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1.3 电压互感器

测量与电力传输和分配系统相关的高电压和电流并非易事，因此通常使用仪表互感器将这些值降低到更安全的水平以进行测量。这是因为测量仪表或仪器和保护继电器是低电压设备，因此不能直接连接到高电压电路以进行测量和系统保护。

除了降低电压和电流水平外，这些互感器还将测量或保护电路与运行在高功率水平的主电路隔离。

电流互感器将电流水平降低到仪表或继电器的工作范围内，而电压互感器将高电压转换为低电压电路。本文将详细介绍电压互感器。

什么是电压互感器？​

电压互感器是一种降压变压器，用于将高电压电路的电压降低到较低水平以进行测量。这些互感器并联连接到需要监控的线路。

其基本工作原理和结构与标准电力变压器相似。通常，电压互感器缩写为PT。

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初级绕组包含大量匝数，连接到高电压侧或需要测量或保护的线路。次级绕组匝数较少，连接到电压表、功率表和电能表的电位线圈、继电器和其他控制设备。这些可以是单相或三相电压互感器。无论初级电压等级如何，这些互感器设计的次级输出电压为110伏。

由于电压表和其他仪表的电位线圈具有高阻抗，因此PT次级中有小电流流过。因此，PT作为一个普通的两绕组变压器在空载下运行。由于PT上的低负载（或负载），PT的视在功率等级较低，通常在50到200伏安之间。在次级侧，一端接地以确保安全，如图所示。

与普通变压器类似，变比规定为：

V1V2=N1N2\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2}

从上述公式可知，如果已知电压表读数和变比，则可以确定高电压侧的电压。

结构​

与传统变压器相比，电压互感器（PT）使用更大的导线尺寸和铁芯。PT的设计旨在确保更高的精度，因此在设计时材料的经济性不是主要考虑因素。

PT使用特殊高质量铁芯，运行在较低的磁通密度下，以减少励磁电流，从而最小化空载损耗。PT可以是芯式或壳式结构。对于高电压，使用芯式PT，而对于低电压则更倾向于使用壳式PT。

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为了减少漏抗，初级和次级绕组都使用同轴绕组。为了降低绝缘成本，低压次级绕组放置在靠近铁芯的位置。对于高压PT，高压初级绕组被分成多个线圈段，以减少线圈层之间的绝缘。这些绕组使用涂漆的棉布和棉带作为叠片。在线圈之间，使用硬纤维隔板。

这些设计旨在将输入和输出电压之间的相位偏移降至最低，并在负载变化时保持最小的电压比。油浸式PT用于高电压水平（高于7千伏）。在这种PT中，提供油浸式套管以连接主线路。

电压或电压互感器的类型​

主要分为户外和户内电压互感器。

  1. 户外电压互感器 这些可以是单相或三相电压互感器，适用于不同范围的操作电压，用于户外继电和计量应用。33千伏及以下，这些是电磁型单相和三相电压互感器。33千伏以上，单相户外电压互感器可以是两种类型：电磁型和电容式电压互感器（CVT）。

    • 电磁型或绕组式传统电压互感器 这些类似于传统的油浸式绕组变压器。下图显示了电磁型PT，其中抽头油箱连接到线路端子。油箱上提供了一个插头以填充油，并且该油箱安装在绝缘支撑上。

      在底部，提供接地端子和油排放插头。在这种情况下，初级连接在两相之间或一相与地之间。因此，初级的一端连接到顶部的主线路，另一端在底部引出并与其他接地端子一起接地。

      包括接地端子在内的次级端子位于底部的端子箱中，进一步连接到计量和继电器电路。由于绝缘方面的考虑，这些用于132千伏及以下的操作电压。

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  • 电容式电压互感器（CVT） 这是一种电容式电压分压器，连接在主线路的相与地之间。这些可以是耦合电容器型或套管型CVT。这两种类型在电气上或多或少相似，但区别在于电容的形成，这进一步决定了它们的额定负载（或负载）。

    耦合电容器型由一系列串联连接的电容器组成，这些电容器由油浸纸和铝箔制成。为了获得所需的初级和次级电压，初级和次级端子连接在电容器上。

    套管型CVT使用带有抽头的电容器套管。CVT也用于电力线载波通信，因此更具经济性。

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  1. 户内电压互感器 这些也以单相或三相PT的形式提供，为成型、磁性类型。安装机制可以是固定式或抽出式。在这种类型的PT中，初级绕组的所有部分在其额定绝缘容量下与地面绝缘。这些设计用于在户内服务中以高精度操作继电器、测量仪表和其他控制设备。

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    根据功能分类PT或电压互感器分为计量电压互感器和保护电压互感器。

电压互感器的误差​

对于理想的电压互感器，次级绕组中产生的电压与初级电压成正比，并且完全相位相反。但在实际PT中并非如此，这是由于初级和次级电阻中的电压降以及次级负载的功率因数。这导致电压互感器出现比值和相位角误差。让我们详细了解。

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考虑上述电压互感器的相量图：

其中，

  • I0I_0 = 空载电流
  • ImI_m = 空载电流的励磁分量
  • IuI_u = 空载电流的有功分量
  • EsE_s 和 EpE_p = 次级和初级绕组中感应的电压
  • NpN_p 和 NsN_s = 初级和次级绕组的匝数
  • IpI_p 和 IsI_s = 初级电流和次级电流
  • RpR_p 和 RsR_s = 初级和次级绕组的电阻
  • XpX_p 和 XsX_s = 初级和次级绕组的电抗
  • β\beta = 相位角误差

初级感应电压或电动势 EpE_p 是通过从初级电压 VpV_p 中减去初级电阻性（IpRpI_p R_p）和电抗性（IpXpI_p X_p）电压降得到的。同样，次级端电压 VsV_s 是通过从次级感应电动势 EsE_s 中减去次级绕组电阻电压降（IsRsI_s R_s）和电抗电压降（IsXsI_s X_s）向量得到的。由于这些电压降，电位互感器的实际变比与额定变比不相等，从而引入了变比误差。

变比误差

电位互感器的变比误差定义为实际变比与额定变比之间的变化。

百分比变比误差=(Kn−R)R×100\text{百分比变比误差} = \frac{(K_n - R)}{R} \times 100

其中，

  • KnK_n 是额定或标称变比，其计算公式为：
Kn=额定初级电压额定次级电压K_n = \frac{\text{额定初级电压}}{\text{额定次级电压}}

相位角误差

在理想PT中，初级电压和反向次级电压之间不应存在相位差。但在实际中，存在 VpV_p 和 VsV_s 反向（如上图所示）之间的相位差，从而引入相位角误差。其定义为初级电压和反向次级电压之间的相位差。

为了减少这些误差，提高精度，设计变压器时应使绕组具有适当的内部电阻和电抗值。此外，铁芯应具有最小的励磁和铁损分量的激磁电流。

电压互感器的应用​

  • 电气计量系统
  • 电气保护系统
  • 输电线路的距离保护
  • 发电机与电网的同步
  • 发电机的阻抗保护

用于计量的电压互感器称为测量电压互感器或电位互感器。另一方面，用于保护的PT称为保护电压互感器。在某些情况下，PT既用于计量又用于保护，这种情况下，一个次级绕组连接到计量设备，另一个次级绕组用于保护。