电压互感器的原理及结构

电压互感器
一 电磁式电压互感器的原理及结构
1电压互感器的工作原理与技术特性
电压互感器的构造、原理和接线都与电力变压器相同，差别在于电压互感器的容量小，通常只有几十或几百VA ，二次负荷为仪表和继电器的电压线圈，基本上是恒定高阻抗。

其工作状态接近电力变压器的空载运行。

电压互感器的高压绕组，并联在系统一次电路中，二次电压U 2与一次电压成比例，反映了一次电压的数值。

一次额定电压U IN ，多与电网的额定电压相同，二次额定电压U2N ，一般为100V 、100/3V 、100/3V 。

电压互感器的一、二次绕组额定电压之比，称为电压互感器的额定变比K N ，则
K N =N
N U U 21≈21U U ≈21N N （2-1-1) 式中 N 1、N 2——电压互感器原、副绕组的匝数。

由式（2-1-1）知，若已知二次电压U 2的数值，便能计算出一次电压U 1的近似值，为
U 1=k N U 2
由于电压互感器的原绕组是并联在一次电路中，与电力变压器一样，二次侧不能短路，否则会产生很大的短路电流，烧毁电压互感器。

同样，为了防止高、低压绕组绝缘击穿时，高电压窜入二次回路造成危害，必须将电压互感器的二次绕组、铁心及外壳接地。

2电压互感器的误差及准确度等级
与电流互感器类似，电压互感器的误差也分为电压误差和角误差。

（一） 电压误差△U
是二次电压的测量值U 2乘以额定变比K N （即一次电压的测量值）与一次电压的实际值U 1之差，并以一次电压实际值的百分数表示，即
△U=1
12U U U k N ×100% （2-1）
（二）角误差δ
折算到一次侧的二次电压U′2，逆时针方向转1800与一次电压U1之间的夹δ，并规定
当-U′2超前U1时，δ角为正值，反之，δ角为负值。

（三）影响误差的因素
电压互感器的误差与其工作情况的关系，可由电压互感器根据T形等值电路所作的向量图加以说明，如图2-1所示，其中二次侧各量均折算到一次侧，二次部分各相量省略未画，为了使相量显得清楚，放大了各阻抗压降部分的比例，并画出一条角误差的座标轴线（一）δ——（+）δ。

从图中看出：O′A为一次电压相量U1，是以下三部分电压的相量和：
（1）反方向的二次电压向量即- U′2。

（2）励磁电流（空载电流）I O在一次绕组的漏阻抗上的压降，即I O （R1+jX1）。

（3）反方向的二次电流向量在原、副绕组漏阻抗的电压降之和，即
-I ′2{R1+R′2}+j(X1+X ′2)}
从相量图中可以看出，影响电压互感器误差的因素有：
（1）原、副绕组的电阻R1、R′2和漏抗X1、X ′2。

（2）空载电流I O。

（3）二次负载电流的大小I′2及其功率因数COSΦ2。

图2-1 电压互感器的相量图
前两个因素与制造有关，第三因素决定于工作条件，即与二次负载有关。

当二次电流增大功功率因素COSΦ2降低时，误差也就增大。

（四）电压互感器的准确度等级
电压互感器根据误差的不同，划分为不同的准确度等级。

我国电压互感器的准确度分为四级，即0.2级、0.5级、1级、3级，每种准确度等级的误差限值见表2-1。

电压互感器的每个准确度等级，都规定有对应的二次负荷的额定容量S2N （VA）。

当实际的二次负荷超过了规定的额定容量时，电压互感器的准确度等级就要降低。

要使电压互感器能在选定的准确度等级下工作，二次所接负荷的总容量S2∑必须小于该准确度等级所规定的额定容量S2N。

电压互感器准确等级与对应的额定容量，可从有关电压互感器技术数据中查取。

表2-1电压互感器的准确等级和误差限值
准确度等
级
最大容许误差
一次电压和二次负荷电压误差
（±%）
角误差（±分）
3 电压互感器的类型及基本结构
电压互感器种类较多，按绕组数分为双绕组和三绕组两种，三绕组电压互感器除了一、二次绕组外还有一组（个）辅助二次绕组供绝缘监测及零序回路。

按相数分为单相和三相式，额定电压35kV及以上的电压互感器均制造为单相式。

按安装地点分为户内和户外式，35kV及以下多制成户内式。

按绝缘及冷却方式可分为干式、浇注式，油浸式和充气式，干式（浸绝缘胶）结构简单、无着火爆炸危险，但绝缘强度较低，只适用于6kV以下的户内装置；浇注式结构紧凑、维护方便，适用于3～35kV户内配电装置；油浸式绝缘性能好，可用于10kV以上的户内外配电装置；充气式用于SF6全封闭组合电器中。

此外还有电容式电压互感器。

（1）JDZJ—10型电压互感器
JDZJ-10型电压互感器为环氧树脂浇铸绝缘，外形结构如图2-2所示。

这种电压互感器为单相三绕组，环氧树脂浇注绝缘的户内型互感器。

可用三个电压互感器组成三个Y N/y n/d 接线，供中性点不接地系统的电压、电能测量及接地保护之用，可取代老型号的JSJW型三相五柱电压互感器。

1－一次出线 2—套管 3—主绝缘 4—铁心 5—二次出线
图2-2
（2）JDJ-10型电压互感器
JDJ-10型电压互感器为单相
油浸式电压互感器，结构如
图2-3所示。

铁心和线圈装
在充满变压器油的油箱内，线
圈出线通过固定在箱盖上的套管引
出。

用于户外配电装置。

1－铁心 2—线圈 3—一次出线4—二次出线
图2-3
（3）JSJW-10型电压互感器
JSJW-10型电压互感器为三相五柱式电压互感器，其外形及铁芯、绕组接线，如图2-4所示。

绕组分别绕在中间在个铁心上，两侧有两个辅助铁芯柱，作为单相接地时的零序磁通通道，使原绕组的零序阻抗增大，从而大大限制了单相接地时通
过互感器的零序电流，而不致危害互感器。

每个铁心柱均绕有三个绕组，一次绕组接成星形并引出中线，因此在油箱盖上有四个高压瓷瓶端子。

每相有两个二次绕组，一组为基本绕组接成星形，中性点也引出，接线端子为a、b、c、o；另一组为辅助绕组接成开口三角形，引出两个接线端子a1、x1。

广泛用于小接地电流系统，作为测量相、线电压和绝缘监察之用。

图2-4
（4）JCC-110型电压互感器
JCC-110型电压互感器是采用串级式结构，参数相同的原绕组线圈单元分别套在铁心上下两柱上，串接在相线和地之间，两个线圈单元的连接点与铁心连接在瓷箱内，铁心与底座绝缘。

瓷箱兼作油箱和出线套管，减轻了重量和体积，如图2-5所示。

由于每个单元参数相同，电压在各个单元上均匀分布，所以，每一级只处在该装置这一部分电压之下。

铁心和线圈采用分级绝缘，因此，可大量节约绝缘材
料。

在中性点直接接地系统中，每个线圈单元上的电压与相电压Uxg成正比，最
末一个与地连接的线圈单元具有副绕组，因而能成比例地反映系统相电压Uxg的变化。

当副绕组开路时，由于铁芯中的磁通相等，使电压在各单元线圈上分布均匀，如图2-6（a）所示，每一线圈单元与铁芯的电位差只有Uxg/2。

但铁芯与外壳之间存在Uxg/2 的电位差，所以必须绝缘。

由于瓷外壳是绝缘的，且绝缘的最大计算电压不超过Uxg/2，所以容易做到，而普通结构的互感器，必须按全电压Uxg设计绝缘。

当副绕组接通负荷后，由于副绕组电流产生去磁磁势，产生漏磁通，使上、下铁芯柱内的磁通不相等，破坏了电压在各线圈单元的均匀分布，使准确度降低。

为了避免这种现象，在两单元的铁芯上加装绕向和匝数相同的平衡绕组，并作反极性连接，如图2-6 所示。

当两单元铁心内的磁通不相等时，平衡绕组中将产生环流，如图中箭头所指方向，使上铁心柱去磁，使下铁芯柱增磁，达到上、下铁心内的磁通基本相等，从而使各线圈单元的电压分布较均匀，提高了准确度。

图2-5 JCC-110型电压互感器结构图
1——油扩张器；2——瓷外壳；3——上柱绕组；4——铁心 5——下柱绕组；6——支撑电木板；7——底座
图2-6 110千伏串级式电压互感器的原理接线图
（a）原理图；（b）绕组的连接1——铁芯；2——一次绕组；3——平衡绕组；4——二次绕组
JCC-110型电压互感器有两个副绕组，基本二次绕组的电压为100/3V；辅助二次绕组的电压为100V。

这种电压互感器的缺点，是准确较低，其误差随串级元件数目的增加而加大。

国产的JCC型电压互感器的准确度为1级和3级。

220kV的串级式电压互感器，有两个口字形铁心，由四个线圈单元串联组成，除下铁心装有平衡线圈外，在两个铁心的相邻铁心柱上，还设有连耦线圈，其作用与平衡线圈相似。

二电容式电压互感器
电容式电压互感器(CVT)成为电力系统高压远距离输电技术发展的必然产物,其与传统的电磁式电压互感器相比具有四个特点:绝缘性能较好,耐压水平高,不会与断路器断口电容产生铁磁谐振;电压等级越高,其相对成本越低,节省设备投资;可兼作载
波通讯使用;由于是电容型设备,实现绝缘在线监测更加容易。

CVT在220kV及以上电网中应用较为广泛。

大庆油田电网由于输电等级较低,为110kV及以下,目前仅在油田热电厂及宏伟电厂采用了110kV电容式电压互感器,现将大庆油田电力集团宏伟电厂电气分厂9516、9517两条线路的CVT测试经验加以分析。

对于220kV及以上的CVT,只是增加了上节分压电容器,并对分压电容器单独进行介损正接线试验,与传统方法无异。

1.CVT结构特点及工作原理。

（以TYD110/-0.01H型电容式电压互感器为例）
其由电容分压器和电磁单元两个独立的元件组成,电容分压器的中压端子和接地端子穿过密封的油箱箱盖引入到油箱中分别与电磁单元的高压端子(A)和二次接线板的接地端子(N)相连。

载波装置、保护球极(N-E间)在二次接线盒内,当电容式电压互感器作载波使用时,需将N-E间连接片断开;如果不做载波用则须将N-E用连接片短接。

电磁单元的油箱内装有中间变压器和补偿电抗器、阻尼器、保护补偿电抗器的低压避雷器,并充有变压器油。

中间变压器高压绕组与补偿电抗器串联。

电磁单元的二次绕组端子及接地端子均由二次接线盒引出。

其结构接线图中主要元件为电容(C1、C2),补偿电抗器,中间电磁式电压互感器TV及阻尼器等。

CVT工作原理采用电容分压原理。

U1为电网电压;Z2表示仪表、继电器等电压线圈负荷。

U2=UC2=U1=KUU1,
式中:KU= 为分压比,Zi= 互感器带负荷Z2后,其内阻抗(利用等效电源原理,将电容分压原理转化成电容式电压互感器等值电路),当有负荷电流流过时,在内阻抗上将产生电压降。

使U2与U1, 不仅在数值上而且在相位上有误差,负荷越大,误差越大。

要获得一定的准确级,必须增大电容量,这是很不经济的。

合理的解决措施是在电路中串联一电感,即补偿电抗器。

电感应按产生串联谐振的条件选择L。

由于电容式电压互感器含有电容元件及多个非线形电感元件(如补偿电抗器和中间变压器等),在系统合闸操作或短路故障产生的瞬态过程中,由于非线形电感元件的铁心饱和激发稳定的次谐波谐振,使得在补偿电抗及中间变压器上产生过电压,最终导致补偿电抗器和中间变压器绕组击穿损坏。

为抑制CVT内部铁磁谐振,在互感器二次绕组上并联阻尼装置。

为保护补偿电抗器及加大抑制谐振作用,在其两端并联氧化锌(ZnO)避雷器。

2.CVT的电容量及介损试验方法
C1、C2的测试:考虑到现场正在施工安装,而相邻的线路还在带电运行,有较大的电磁场干扰,因此决定采用自激法。

自激法的测量原理为在二次端子如1a-1n处施加一个小电压,在中间变压器一次侧产生高压作为试验电压来进行测试。

试验电压整定为不超过3kV,对二次接线端子盒内接线柱不会造成损害。

使用的仪器是山东泛华生产的AI6000E变频介损测试仪,该仪器将电桥、试验变压器、标准电容器整合在一起,简单、轻便。

且在现场测试过程中分别输出45Hz和55Hz的试验电压,能有
效屏蔽试验电源谐波干扰和外界强电场干扰,因此测试精度较高。

设备接线:测试前二次接线盒内N-E间连接片必须断开,将CVT测试线接入N端子,Cx线接入A点。

加压后,高压由A`进入,则C1与C2可分别做为电桥的一个桥臂由CVT测试线和Cx 线引入电桥,从而实现其内部两个电容的检测。

CVT测试线是一根专用的绝缘屏蔽线,是经过出厂校准的,不可以用其它线替代,测试中可直接放置地上,可为试验带来很大便利。

现场接好试验接线后,介损仪可以在一个加压试验过程中,先测量C1然后自动倒线测量C2,试验结束后统一给出C1与C2的测量结果,这也大大的缩短了试验时间。

现场试验结果:9516CVT测试:C1中C1(PF)、tgδ(%)出厂报告分别为14701、0.05;现场测试为14720、0.11。

C2中C2(PF)、tgδ(%)出厂报告分别为33742、0.05;现场测试为33760、0.18。

9517CVT 测试:C1中C1(PF)、tgδ(%)出厂报告分别为14399、0.05;现场测试为14390、0.10。

C2中C2(PF)、tgδ(%)出厂报告分别为33254、0.05;现场测试为33270、0.12。

试验表明,电容量的测量值几乎与出厂值相同,介损值比出厂值稍稍偏大。

经分析认为,两者试验方法不同,出厂试验是在电容未组装以前进行的,是对电容单独采用正接线试验,而现场试验是对整体CVT的测试,附带了电磁单元部分,因此造成介损值稍大。

现场对C1、C2两只电容的试验效果还是令人满意的。

其余绝缘电阻、直流电阻及工频耐压等试验与常规相同。

3 电容式电压互感器按照其安装位置不同,可分为母线、线路等几种。

对于母线CVT,由于该CVT与氧化锌避雷器MOA相连,不必拆除高压引线,只拉开CVT与母线间的一次刀闸,氧化锌避雷器MOA可承受施加于CVT上的交流试验电压,流经避雷器的电流由试验电源提供,不流过电桥本身,故并联的氧化锌避雷器MOA不会对测量产生影响。

而线路CVT由于不经隔离开关而直接与线路相连,若使用自激法试验电压将随线路送出,这是不允许的。

因此,需拆除高压引线。

4 产品外形及结构图见图1。