AI 数据中心通常以单线图的形式呈现：一条市电接入、一座变电站、中压开关柜、变压器、UPS 系统、PDU 和机架。这张图掩盖了一个事实：供配电链路跨越了多个电气领域。每个领域都有不同的电压、故障水平、接地系统、保护理念和准确度要求——因此对于“这里应该用哪种 CT 或 PT？”这个问题，答案也各不相同。
本文沿着从 110 kV 接入点到 GPU 机架的链路逐级展开，说明每个阶段测量什么、适合采用哪种互感器类型，以及常见的设计错误出现在哪里。本文是 AI 数据中心需要多少台互感器？ 中规划模型的配套文章；那篇文章估算数量，而本文解释选型。
1. 链路是一组电压域
第一个设计决策不是“选哪个 CT 变比？”，而是“保护和计量的边界在哪里？”CT 不是可以随意移动的通用电流传感器；它的位置决定了保护区域、它必须承受的故障电流以及它必须驱动的负荷。PT 也不是通用的电压抽头；它的位置决定了它测量的是母线电压、线路电压还是残余电压。
图 1 展示了本文使用的七个阶段，并将测量层与功率路径分开。
| 阶段 | 电压 | 一次设备 | 主要测量/保护 | 互感器类别 |
|---|---|---|---|---|
| 1. 电网 | 110–220 kV | 输电线路、计量点 | 关口计量、线路保护、故障录波 | 高压 CT + CVT 或电磁式 PT |
| 2. 高压变电站 | 110–220 kV | 母线、断路器、高压/中压变压器 | 母线保护、变压器差动保护、断路器失灵保护 | 高压 CT、母线 PT、中性点 CT |
| 3. 中压开关柜 | 10–35 kV | 进线、母联、馈线 | 过流保护、接地故障、计量、同期检查 | 中压 CT、中压 PT、零序 CT |
| 4. 变压器 | 10–35 kV / 0.4–0.69 kV | 配电变压器 | 差动保护、过流保护、温度 | 中压和低压 CT；多数设计低压侧不设 PT |
| 5. UPS | 0.4–0.69 kV | UPS、静态转换开关、发电机断路器 | 输入/输出电流、切换、电池监测 | 低压 CT 或电流传感器 |
| 6. PDU | 0.4–0.69 kV | 配电单元、母线槽 | 分支电能、过载、负载均衡 | 低压 CT、罗氏线圈、计量芯片 |
| 7. GPU | 48 V DC 或 0.4 kV AC | 服务器电源、机架电源架 | 机架功率、功率封顶、电源状态 | 集成传感器，而非 IEC 互感器 |
2. 阶段 1–2：110 kV 接入点与高压变电站
在 110 kV 或 220 kV 下，互感器是电网接口的一部分。电网公司通常拥有关口计量，但数据中心业主仍需要自己的校验表计、保护 CT 和故障录波。这就是为什么一条高压回路可能配置多个 CT 铁芯：一个或两个计量铁芯（0.2S 或 0.5S）、一个或两个保护铁芯（5P30、TPX/TPY 或 TPS），有时还有用于故障录波或电能质量的独立铁芯。
该电压等级的电压测量通常采用 CVT 或电磁式 PT。CVT 使用电容分压器（C1/C2），后接补偿电抗器和中间变压器；它在超高压下结构紧凑且经济，但其暂态响应和铁磁谐振行为与电磁式 PT 不同。电磁式 PT 更简单，暂态行为更好，但在 220 kV 及以上会变得体积庞大且昂贵。这一选择不仅是价格决策；它还会影响电压暂降和操作事件期间的保护性能。
在高压变电站内，关键的 CT 位置包括：
- 线路侧 CT，用于线路保护和关口计量，位于电网公司与客户之间的边界处。
- 母线 CT，用于母线差动保护，每条进线和出线回路各一组。
- 变压器高压侧和中压侧 CT，用于变压器差动保护；两组 CT 必须协调配合，使差动继电器看到的是变压器，而不是母线。
- 中性点 CT，用于限制性接地故障保护和备用接地故障保护。
2.1 CVT 还是电磁式 PT？
110–220 kV 下的电压互感器选择是系统级决策，而不是样本目录决策。电磁式 PT 是常规变压器：其一次绕组接于相与地之间，二次侧输出按比例缩小的电压。它具有可预测的暂态响应且易于测试，但在 220 kV 下，绝缘和磁路使其体积庞大且昂贵。
CVT 使用电容分压器将电压降至中间电平，再由电磁单元产生二次输出。电容分压器结构紧凑，可设计用于极高电压，但分压器引入了频率相关网络。在电压暂降、操作过电压或铁磁谐振事件期间，CVT 输出可能无法瞬时跟随一次电压。依赖电压幅值或相角的保护必须考虑这一行为。
对于关口计量，如果规格和校准正确，两种类型都能满足 0.2 级。对于保护，CVT 的暂态响应和电磁式 PT 的饱和行为是不同的失效模式。技术规范应说明保护功能、所需暂态响应和铁磁谐振阻尼，而不仅仅是变比和负荷。
在这一层级，一个常见错误是规定一个单铁芯的“计量与保护”CT。表计和继电器有不同的准确度和负荷要求；共用一个铁芯会迫使做出折中，结果两者都无法满足。多铁芯 CT 比单铁芯单元成本更高，但它们避免了既不准也不稳定的设计。
3. 阶段 3：10 kV 至 35 kV 的中压开关柜
中压开关柜是互感器数量最集中的环节。一个典型的 AI 园区有数十个中压间隔：进线、母联、变压器馈线、UPS 馈线、冷却/辅助馈线以及备用间隔。每个间隔承担不同的保护功能，因此对电流互感器的要求也不同。
常见的中压电流互感器有三类：
- 浇注树脂式电流互感器，套装在一次导体或电缆上，可带一个或多个铁芯。这是室内中压开关柜的标准选择。
- 母线式电流互感器（窗口式或穿心式一次导体），用于紧凑型柜体和大电流母线。
- 零序电流互感器，环绕三相，用于灵敏的接地故障保护。它们不是三个独立的相电流互感器，而是一个环绕所有相的单铁芯。
| 电流互感器类型 | 结构 | 典型安装位置 | 设计要点 |
|---|---|---|---|
| 浇注树脂环形电流互感器 | 环氧浇注环形，套装于电缆或导体 | 中压馈线、进线、变压器间隔 | 低局放、高机械强度、室内使用 |
| 母线式/窗口式电流互感器 | 窗口式或穿心式一次导体，可拆卸 | 主母线、大电流馈线 | 核对窗口尺寸和导体间距 |
| 零序电流互感器 | 大铁芯环绕三相 | 馈线电缆、变压器中性点 | 低变比，用于灵敏接地故障保护 |
| 开合式电流互感器 | 两半式铁芯，用于改造 | 既有电缆、临时监测 | 准确度较低；需考虑气隙影响 |
电流互感器的变比按额定电流选择，而不是按故障电流选择。故障电流决定准确限值系数和短时耐受能力；额定电流决定变比。一个 2,000 A、故障水平 25 kA 的间隔，需要一台能连续承载 2,000 A 并在保护整定值范围内保持准确的电流互感器，而不是仅按负荷大小选型的电流互感器。
变比与匝数关系如下：
3.1 铁芯选择：计量、保护与差动
一台物理上的电流互感器可以包含多个铁芯，但每个铁芯都是独立设计。计量铁芯针对低电流和额定电流下的准确度进行优化；保护铁芯针对高故障电流下的稳定性进行优化；差动铁芯针对与变压器另一侧的匹配进行优化。它们可以共用外壳，但不共用同一套规格。
对于典型的中压馈线，材料清单可能如下：
- 铁芯 1 — 计量：0.2S 或 0.5S，额定负荷与电能表匹配，在额定电流的 1%、5% 和 20% 处校验准确度。
- 铁芯 2 — 过流：5P20 或 5P30，准确限值系数按预期故障电流校验，短时耐受能力按开关柜额定值校验。
- 铁芯 3 — 接地故障：低变比铁芯或独立的零序电流互感器，对预期接地故障电流灵敏。
对于变压器差动保护，两侧可能具有不同的变比和接线组别。电流互感器的选择必须使继电器能够补偿变压器变比，并且电流互感器变比不能高到使低负荷下的差动电流淹没在测量误差中。这是保护整定计算的任务，而不是产品样本选型。
该层级的电压互感器通常为每相一台单相单元，或采用共箱的三相单元。它为继电器的电压输入、同期检查功能和电能表提供信号。在 2N 架构中，每段母线都需要自己的电压互感器，以便在一段母线被隔离时保护仍能测量电压。
4. 阶段 4：中压/低压变压器
中压/低压变压器是电力系统式中压保护与数据机房低压世界之间的分界。变压器差动保护需要两侧都装设电流互感器；电流互感器变比必须补偿变压器变比和接线组别。低压侧电流互感器通常安装在变压器二次侧隔室或主低压开关柜内。
中性点电流互感器的重要性也体现在这里。二次侧中性点接地的变压器需要中性点电流互感器用于接地故障保护和计量。如果中性点经电阻接地，电流互感器变比必须与预期接地故障电流匹配，该电流可能只有几十安培——而不是相间故障的数千安培。
4.1 接线组别与电流互感器匹配
变压器接线组别决定高压侧与低压侧之间的相位偏移。例如，Dyn11 变压器引入 30° 的相移。差动继电器必须补偿这一相移，并且两侧的电流互感器变比必须选择为使继电器在额定负荷下看到相同的标幺电流。如果电流互感器不匹配，继电器可能在正常负荷下看到差动电流，从而误跳闸或降低灵敏度。
每一侧的电流互感器变比通常按变压器额定电流选择，而不是按开关柜额定值选择。在低压侧，电流互感器可能安装在变压器二次侧隔室；在高压侧，可能是环绕电缆的环形电流互感器。两台电流互感器可以具有不同的准确级，但其变比和极性必须与继电器整定值协调。
一个常见的规格书错误是对相电流互感器和中性点电流互感器采用相同的准确级。相电流互感器可能是 5P30 保护铁芯；中性点电流互感器可能需要低得多的变比和不同的准确级，以检测较小的接地故障电流。这两种功能应分别规定。
5. 阶段 5–7：UPS、PDU 与 GPU 机架
在中压/低压变压器以下，电压为 0.4–0.69 kV 交流。这仍属于配电领域，但已不再是 IEC 高压互感器的范畴。相关设备是低压电流互感器、罗氏线圈、霍尔效应传感器或计量芯片。它们测量相同的物理量，但不能与中压电流互感器互换。
UPS/ATS 环节需要对输入、输出和旁路路径进行电流测量，以及电池监测。PDU/母线槽环节需要分支回路监测，用于能耗分配和过载检测。机架环节需要在电源单元或机架电源架上进行功率测量，通常为 48 V 直流。在 48 V 直流下，传统的交流电流互感器无法工作；传感器必须支持直流，或者测量必须从电源单元遥测数据中导出。
这就是为什么单一的“电流互感器数量”可能产生误导。一个 100 MW 园区可能有 200–300 台高压/中压互感器和数千个低压传感器。它们属于不同的预算科目、不同的规格书和不同的试验体系。
5.1 为什么 10 kV 电流互感器不能用于 PDU
人们很容易认为电流互感器就是电流互感器：它测量电流，所以一台备用的 10 kV 环形电流互感器应该能在 400 V 下工作。事实并非如此。绝缘水平、窗口尺寸、变比、负荷和准确级对于低压回路来说都不合适。一台变比为 600/5 的 10 kV 电流互感器可能具有大铁芯和高负荷；在 400 V 下，它可能无法准确分辨 20 A 的分支电流，而且其绝缘既不必要又昂贵。
在 PDU 处，正确的设备是低压电流互感器、罗氏线圈或针对分支电流和可用空间设计的计量芯片。测量准确度可能为 1% 或 2%，这对于能耗分配是足够的，但不适用于贸易结算计量。试验体系也不同：低压传感器与 PDU 一起试验，而不是与中压开关柜一起试验。
6. 全链路保护配合
保护按区域组织。每个区域由电流互感器（CT）界定，且各CT必须相互重叠，以确保任何故障都不会被漏测。图2展示了AI园区中的三个主要区域：变压器差动保护（87T）、母线差动保护（87B）以及馈线过流/接地故障保护（50/51、50N/51N）。
对保护而言，最重要的CT参数不是变比，而是准确限值系数。CT必须在其将承受的最大故障电流（包括直流分量）下仍保持在其复合误差范围内。准确限值一次电流为：
例如，一台600/1、5P20级的CT，其准确限值一次电流为12 kA。如果预期故障电流为25 kA，CT将在故障电流达到峰值之前饱和，继电器可能动作变慢或拒动。此时可能需要5P40或5P50铁芯，或具有明确暂态性能的TPX/TPY铁芯。
直流分量会使情况更糟。在故障的最初几个周波内，电流存在偏移；即使对称故障电流在其准确限值系数（ALF）范围内，铁芯较小的CT也可能饱和。对于关键的AI园区馈线，应要求提供暂态性能和剩磁特性，而不仅仅是5P级。
6.1 饱和示例
考虑一台600/1、5P20级的CT，用于预期故障电流为25 kA的馈线。其准确限值一次电流为20 × 600 = 12 kA。故障电流超过ALF的两倍，因此CT将在故障期间饱和。继电器可能仍会跳闸，但故障电流测量值将是错误的，与上游保护的配合也可能失效。
5P50铁芯可提供30 kA，能够以一定裕度覆盖对称故障电流。如果故障电流具有显著的直流偏移，所需的铁芯可能更大，或者可能需要具有明确暂态性能的TPX/TPY铁芯。正确的答案来自故障研究和继电器整定，而非经验法则。
| 保护功能 | CT位置 | 典型准确级 | 关键校验 |
|---|---|---|---|
| 变压器差动保护（87T） | 高压侧和中压侧，以及中性点 | 5P30、TPS/TPX或TPY | 变比补偿、矢量组、CT匹配 |
| 母线差动保护（87B） | 所有进线和出线馈线 | 5P30或TPS | CT变比一致性、饱和、区域重叠 |
| 馈线过流保护（50/51） | 馈线相CT | 5P20/5P30 | ALF与预期故障电流的对比 |
| 接地故障保护（50N/51N） | 中性点或零序CT | 5P10/5P20或灵敏零序CT | 低故障电流、变比、剩余连接 |
| 计量/贸易结算 | 线路或馈线CT | 0.2S/0.5S | 负荷、低负荷准确度、校准 |
7. 准确度、负荷以及1 A与5 A的选择
CT是电流源；其准确度仅在规定负荷范围内得到保证。二次回路包括CT绕组、电缆、继电器/仪表和端子：
电缆电阻为：
这就是1 A与5 A选择至关重要的原因。在相同VA下，1 A二次电流可将电缆损耗降低25倍。对于从远程中压室到中央控制室的长距离敷设，5 A CT可能将全部负荷消耗在电缆上；而1 A CT则为继电器和仪表留出更多裕度。
| 二次电流 | 优点 | 缺点 | 典型用途 |
|---|---|---|---|
| 5 A | 标准继电器和仪表；匝数较少；CT成本较低 | 电缆负荷较高；敷设距离较短 | 紧凑型中压开关柜、短电缆敷设 |
| 1 A | 电缆负荷较低；敷设距离更长；更适合大型园区 | 匝数更多；CT体积更大；成本更高 | 远程中压室、大型AI园区、出口项目 |
电压互感器（VT）侧也存在类似的负荷问题。电容式电压互感器（CVT）具有电容分压器和电磁单元；中间电压由分压器决定：
如果C1或C2随温度、湿度或元件故障而变化，即使铭牌上的变比正确，二次电压也会发生变化。这就是电容和介损测试仍然重要的原因，也是CVT故障可能通过低压变比测试的原因。
| 准确级 | 典型应用 | 低负荷下的准确度 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 0.2S | 贸易结算计量、租户计费 | 规定低至额定电流的1% | 适用于具有长时间低负荷期的AI园区 |
| 0.5S | 内部成本分摊、校验计量 | 规定低至1% | 当不需要贸易结算准确度时的良好折中 |
| 0.5 | 一般计量 | 从较高电流起保证准确度 | 低负荷时可能漂移；需检查实际负荷 |
| 5P20/5P30 | 过流保护 | 不适用 | 根据预期故障电流校验ALF |
| TPX/TPY/TPS | 差动保护和关键保护 | 不适用 | 需规定暂态性能和剩磁 |
8. 数字信号链
在传统设计中，每台CT/PT接线至继电器或仪表，继电器或仪表再将数据发送至SCADA。在数字化变电站中，CT/PT可接入合并单元，合并单元通过IEC 61850-9-2发布采样值。保护继电器订阅这些采样值，SCADA/DCIM系统通过过程总线或站控总线接收相同的数据。
数字化并不会消除正确选择CT/PT的必要性。它使选择更加显性化：准确级为0.1%的合并单元无法补偿超出负荷范围的CT，而几毫秒的时间同步误差会使完全准确的测量在事件关联中变得毫无用处。准确度链和时间同步链必须协同设计。
8.1 低功率互感器与合并单元
低功率互感器（LPIT）并非仅仅是更小的CT。它产生低电压输出——通常为几伏或数字信号——并根据IEC 61869-6进行规定。由于输出较低，二次接线负荷的重要性大大降低，但传感器需要本地电源或合并单元，且其准确度可能取决于温度和老化。
合并单元对LPIT输出进行采样，并通过IEC 61850-9-2发布。它还为每个采样值提供时间戳。合并单元的准确度和时基的稳定性是测量链的一部分；具有1 ms时间误差的0.1%合并单元对于事件关联而言并非0.1%的测量系统。对于保护，合并单元必须满足继电器的延迟和同步要求，而不仅仅是准确级。
9. 调试与工厂验收
互感器在工厂进行例行试验，并在现场进行调试。对于 AI 园区，试验计划应包括：
| 试验 | 工厂 | 现场 | 可发现的问题 |
|---|---|---|---|
| 变比与极性 | 是 | 是 | 接线错误、铁芯极性反接 |
| 绝缘电阻 / 耐压 | 是 | 是 | 绝缘损伤、受潮 |
| 励磁 / 饱和 | 是 | 可选 | 铁芯缺陷、准确级错误 |
| 负荷测量 | 是 | 是 | 实际回路负荷与铭牌值对比 |
| 局部放电 | 是 | 可选 | 浇注树脂绝缘缺陷 |
| 二次接线 / 跳闸试验 | 否 | 是 | 开路、CT 极性错误、保护定值 |
9.1 现场试验顺序
对于 AI 园区，实用的顺序是：外观检查与铭牌核对、绝缘电阻、变比与极性、负荷测量、二次接线连续性、保护定值与跳闸试验。顺序很重要：在接线检查之前进行变比试验，可能在 CT 端子处通过，但在保护装置处失败，因为电缆接在了错误的铁芯上。
对于数字化变电站，需增加合并单元试验：采样质量、对时状态、网络延时以及保护装置订阅正确的数据流。合并单元发布正确的值但错误的时间戳，比常规 CT 更糟糕，因为该错误对电能表不可见，但对事件日志可见。
最常见的现场错误不是 CT 故障，而是接线错误。极性反接、二次开路、试验端子短接或变比抽头错误，都可能使健康的 CT 看起来有故障。调试计划应包括对每个铁芯进行逐点检查，以及对每个保护功能进行跳闸试验。
10. 常见问题
一只 CT 能否同时用于计量和保护？
它可以在一个壳体内有两个铁芯，但计量铁芯和保护铁芯应分别规定。单个铁芯无法同时优化低负荷准确度和高故障稳定性。
为什么在 220 kV 使用电容式电压互感器而不是电磁式电压互感器？
在超高压下，电容式电压互感器更紧凑、更经济，因为电容分压器分担了电压应力。代价是暂态响应更复杂，并且需要铁磁谐振阻尼。
5P30 CT 对 AI 园区总是足够吗？
不是。需检查预期故障电流和直流分量。变比为 600/1 的 5P30 CT 的准确限值系数对应 18 kA；如果故障水平为 25 kA，它可能饱和。在需要时使用更高的准确限值系数或暂态性能等级。
每个中压母线分段都需要 PT 吗？
在 2N 架构中，是的——每个分段应拥有自己的电压源，以便在另一分段隔离时，保护与同步检查功能仍然可用。
PDU 中的低压 CT 属于互感器包的一部分吗？
不属于。它们是低压传感器，具有不同的标准、绝缘和准确度要求。应将其放在单独的规范和预算条目中。
11. 结论
从 110 kV 到 GPU 的旅程，是穿越多个测量域的旅程。高压 CT 和 CVT 定义电网接口；中压 CT 和 PT 定义保护区域；低压 CT 和传感器定义数据中心的能耗图景。仪表在变，但原则不变：每个保护区域都需要明确的边界，每个电能表都需要明确的负荷，每个数字信号都需要明确的准确度和时基。
关于数量方面，请参阅100 MW 规划模型。关于产品示例，请参阅 LZZBJ9-10GWA,B,C 中压 CT、LMZ9-10 母线 CT 和 JDZ10-35R 户内 PT。关于 CVT 与 PT 的取舍，请阅读选型指南。
References
- IEC 61869-2:2012. Instrument transformers — Part 2: Additional requirements for current transformers.
- IEC 61869-3:2011. Instrument transformers — Part 3: Additional requirements for inductive voltage transformers.
- IEC 61869-5:2011. Instrument transformers — Part 5: Additional requirements for capacitor voltage transformers.
- IEC 61869-6:2016. Instrument transformers — Part 6: Additional general requirements for low-power instrument transformers.
- IEC 61869-9:2016. Instrument transformers — Part 9: Digital interface for instrument transformers.
- IEC 61850-9-2:2011. Communication networks and systems for power utility automation — Part 9-2: Sampled values over ISO/IEC 8802-3.
- IEEE C57.13-2016. IEEE Standard Requirements for Instrument Transformers. https://standards.ieee.org/ieee/829/4867/
- IEEE C37.110-2007. IEEE Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes.
- IEEE C37.91-2021. IEEE Guide for Protective Relay Applications to Power Transformers.
- Electrical Engineering Portal. Instrument Current and Voltage Transformers (course PDF). https://electrical-engineering-portal.com/res/Instrument-Current-and-Voltage-Transformers-2.pdf
- International Energy Agency (IEA). Energy and AI. 2025. https://www.iea.org/reports/energy-and-ai
- Lawrence Berkeley National Laboratory. 2024 United States Data Center Energy Usage Report. 2024. https://eta-publications.lbl.gov/publications/2024-lbnl-data-center-energy-usage-report
- Schneider Electric. AI Factory: Design, simulate, build, operate and maintain high-density AI infrastructure. https://www.se.com/us/en/work/solutions/ai-factory/
- NVIDIA. GB200 NVL72. https://www.nvidia.com/en-us/data-center/gb200-nvl72/
各阶段描述及 CT/PT 建议仅为设计指南，不能替代针对具体项目的单线图、保护研究、CT 负荷计算和当地电网规范审查。
