了解电压互感器的基本知识

电力系统用于测量的电压互感器其作用主要体现在以下3 个方面：

①电压互感器可将电网一次的大电压按比例变换为二次低电压,以便实现对高电压的测量等。

②电压互感器采用标准化输出量：输出为100 V、100/ 3 V,可使测量仪表的量程统一为简单的几种,并可使仪表小型化、标准化,便于生产和使用。

③电压互感器具有对变换前后电路隔离的结构,加上可靠的绝缘性能,能够保证测量仪表与测试人员的安全。 电压互感器二次绕组一点接地是安全保障的又一措施。

以电磁感应为工作原理的电压互感器称为电磁式电压互感器,在我国多用在220 kV 及以下电压等级电路中。

(1)电磁式电压互感器的结构

电磁式电压互感器的基本结构主要由绕组、铁芯和绝缘构成。 图1.27 为单相双绕组电压互感器的结构原理图及电路符号。 其双绕组分别为一次绕组和二次绕组。

图1.27　电压互感器的结构原理图及电路符号

绝缘分为内绝缘和外绝缘,在油箱内或瓷套内的绝缘为内绝缘,在空气中的绝缘为外绝缘。 内绝缘又分为主绝缘和纵绝缘。 主绝缘为一次绕组及高压引线对铁芯、接地部分或对其他绕组的绝缘。 纵绝缘为绕组的匝间、层间和线段间的绝缘。

图1.28 为JDZJ-10 型电压互感器外形结构图。

图1.28　JDZJ-10 型电压互感器

1—一次接线端子;2—高压绝缘套管;3— 一、二次绕组;4—铁芯;5—二次接线端子

(2)分类及铭牌标志

1)分类

按相数分可分为单相电压互感器、三相电压互感器;按安装地点分可分为户内式电压互感器和户外式电压互感器。 户外式互感器的表面都带有伞裙,用以防雨和增加绝缘性能;按其使用主绝缘介质的不同可分为干式电压互感器、浇注式电压互感器、油浸式电压互感器和SF6 气体绝缘电压互感器等几种类型。 电压互感器基本分类见表1.4。

表1.4　电压互感器基本分类

2)铭牌标志

出线端子标志包括一般规定、标志方法、标志内容及铭牌标志。

一般规定：出线端子应标志以下内容。 —次绕组、二次绕组和剩余电压绕组(如果有);中间抽头(如果有);绕组的极性关系。

标志方法：出线端子标志由字母和数字组成,并应清晰牢固地标在出线端子表面或近旁处。

标志内容：大写字母A、B、C 和N 表示一次绕组端子,小写字母a、b、c 和n 表示二次绕组端子。 大写字母A、B 和C 表示全绝缘端子,字母N 表示接地端子,其绝缘性能比其他端子低。 复合字母da 和dn 表示提供剩余电压的绕组端子。 标有同一字母大写或小写的端子,在同一瞬间具有同一极性。

铭牌标志：每台电压互感器的铭牌至少应标出下列内容。

①制造单位名及其所在地的地名或国名(出口产品),以及其他容易识别制造单位的标志、生产序号和日期。

②互感器型号及名称、采用标准的代号、计量许可标志及计量许可批号。

③额定一次电压和额定二次电压(如35/0.1 kV)。

④额定频率(如50 Hz)。

⑤额定输出和其相应的准确级(如50 V·A 1.0 级)。 注：当有两个独立的二次绕组时,其标志应指明每个二次绕组的额定输出范围及其相应的准确级和每一绕组的额定电压。

⑥设备最高电压Um。 注：如果《标准电压》(GB/T 156—2017)中没有规定该电压等级的设备最高电压则可用标称电压Un 替代。

⑦额定绝缘水平。 注：⑤设备最高电压和⑥额定绝缘水平可合并标志如下(如需冠以标题时,则仅用额定绝缘水平)：设备最高电压/额定短时工频耐受电压/额定雷电冲击全波耐受电压,kV;或者设备最高电压/额定操作冲击耐受电压/额定雷电冲击全波耐受电压,kV。

⑧额定电压因数及其相应的额定时间。

⑨绝缘耐热等级(A 级绝缘不必标出)。 注：如果用了多种等级的绝缘材料,应标出限制绕组温升的那一种。

⑩当互感器有多个二次绕组时,应标明每个绕组的性能参数及其相应的端子。

⑪设备种类：户内或户外(设备最高电压为0.415 kV 的互感器可不标出)、温度类别(非正常使用环境温度)、如果互感器允许使用在海拔高于1 000 m 的地区,还应标出其允许使用的最高海拔。

⑫互感器的总质量及油浸式互感器的油质量或气体绝缘互感器的气体质量(总质量低于50 kg 的互感器可不标出)。 图1.29 为JDZ-10 型电压互感器铭牌。

图1.29　JDZ-10 型电压互感器铭牌

3)型号

TV 的型号一般表示如图1.30 所示。

图1.30　电压互感器型号

型号字母是为用汉语拼音字母表示的产品型号,其含义和排列顺序见表1.5。

表1.5　电压互感器型号字母注释表

续表

用变压器油绝缘的电压互感器,不标出表示油绝缘的字母。 例如JDX-110TH 型：单相电压互感器,油浸绝缘,带剩余电压绕组,额定电压110 kV,适用于湿热带地区用。 JDZ6-10型：单相电压互感器,浇注绝缘,第六次改型设计,额定电压10 kV。 JLS-35 型：油浸绝缘,三相组合式互感器,额定电压35 kV(其中L 表示电流互感器。 各自独立的电压互感器与电流互感器装在同一外壳内,称为组合式互感器)。

4)额定电压

额定电压,见表1.6。

表1.6　电压互感器额定电压

续表

额定一次电压：对三相电压互感器和用于单相系统或三相系统线间的单相电压互感器,其额定一次电压应符合《标准电压》(GB/T 156—2017)规定的某一系统电压的标称值。 对于接在三相系统线与地之间或接在系统中性点与地之间的单相电压互感器,其额定一次电压标准值为额定系统标称电压的倍。

额定二次电压：对接在单相系统或接在三相系统线间的单相电压互感器和三相电压互感器,其额定二次电压标准值为100 V。 对接在三相系统中相与地之间的单相电压互感器,当其额定一次电压为某一数值除以3时,其额定二次电压为。

剩余电压绕组的额定电压：剩余电压绕组的额定二次电压为 或100 V。 注：V 只适用于额定电压因数为1.9 的电压互感器,而100 V 只适用于额定电压因数为1.5的电压互感器。

5)准确度等级及误差

测量、计量用电压互感器准确级的标称：测量、计量用电压互感器的准确级,在额定电压和额定负荷下,以该准确级所规定的最大允许电压误差百分数来标称。 测量、计量用单相电磁式电压互感器的标准准确级为0.1、0.2、0.5、1.0。

各标准准确级的电压误差和相位差应不超过表1.7 的规定值。

表1.7　测量、计量用电压互感器误差和相位差限值

续表

注：①频率范围：额定频率;电压范围：80% ～120%额定电压;负荷范围：25% ～100%额定负荷;功率因数：0.8 和1.0(滞后)。
②误差应在电压互感器出线端子间测定,并须包括作为互感器整体一部分的熔断器或电阻器的影响。
③当具有多个分开的二次绕组时,由于它们之间相互影响,应规定各个绕组的输出范围,每一输出范围的上限值应符合标准的额定输出值,每个二次绕组应在规定的范围内符合规定的准确级,此时,其他二次绕组应带有其输出范围上限值的0 ～100%中的任一值。 为验证是否符合要求,可以只在极限值下进行试验。 当未规定输出范围时,即认为每个绕组的输出范围是其额定输出的25% ～100%。 如果某一绕组只有偶然的短时负荷,或仅作为剩余电压绕组使用时,则它对其余绕组的影响可以忽略不计。

保护用电压互感器准确级的标称：所有保护用的电压互感器,除剩余绕组外,应给出相应的测量准确级和保护准确级。 保护用电压互感器的准确级,是以该准确级在5%额定电压到与额定电压因数相对应的电压范围内的最大允许电压误差百分数标称,其后标以字母P。

标准准确级：保护用电压互感器的标准准确级为3P 和6P。

电压误差和相位差限值：在规定条件下,电压互感器标准准确级相对应的电压误差和相位差限值应不超过表1.8 的规定值。

表1.8　保护用电压互感器的电压误差和相位差限值

注：①当互感器在额定频率及5%额定电压和额定电压乘以额定电压因数(1.2、1.5 或1.9)的电压下,负荷为25% ～100%额定负荷和功率因数为0.8(滞后)时,其电压误差和相位误差限值不应超过表1.7 的规定值。
②当互感器在额定频率及2%额定电压下,负荷为25% ～100%额定负荷和功率因数为0.8(滞后)时,其电压误差和相位误差限值不应超过表1.7 的规定值的2 倍。
③当具两个独立的二次绕组时,由于它们之间相互影响,应规定各个绕组的输出范围,每一输出范围的上限值应符合标准的额定输出值,每个二次绕组应在规定的范围内符合规定的准确级,此时,另一绕组应带有其输出范围上限值的0 ～100%中的任一值。 为验证是否符合要求,可以只在极限值下进行试验。 当未规定输出范围时,即认为每个绕组的输出范围是其额定输出的25% ～100%。

6)选型要求

①对电压互感器配置和二次绕组特性参数的基本要求：

a.电压互感器二次绕组特性参数应满足继电保护、自动装置、测量仪表及计量装置的要求。

b.当电压互感器同时向继电保护、测量仪表和计量装置提供电压量时,一般应设置单独的保护绕组、测量绕组和计量用绕组。

②对电压互感器二次绕组数量与准确级组合的要求：

a.对接于三相系统相与地间的单相电压互感器,且需要同时向保护、自动装置、测量仪表和计量装置提供电压量时,一般应具有3 个二次绕组和1 个剩余电压绕组。 其准确级组合应为0.2、0.5、3P 或6P 的任意组合方式。

b.对接于三相系统相间的单相电压互感器,一般应具有两个二次绕组,其准确级组合应为0.2、0.5、3P 和6P 的任意组合方式。

c.对接于三相系统相与地间或相间的计量专用电压互感器,一般应具有准确级组合为0.2/0.5 或0.5/0.5 的两个二次绕组。

d.对接于低压单相系统的电压互感器,一般只需要一个二次绕组,必要时可再附加剩余绕组。(www.xing528.com)

③对测量和计量用电压互感器的要求：

测量用电压互感器的准确级通常采用0.5 级;用于电能计量的计量专用电压互感器的准确级一般不低于0.2 级。

④对电压互感器干弧距离的要求：

220 kV 电压等级电压互感器的干弧距离宜不小于2 m,330 kV 的宜不小于2.7 m,500 kV 的宜不小于4 m。

(3)电磁式电压互感器的工作原理

电磁式电压互感器的工作原理相当于降压变压器的工作原理。 其一次绕组与被测高电压两端并联,二次绕组与测量仪表的电压线圈并联。 与电力变压器的主要区别在于：其一,两者容量不同;其二,电压互感器的二次负荷阻抗很大,因此电压互感器相当于开路运行的变压器。

式中KU =N1/N2 称为电压互感器的变比(也是额定电压变比)。 这就表明当用电压表测出二次电压U2 再乘以变比KU 时,就能得到一次电压U1 的量值。

一次绕组外接电压为,通过电磁感应在二次绕组两端产生感应电压,理论推得：

图1.31　单相电压互感器的标志和极性

(4)电压互感器的极性

目前,我国的电压互感器一般采用减极性。 如图1.31 所示,如果从电压互感器一次绕组的一个端子与二次绕组的一个端子观察,电流的瞬时方向是相反的,也就是一次电流瞬时流入电压互感器时,二次电流瞬时从电压互感器流出,这样的极性关系称为减极性。 凡符合减极性的电压互感器,其相对应的一、二次侧端钮为同极性端。

单相电压互感器的一次侧首端标为U1(或A)、末端标为U2(或B),二次侧首端标为u1(或a)、末端标为u2(或b)。

三相电压互感器,一次侧以大写字U、V、W、N 作为各相标志,二次侧以小写字母u、v、w、n 标明相应的各相,如图1.32 所示。 当具有多个二次绕组时,除剩余电压绕组外,分别在各个二次绕组的出线端标志前加注数字,如1u、1v、1w、1n、2u、2v、2w、2n 等,剩余电压绕组标为du、dn。

图1.32　三相电压互感器的标志

(5)电压互感器的接线方式

①V/v 接法。 如图1.33(a)所示,V/v 接法广泛应用于中性点不接地或经消弧线圈接地的35 kV 及以下的高压三相系统,特别是10 kV 的三相系统。 因为它既能节省一台电压互感器又可满足三相有功、无功电能表和三相功率表所需的线电压。 仪表电压线圈一般是接于二次侧的u、v 间和w、v 间。 这种接法的缺点：不能测量相电压;不能接入监视系统绝缘状况的电压表;总输出容量仅为两台容量之和的3/2 倍。

②Y/ Y0接法。 如图1.34 所示,Y/ Y0接法可用1 台三铁芯柱三相电压互感器,也可用3 台单相电压互感器构成三相电压互感器组。 此种接法多用于小电流接地的高压三相系统,一般是将二次侧中性线引出,接成Y/ Y0接法。 此种接法的缺点：当二次负载不平衡时,可能引起较大的误差;防止高压侧单相接地故障,高压中性点不允许接地,故不能测量对地电压。

③Y0/ Y0接法。 当Y0/ Y0接法用于大电流接地系统时,多采用3 台单相电压互感器构成三相电压互感器组,如图1.35 所示。 此种接法的优点：由于高压中性点接地,故可降低绝缘水平,使成本下降;电压互感器绕组是接相电压设计的,故既可测量线电压,又可测量相电压。 此外,二次侧增设的开口三角形接地的辅助绕组,可构成零序电压过滤器供继电保护等用。

图1.33　电压互感器的V/v 接法

图1.34　Y/ Y0接线方法

图1.35　Y0/ Y0接线方法

当Y0/ Y0接法用于小电流接地系统时,多采用三相五柱式电压互感器,如图1.36 所示。 此种接法一、二次侧均有中性线引出,故既可测量线电压,又可测量相电压。另外,二次侧开口三角的剩余电压绕组可供监视绝缘用。

(6)使用电压互感器的注意事项

对一般的电压互感器(包括电磁式和电容式),使用中的通用安全要求有：

①电压互感器的额定电压、变比、额定容量、准确度等应选择适当,否则测量结果将不准确。

图1.36　三相五柱式Y0/ Y0接线方法

②用前应进行检查。 在投入使用前应按规程规定的项目进行检定与检查,如准确度试验、核对相序、测定极性和检查连接组别等。

③二次侧应设保护接地。 为防止电压互感器一、二次之间绝缘击穿,高电压窜入低压侧造成人员伤亡或设备损坏,电压互感器二次侧必须可靠接地。

④运行中二次绕组不允许短路。 由于电压互感器内阻很小,正常运行时二次侧相当于开路,电流很小。 当二次短路时,内阻抗接近于零,二次电流急剧增大,相应一次电流会增加很多,且铁芯严重饱和,从而造成电压互感器损坏,严重时会造成一次绝缘破坏,一次绕组造成短路,影响电力系统的安全运行。

(7)电压互感器二次压降的产生及影响

由电压互感器二次侧到电能表端子之间二次回路线路的电压降称电压互感器二次压降。 因为电压互感器二次连接导线上有电阻,当二次电流通过二次连线时,在该二次连线的电阻上会产生压降。 这使得加在电能表两端的电压小于电压互感器二次绕组出线端的端电压,从而产生负误差,少计电量。

从图1.37 可知,二次连线电阻上的压降为

图1.37　单相电压互感器二次连线电阻压降

电压互感器二次压降问题是电力企业普遍存在的问题,不仅影响电力系统运行质量,还直接导致电能计量装置产生附加误差。

影响二次回路压降的因素较多,主要有二次熔断器、隔离刀闸辅助接点、二次回路中的二次电缆及电缆接头、电压互感器电压回路终端负载过大、高供高计中采用三相四线计量方式时N 线在电压互感器本体处和电能表屏处分开接地。

因此用于计量的电压互感器二次回路应独立,只能并接有功、无功电能表的电压线圈,不允许再并接其他监视仪表和继电保护装置的电压线圈,以保证电压互感器二次阻抗较大(电压线圈并得越多,总并联阻抗越小),限制的大小。 规程还规定二次连接导线不能太长,须用截面积不小于2.5 mm2 的单芯铜线作为二次连线,以限制电阻r 不至于太大,最终达到使ΔU· 尽可能小的目的。 减小的措施有两种：一种是缩短TV 与表计的距离;另一种是增大二次导线截面积。

《电能计量装置技术管理规程》(DL/T 448—2016)规定：“Ⅰ、Ⅱ类用于贸易结算的电能计量装置中的电压互感器二次回路压降应不大于其额定二次电压的0.2%;其他电能计量装置中的电压互感器二次回路压降应不大于其额定二次电压的0.5%。”

(8)拓展知识(其他互感器介绍)

1)组合互感器

由电磁式电压互感器和电磁式电流互感器组合,并形成一体的互感器称为组合式互感器。 它包括两台测量U、W 相电流的电流互感器和两台相-相接线的单相电压互感器组成的两相式V/v 接线,测量三相线电压的电压互感器。 用于6 ～35 kV 三相三线制的电能计量箱。 图1.38 为组合互感器的外形图和接线图。

图1.38　组合互感器

组合互感器有户外使用的油浸式和户内使用的环氧树脂浇注式两种。

2)电容式电压互感器

电容式电压互感器在我国110 kV 及以上电压系统中得到广泛应用。 这是因为电容式电压互感器具有以下特点：

①除具有电磁式电压互感器的全部功能外,还可同时兼作载波通信的耦合电容器之用。

②其耐雷电冲击性能(冲击绝缘强度)比电磁式电压互感器优越,对一次电气主设备有一定的保护作用。

③没有电磁式电压互感器与断路器断口电容的串联铁磁谐振问题。

④体积小、质量小,价格比较便宜,且电压等级越高价格优势越明显。

电容式电压互感器的工作原理：电容式电压互感器是利用串联电容分压的特性将高压降为所需要测量的低压。如图1.39 所示,当a、b 右侧开路时,由串联电容的分压公式可得分压UC2与总电压U1 的关系：

图1.39　串联电容的分压原理

中压互感器的作用是隔离测量仪表与电容分压器,减少分压器的输出电流,以减少误差。 rd 为阻尼电阻,在TV 副边单独设一只线圈,接入阻尼电阻rd,用以抑制铁磁谐振过电压。 CK 为补偿电容,用来补偿电磁式电压互感器TV 的激磁电流和二次负荷电流的无功分量,也能减小测量装置的误差。 P1 为放电间隙,用以保护TV 的原绕组和补偿电抗器L,防止受二次侧短路而产生过电压所造成的损坏。

图1.40　电容式电压互感器原理接线图

图1.41　电容分压等效电路

3)电子式电流互感器

随着电力系统电压等级的不断提高以及电网的扩大,传统电磁式电流互感器面临的超高压绝缘问题日益突出,况且电磁式电流互感器固有的体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、使用频带窄等问题,已难以满足电力系统发展的要求,研制更理想的互感器已得到广泛重视,因此高性能的电子式电流互感器应运而生。

电子式电流互感器利用一次母线穿过空心线圈(Rogoski)对被测一次电流信号进行采样,空芯线圈输出的感应电压与一次电流的变化率成正比,这个信号再经过A/D 转换装置转换为数字信号,并进行运算,换算出与一次电流成正比的量。 为了降低电流互感器对绝缘的要求,高压端到低压端的信号传输利用光纤来承担,因此必须先利用电光转换将电信号转换成光信号并由光纤传输到低压端。 在低压端的信号处理部分首先是将光信号还原为电信号,然后通过D/A 转换装置将数字信号转换为模拟信号,最后对模拟信号进行处理,具体如图1.42 所示。 光纤具有良好的绝缘性能,利用光纤作为高压端和低压端的信号传输媒介,具有绝缘简单、造价低、技术成熟等优点,而且不易受干扰,传输距离远。 Rogoski 线圈是一种特殊结构的空心线圈,相当于电流传感器,测量准确度高、测量方位大、通频带宽、无剩磁、制作成本低。

图1.42　电子式电流互感器原理图

【思考与练习】

1.电压互感器的作用主要体现在哪些方面?

2.简要说明选择及使用电压互感器的注意事项。

3.联合接线盒的作用是什么? 高压电能计量装置中是否可以不用联合接线盒? 为什么?