电压互感器的原理及结构

一   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U2与一次电压成比例，反映了一次电压的数值。一次额定电压UIN，多与电网的额定电压相同，二次额定电压U2N，一般为100V、100/V、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KN，则

        KN=≈≈      （2-1-1)

式中   N1、N2——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U2的数值，便能计算出一次电压U1的近似值，为

        U1=kNU2

        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U2乘以额定变比KN（即一次电压的测量值）与一次电压的实际值U1之差，并以一次电压实际值的百分数表示，即

        △U=×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）IO在一次 绕组 的漏阻抗上的压降，即IO（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IO。

（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

        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YN/yn/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/V；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。