电磁式电压互感器的特性与应用

（一）工作原理

电磁式电压互感器的工作原理、构造和接线都与电力变压器相似。电压互感器的一次绕组与二次绕组的电压之比同他们的匝数成正比，即

在于电压互感器的一次绕组并联在线路上，二次负荷也是并联在其二次绕组上。电压互感器一次绕组的额定电压与电网的额定电压是一致的，已经标准化。通过适当配置电压互感器一、二次绕组的匝数，可以将一次电压变换成二次较低的标准电压值，一般是100V或。同时，电压互感器的容量很小，通常只有几十至几百伏安，并且在大多数情况下，负荷是恒定的。

电磁式电压互感器的工作状态与普通变压器相比，其特点是：①电压互感器一次侧的电压（即电网电压）不受互感器二次侧负荷的影响；②接在电压互感器二次侧的负荷是仪表和继电器的电压线圈，它们的阻抗很大，通过的电流很小，电压互感器的工作状态接近于空载状态，二次电压接近于二次电势值，并取决于一次电压值。

（二）电磁式电压互感器的测量误差和准确级

1.测量误差

电磁式电压互感器的等值电路和相量图如图4-17所示。由相量图可见，由于电压互感器存在内阻抗压降，使二次电压U2与一次电压U1大小不相等，相位差也不等于180°，即测量结果的大小和相位存在误差。通常用电压误差fu和相位差δu来表示。

图4-17　电磁式电流互感器

（a）等值电路图；（b）相量图

电压误差fu为二次电压的测量值和额定变压比的乘积KuU2，与实际一次电压U1之差，对实际电压值的百分比表示。

相位差δu是旋转180°后的二次电压相量-U2与一次电压相量U1之间的夹角，并规定—U2超前于U1时，相位差δu差为正值。反之，相位差δu则为负值。

要减小减少电压互感器的误差。采用高导磁率的冷轧硅钢片可减少激磁电流，从而减少误差。当二次负荷阻抗Z2增大时，电磁式电压互感器的电压误差fu和相位差δu都将减少。当二次侧接近于空载运行时，电磁式电压互感器的误差最小。

2.准确级

电压互感器应能准确地将一次电压变换为二次电压，才能保证测量精度和保护装置正确的动作，因此电压互感器必须保证一定的准确度。电压互感器的准确级就是指在规定的一次电压和二次负荷变化范围内，负荷的功率因数为额定值时，电压误差的最大值。电压互感器依据测量误差的大小，可分成不同的准确级。测量用电压互感器的准确级有0.1、0.2、0.5、1和3级；保护用电压互感器的准确级规定有3P和6P两种。各准确级的误差限值列于表4-4。

表4-4　电压互感器的准确级和误差极限

并联在电压互感器二次绕组上的测量仪表、继电器以及其他负荷的电压线圈，都是电压互感器的二次负荷。习惯上电压互感器的二次负荷都用负载消耗的视在功率S2（VA）表示。因电压互感器的二次电压额定值U2N为已知，所以用功率表示的二次负荷也可换算成用阻抗表示。其阻抗为Z2=S2/U2N（Ω）。电压互感器的负载阻抗都很大，所以在计算二次负载时，二次电路中的连接导线阻抗、接触电阻等都可以忽略。

对应于每个准确级，每台电压互感器规定一个额定容量。如果实际所带二次负载超过额定容量，则准确级要降低。

（三）运行特点

二电压互感器与普通变压器一样，二次侧不允许短路。因为接在电压互感器二次侧的负荷是仪表和继电器的电压线圈，它们的阻抗很大，通过的电流很小，电压互感器的工作状态接近于空载状态，如果短路会出现大的短路电流，尽管二次侧电压低，但电压互感器二次侧线圈是按额定容量设计，很小，因此出现大的短路电流，会烧毁电压互感器。为保护互感器，二次侧装有熔断器，出现大电流，保护用的熔断器熔断，造成二次侧负荷停电。同电流互感器一样，为了安全，在电压互感器的二次侧电路中也应该有保安接地点。

电磁式电压互感器的励磁特性为非线性特性，与电力网中的分布电容或杂散电容在一定条件下可能形成铁磁谐振。通常是电压互感器的感性电抗大于电容的容性电抗，当电力系统操作或其他暂态过程引起互感器暂态饱和而感抗降低就可能出现铁磁谐振。铁磁谐振产生的过电流和/或高电压可能造成互感器损坏，特别是低频谐振时，互感器相应的励磁阻抗大为降低而导致铁芯深度饱和，励磁电流急剧增大，高达额定值的数十倍至百倍以上，从而严重损坏互感器。

由于在中性点不接地系统中，铁磁谐振是电磁式电压互感器与母线或线路对地电容形成的回路，在一定激发条件下可能发生铁磁谐振而产生过电压及过电流，使电压互感器损坏，因此应采取消谐措施有：在电压互感器开口三角或互感器中性点与地之间接入专用的消谐器；选用三相防谐振电压互感器；增加对地电容破坏谐振条件等。而在中性点直接接地系统中，电磁式电压互感器在断路器分闸或隔离开关合闸时可能与断路器并联均压电容或杂散电容形成铁磁谐振。又由于电源系统和互感器中性点均接地，各相的谐振回路基本上是独立的，谐振可能在一相发生，也可能在两相或三相内同时发生。抑制这种谐振的方法不宜在零序回路（包括开口三角形回路）采取措施。要采用人为破坏谐振条件的措施。

（四）电磁式电压互感器的接线

电磁式电压互感器的接线方式有好多种，常见的有以下几种：图4-18（a）、（b）是用一台单相电压互感器测量相对地或相间电压。图4-18（c）是不完全星形接线，可测量相间，但不能测量相对地电压，广泛用于20kV及以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中。图4-18（d）为三台单相电压互感器接成YN，yn，d0接线（二次Y接绕组中性点不直接接地，而采用B相接地）。这种接线广泛用于3～220kV系统，其二次侧用于测量相对地电压，辅助二次绕组接成开口三角形，供接入交流电网绝缘监察仪表和继电器使用。三相五柱式电压互感器只用于3～15kV系统，除铁芯外，接线与图4-18（d）基本相同。

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图4-18　电磁式电压互感器的接线方式

考虑到电压互感器并联在线路上，电压互感器和配电装置可靠性较高，通常只采用隔离开关与电网相连。

（五）电磁式电压互感器的分类及结构

1.电磁式电压互感器的分类

（1）按安装地点分为户内式和户外式。通常35kV及以下多制成户内式；35kV以上则制成户外式。

（2）按相数分为单相式和三相式。单相式电压互感器可制成任何电压级的，三相式电压互感器只限于20kV以下电压级。

（3）按绕组数可分为双绕组和三绕组。

（4）按绝级结构可分为干式、浇注式、充气式和油浸式。干式结构简单，无着火和爆炸危险，但绝缘强度低，只适用于电压为6kV及以下的空气干燥的屋内配电装置中；浇注式结构紧凑，也无着火和爆炸危险，且维护方便，适用于3～35kV户内装置；充气式主要用于SF6全封闭电器中；油浸式绝缘性能好，可用于10kV以上的屋内、外配电装置。

2.电压互感器的型号

电压互感器的型号由两部分组成，第一部分包括产品型号符号和设计序号，横线后为电压等级，单位kV。所用符号含义见表4-5，后为特殊使用环境代号及字母，与电流互感器相同。

例如JDZ6—10表示第6次改进型设计、浇注绝缘、单相、10kV电压互感器；JDX-110GY表示单相、油浸绝缘、带零序绕组、110kV、适用于高原地区的电压互感器。

表4-5　电压互感器字母含义

3.电磁式电压互感器的结构

电压互感器的结构与变压器有很多相同之处，这里只简单叙述下面几种电压互感器的一些结构特点。

（1）浇注式电压互感器结构。

浇注式结构紧凑、维护简单，适用于3～35kV的户内产品，随着户外用树脂的发展，亦将逐渐在大于35kV户外产品上采用。这种结构的电压互感器将一次绕组和各低压绕组，以及一次绕组出线端的两个套管均浇注成一个整体，然后再装配铁芯。这是一种常见的半浇注式（铁芯外露式）结构，优点是浇注体比较简单，容易制造，缺点是结构不够紧凑，铁芯外露会产生锈蚀，需要定期维护。绕组和铁芯均浇注成一体的叫全浇注式，其特点是结构紧凑，几乎不需维修，但是浇注体比较复杂，铁芯缓冲层设置比较麻烦。

浇注式互感器的铁芯一般用旁轭式，也有采用C形铁芯的。一次绕组为分段式，低压绕组为圆筒式；绕组同芯排列，导线采用高强度漆包线。层间和绕组间绝缘均用电缆纸或复合绝缘纸。为了改善绕组在冲击电压作用时的起始电压分布，降低匝间与层间的冲击强度，一次绕组首末端均设有静电屏。一、二次绕组间的绝缘可采用环氧树脂筒、酚醛纸筒或经真空压力浸漆的电缆纸筒。绕组对地绝缘都是树脂。由于树脂的绝缘程度很高，其厚度主要根据浇注工艺和机械强度确定。

同浇注绝缘电流互感器一样，在浇注绝缘电压互感器中也要在适当部位采取屏蔽措施，以提高其游离电压和表面闪络电路。由于电压互感器绕组层数多，匝数多，内部气泡难以消除，而使局部放电难以达到标准要求，这就要求提高浇注工艺水平，改善产品质量。

（2）油浸式电压互感器结构。

油浸式电压互感器按其结构可分为普通式和串级式。普通结构的油浸式电压互感器，额定电压制成3～35kV，它与普通小型变压器相似。其铁芯和绕组浸在充有变压器油的油箱内，绕组通过固定在箱盖上的瓷套管引出。

电压为60kV及以上的电压互感器，如果仍制成普通的具有钢板油箱和瓷套管结构的单相电压互感器，将变得十分笨重和昂贵。因此，电压为60kV及以上的电压互感器普遍制成串级式结构。这种结构的主要特点是：绕组和铁芯采用分级绝缘，以简化绝缘结构；铁芯和绕组放在瓷箱中，瓷箱兼作高压出线套管和油箱。因此，瓷箱串级式可节省绝缘材料，减轻重量，降低造价。

图4-19　串级式电压互感器的原理接线图

（a）内部结构示意图；（b）工作原理图
1—一次绕组；P—平衡绕组；L—耦合绕组；a，n—二次绕组；da，dn—剩余电压绕组

图4-19所示为串级式电压互感器的原理接线图。在这种互感器中，四个同样的一次绕组分别套装在两个铁芯的上、下芯柱上，它们依次串联，A端接线路高电压，N端接地。第一级一次绕组的末端与上铁芯连接，故上铁芯对地电压为，而对第一级绕组的始端以及第二级绕组的末端的最大电压为，而对第三级绕组的始端和第四级绕组的末端（此处是接地的）的最大电压也是。平衡绕组P靠紧铁芯布置，与铁芯等电位、耦合绕组L和第二级一次绕组至第三级一次绕组的联线等电位，布置在这两级一次绕组的外面。二次绕组和剩余电压绕组都布置在最下级一次绕组的外面，这里的对地电压最低。各个绕组这样布置大大减少了绕组与绕组之间，绕组与铁芯之间的绝缘。由于铁芯带电，所以铁芯与铁芯之间，铁芯与地之间都要有绝缘，整个器身须装在瓷箱内，瓷箱既起高压套管的作用，又是油容器，所以又称为瓷箱式结构。

互感器中耦合绕组和平衡绕组的作用是当二次侧接有负荷时，由于负荷电流的去磁作用，下铁芯中的主磁通减少。为了避免这一现象，在上、下铁芯上各有一个匝数相等、几何尺寸相同的耦合绕组（绕向相同，反向对接）。若下铁芯的主磁通减少，下铁芯上的耦合绕组感应电动势下降，而上铁芯主磁通增加将使上铁芯的耦合绕组感应电动势上升，在上、下耦合绕组的电动势差将产生电流IL流通，使上铁芯磁通降低。下铁芯上的耦合绕组磁动势则与一次磁动势相加，使下铁芯磁通增加，从而保持上、下铁芯中主磁通基本一样。平衡绕组是布置在同一铁芯的上、下心柱上，匝数和几何尺寸相同的一对绕组。同样借平衡绕组内的电流，使两铁芯柱上磁动势平衡。串级式电磁型电压互感器的型号为JCC，额定电压有60kV、110kV、220kV等，JCC1—110型串级式电压互感器见图4-20。