磁支路并联后与原方阻抗串联，励磁支路Zm两端的电压被这个并联的“短路”路径钳位到接近零，一次侧电流会大幅增加。

上述PT等效数学模型清晰解释了二次侧短路后一次侧电流变大的原因，接下来还将对其真实的物理过程进行描述。

物理过程：二次侧短路 → 二次电流急剧增大→增大的会产生一个强烈的磁动势，这个磁动势会试图抵消主磁通→主磁通瞬间减小 → 在一次绕组中感应的反电动势E1随之骤降→一次电压固定，一次绕组两端净电压急剧增加→净电压几乎全部施加在一次绕组的漏阻抗上，产生巨大的一次电流→所产生的磁动势，绝大部分用于抵消二次磁动势。

二次侧发生短路后会获得的严重后果：

①烧毁绕组：巨大的短路电流会在PT绕组中产生大量焦耳热（热量与电流的平方成正比），迅速使绝缘油沸腾、绝缘老化、冒烟，最终烧毁互感器。

②绝缘破坏：持续的过热会破坏绕组间和绕组对地的绝缘。这可能导致高压直接窜入低压二次回路。二次回路通常是对地110V或100V的低压系统，且连接着许多仪表和保护设备，人员也经常接触。高压窜入将严重危及设备和人身安全。

③引发火灾：对于油浸式PT，过热会使内部油压剧增，可能导致喷油甚至爆炸。对于干式或环氧树脂浇注式PT，也可能因过热而开裂、起火。

④影响系统稳定性：严重的PT故障可能引起所在母线电压波动，甚至导致保护装置误动或拒动，扩大事故范围。

CT二次侧为什么不能开路

CT二次侧发生开路时，会在二次绕组两端会感应出极高的电压峰值。接下来从数学推导的角度进行解释。

根据电磁场理论，励磁电流会产生磁场强度，从而磁化铁芯产生磁感应强度，从而产生磁通，进而由变化的磁通产生电动势，上述物理量的满足如下关系：

因此，励磁电流的大小和变化率直接影响二次侧的感应电压大小。

在CT正常运行时，一次与二次绕组之间满足磁动势平衡关系：，其中是励磁电流，用于在铁芯中建立工作磁通。正常工作时，铁芯磁密设计较低，线性良好的区域，励磁电流非常小（通畅不到的1%）。此时二次电流产生的磁通对一次磁通起去磁作用，仅剩励磁磁通工作，铁芯远离饱和。

当二次侧发生开路时，二次侧电流，，一次侧电流全部用于励磁，由于一次测电流很大，铁芯很快达到饱和，进入深度饱和区。二次绕组的感应电动势为e2=-N2dΦ/dt，铁芯饱和时，磁通的变化率非常大，特别当一次电流I1交变过零点附近，磁通变化最剧烈。因此在二次绕组两端会感应出极高的电压峰值，可达数千伏甚至上万伏，如图5所示：

图5 二次侧开路后的一次侧电流、二次侧电压波形示意图

二次侧发生开路后会获得的严重后果

①人生触电危险：数千伏的高压直接出现在二次端子上，对正在巡视或检修的人员构成致命威胁。

②设备绝缘损坏：高电压会击穿二次回路仪表、继电器、电缆的绝缘，造成设备永久性损坏，甚至引发火灾。

③铁芯剩磁与性能恶化：铁芯经历深度饱和后会产生严重的剩磁，导致CT的比差（比值误差）和角差（相位误差）增大，测量和保护精度永久性下降。

④铁芯过热：饱和状态铁芯涡流和磁滞损耗剧增，引起局部过热，损坏绝缘。

⑤电弧危险：开路点如果存在间隙，高电压可能击穿空气产生电弧，引发火灾或者爆炸。

展望与预告

感谢您阅读到这里，相信大家对PT二次侧不能短路、CT二次侧不能开路的原因已有了基本理解。电磁场理论内涵深远，本人也仍在持续学习和探索之中，并对文中提到的铁芯饱和等机理有了进一步的认识。在电力系统中，类似的现象与理论延伸还体现在很多其他设备中。例如，电容式电压互感器（CVT）中为何设置阻尼绕组？其背后正是为了防止铁磁谐振等暂态现象。这些内容既是本文所讨论问题的深化，也是实际工程中必须面对的技术要点。

我们将在下一篇文章中继续围绕这一脉络，对CVT的工作原理、阻尼绕组的作用及铁磁谐振的机理展开分析与讨论。欢迎持续关注，一起深入电力设备的电磁世界。（本人每周围绕两个点，势必要把电力系统中的基础和疑难搞清楚！XD）