電壓互感器的原理及結構

1、電壓互感器一 電磁式電壓互感器的原理及結構1電壓互感器的工作原理與技術特性 電壓互感器的構造、原理和接線都與電力變壓器相同，差別在于電壓互感器的容量小，通常只有幾十或幾百VA，二次負荷為儀表和繼電器的電壓線圈，基本上是恒定高阻抗。其工作狀態(tài)接近電力變壓器的空載運行。 電壓互感器的高壓繞組，并聯(lián)在系統(tǒng)一次電路中，二次電壓U2與一次電壓成比例，反映了一次電壓的數(shù)值。一次額定電壓UIN，多與電網(wǎng)的額定電壓相同，二次額定電壓U2N，一般為100V、100/V、100/3V。 電壓互感器的一、二次繞組額定電壓之比，稱為電壓互感器的額定變比KN，則 KN= （2-1-1)式中 N1、N2電壓互感器原、副繞

2、組的匝數(shù)。 由式（2-1-1）知，若已知二次電壓U2的數(shù)值，便能計算出一次電壓U1的近似值，為 U1=kNU2 由于電壓互感器的原繞組是并聯(lián)在一次電路中，與電力變壓器一樣，二次側不能短路，否則會產生很大的短路電流，燒毀電壓互感器。同樣，為了防止高、低壓繞組絕緣擊穿時，高電壓竄入二次回路造成危害，必須將電壓互感器的二次繞組、鐵心及外殼接地。2電壓互感器的誤差及準確度等級 與電流互感器類似，電壓互感器的誤差也分為電壓誤差和角誤差。（一） 電壓誤差U 是二次電壓的測量值U2乘以額定變比KN（即一次電壓的測量值）與一次電壓的實際值U1之差，并以一次電壓實際值的百分數(shù)表示，即 U=100% （2-1）（

3、二） 角誤差折算到一次側的二次電壓U2，逆時針方向轉1800與一次電壓U1之間的夾，并規(guī)定當-U2超前U1時，角為正值，反之，角為負值。（三） 影響誤差的因素電壓互感器的誤差與其工作情況的關系，可由電壓互感器根據(jù)T形等值電路所作的向量圖加以說明，如圖2-1所示，其中二次側各量均折算到一次側，二次部分各相量省略未畫，為了使相量顯得清楚，放大了各阻抗壓降部分的比例，并畫出一條角誤差的座標軸線（一）（+）。從圖中看出：OA為一次電壓相量U1，是以下三部分電壓的相量和：（1） 反方向的二次電壓向量即- U2。（2） 勵磁電流（空載電流）IO在一次 繞組 的漏阻抗上的壓降，即IO（R1+jX1）。（3）

4、 反方向的二次電流向量在原、副 繞組 漏阻抗的電壓降之和，即 -I 2R1+R2+j(X1+X 2)從相量圖中可以看出，影響電壓互感器誤差的因素有：（1） 原、副繞組的電阻R1、R2和漏抗X1、X 2。（2） 空載電流IO。（3） 二次負載電流的大小I2及其功率 因數(shù)COS2。 圖2-1 電壓互感器的相量圖 前兩個因素與制造有關，第三因素決定于工作條件，即與二次負載有關。當二次電流增大功功率因素COS2降低時，誤差也就增大。（四）電壓互感器的準確度等級 電壓互感器根據(jù)誤差的不同，劃分為不同的準確度等級。我國電壓互感器的準確度分為四級，即0.2級、0.5級、1級、3級，每種準確度等級的誤差限值見

5、表2-1。 電壓互感器的每個準確度等級，都規(guī)定有對應的二次負荷的額定容量S2N（VA）。當實際的二次負荷超過了規(guī)定的額定容量時，電壓互感器的準確度等級就要降低。要使電壓互感器能在選定的準確度等級下工作，二次所接負荷的總容量S2必須小于該準確度等級所規(guī)定的額定容量S2N。電壓互感器準確等級與對應的額定容量，可從有關電壓互感器技術數(shù)據(jù)中查取。表2-1電壓互感器的準確等級和誤差限值準確度等級最 大 容 許 誤 差一次電壓和二次負荷電壓誤差（%）角誤差（分）0.20.210電壓：（0.851.15）一次額定電壓0.50.530負荷：（0.251）互感器額定容量1140功率因數(shù)：COS2=0.833不規(guī)

6、定3 電壓互感器的類型及基本結構 電壓互感器種類較多，按繞組數(shù)分為雙繞組和三繞組兩種，三繞組電壓互感器除了一、二次繞組外還有一組（個）輔助二次繞組供絕緣監(jiān)測及零序回路。按相數(shù)分為單相和三相式，額定電壓35kV及以上的電壓互感器均制造為單相式。按安裝地點分為戶內和戶外式，35kV及以下多制成戶內式。按絕緣及冷卻方式可分為干式、澆注式，油浸式和充氣式，干式（浸絕緣膠）結構簡單、無著火爆炸危險，但絕緣強度較低，只適用于6kV以下的戶內裝置；澆注式結構緊湊、維護方便，適用于335kV戶內配電裝置；油浸式絕緣性能好，可用于10kV以上的戶內外配電裝置；充氣式用于SF6全封閉組合電器中。此外還有電容式電壓

7、互感器。（1）JDZJ10型電壓互感器 JDZJ-10型電壓互感器為環(huán)氧樹脂澆鑄絕緣，外形結構如圖2-2所示。這種電壓互感器為單相三繞組，環(huán)氧樹脂澆注絕緣的戶內型互感器?？捎萌齻€電壓互感器組成三個YN/yn/d 接線，供中性點不接地系統(tǒng)的電壓、電能測量及接地保護之用，可取代老型號的JSJW型三相五柱電壓互感器。1一次出線 2套管 3主絕緣 4鐵心 5二次出線 圖2-2（2）JDJ-10型電壓互感器 JDJ-10型電壓互感器為單相油浸式電壓互感器，結構如圖2-3所示。鐵心和線圈裝在充滿變壓器油的油箱內，線圈出線通過固定在箱蓋上的套管引出。用于戶外配電裝置。 1鐵心 2線圈 3一次出線4二次出線

8、圖2-3（3）JSJW-10型電壓互感器 JSJW-10型電壓互感器為三相五柱式電壓互感器，其外形及鐵芯、繞組接線，如圖2-4所示。繞組分別繞在中間在個鐵心上，兩側有兩個輔助鐵芯柱，作為單相接地時的零序磁通通道，使原繞組的零序阻抗增大，從而大大限制了單相接地時通過互感器的零序電流，而不致危害互感器。每個鐵心柱均繞有三個繞組，一次繞組接成星形并引出中線，因此在油箱蓋上有四個高壓瓷瓶端子。每相有兩個二次繞組，一組為基本繞組接成星形，中性點也引出，接線端子為a、b、c、o；另一組為輔助繞組接成開口三角形，引出兩個接線端子a1、x1。廣泛用于小接地電流系統(tǒng)，作為測量相、線電壓和絕緣監(jiān)察之用。圖2-4（

9、4）JCC-110型電壓互感器JCC-110型電壓互感器是采用串級式結構，參數(shù)相同的原繞組線圈單元分別套在鐵心上下兩柱上，串接在相線和地之間，兩個線圈單元的連接點與鐵心連接在瓷箱內，鐵心與底座絕緣。瓷箱兼作油箱和出線套管，減輕了重量和體積，如圖2-5所示。由于每個單元參數(shù)相同，電壓在各個單元上均勻分布，所以，每一級只處在該裝置這一部分電壓之下。鐵心和線圈采用分級絕緣，因此，可大量節(jié)約絕緣材料。 在中性點直接接地系統(tǒng)中，每個線圈單元上的電壓與相電壓Uxg成正比，最末一個與地連接的線圈單元具有副繞組，因而能成 比例地反映系統(tǒng)相電壓Uxg的變化。 當副繞組開路時，由于鐵芯中的磁通相等，使電壓在各單元

10、線圈上分布均勻，如圖2-6（a）所示，每一線圈單元與鐵芯的電位差只有Uxg/2。但鐵芯與外殼之間存在Uxg/2 的電位差，所以必須絕緣。由于瓷外殼是絕緣的，且絕緣的最大計算電壓不超過Uxg/2，所以容易做到，而普通結構的互感器，必須按全電壓Uxg設計絕緣。當副繞組接通負荷后，由于副繞組電流產生去磁磁勢，產生漏磁通，使上、下鐵芯柱內的磁通不相等，破壞了電壓在各線圈單 元的均勻分布，使準確度降低。為了避免這 種現(xiàn)象，在兩單元的鐵芯上加裝繞向和匝數(shù) 相同的平衡繞組，并作反極性連接，如圖2-6 所示。當兩單元鐵心內的磁通不相等時，平衡繞組中將產生環(huán)流，如圖中箭頭所指方向，使上鐵心柱去磁，使下鐵芯柱增磁

11、，達到上、下鐵心內的磁通基本相等，從而使各線圈單元的電壓分布較均勻，提高了準確度。 圖2-5 JCC-110型電壓互感器結構圖 1油擴張器；2瓷外殼；3上柱繞組；4鐵心 5下柱繞組；6支撐電木板；7底座 圖2-6 110千伏串級式電壓互感器的原理接線圖 （a）原理圖；（b） 繞組的連接 1鐵芯；2一次繞組；3平衡繞組；4二次繞組JCC-110型電壓互感器有兩個副繞組，基本二次繞組的電壓為100/V；輔助二次繞組的電壓為100V。這種電壓互感器的缺點，是準確較低，其誤差隨串級元件數(shù)目的增加而加大。國產的JCC型電壓互感器的準確度為1級和3級。220kV的串級式電壓互感器，有兩個 口字形鐵心，由四

12、個線圈單元串聯(lián)組成，除下鐵心裝有平衡線圈外，在兩個鐵心的相鄰鐵心柱上，還設有連耦線圈，其作用與平衡線圈相似。二 電容式電壓互感器電容式電壓互感器(CVT)成為電力系統(tǒng)高壓遠距離輸電技術發(fā)展的必然產物,其與傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器相比具有四個特點:絕緣性能較好,耐壓水平高,不會與斷路器斷口電容產生鐵磁諧振;電壓等級越高,其相對成本越低,節(jié)省設備投資;可兼作載波通訊使用;由于是電容型設備,實現(xiàn)絕緣在線監(jiān)測更加容易。CVT在220kV及以上電網(wǎng)中應用較為廣泛。大慶油田電網(wǎng)由于輸電等級較低,為110kV及以下,目前僅在油田熱電廠及宏偉電廠采用了110kV電容式電壓互感器,現(xiàn)將大慶油田電力集團宏偉電廠電氣

13、分廠9516、9517兩條線路的CVT測試經驗加以分析。對于220kV及以上的CVT,只是增加了上節(jié)分壓電容器,并對分壓電容器單獨進行介損正接線試驗,與傳統(tǒng)方法無異。1.CVT結構特點及工作原理 。（以TYD110/-0.01H型電容式電壓互感器為例）其由電容分壓器和電磁單元兩個獨立的元件組成,電容分壓器的中壓端子和接地端子穿過密封的油箱箱蓋引入到油箱中分別與電磁單元的高壓端子(A)和二次接線板的接地端子(N)相連。載波裝置、保護球極(N-E間)在二次接線盒內,當電容式電壓互感器作載波使用時,需將N-E間連接片斷開;如果不做載波用則須將N-E用連接片短接。電磁單元的油箱內裝有中間變壓器和補償電

14、抗器、阻尼器、保護補償電抗器的低壓避雷器,并充有變壓器油。中間變壓器高壓繞組與補償電抗器串聯(lián)。電磁單元的二次繞組端子及接地端子均由二次接線盒引出。其結構接線圖中主要元件為電容(C1、C2),補償電抗器,中間電磁式電壓互感器TV及阻尼器等。CVT工作原理采用電容分壓原理。U1為電網(wǎng)電壓;Z2表示儀表、繼電器等電壓線圈負荷。U2=UC2=U1=KUU1, 式中:KU= 為分壓比,Zi= 互感器帶負荷Z2后,其內阻抗(利用等效電源原理,將電容分壓原理轉化成電容式電壓互感器等值電路),當有負荷電流流過時,在內阻抗上將產生電壓降。使U2與U1, 不僅在數(shù)值上而且在相位上有誤差,負荷越大,誤差越大。要獲得

15、一定的準確級,必須增大電容量,這是很不經濟的。合理的解決措施是在電路中串聯(lián)一電感,即補償電抗器。電感應按產生串聯(lián)諧振的條件選擇L。由于電容式電壓互感器含有電容元件及多個非線形電感元件(如補償電抗器和中間變壓器等),在系統(tǒng)合閘操作或短路故障產生的瞬態(tài)過程中,由于非線形電感元件的鐵心飽和激發(fā)穩(wěn)定的次諧波諧振,使得在補償電抗及中間變壓器上產生過電壓,最終導致補償電抗器和中間變壓器繞組擊穿損壞。為抑制CVT內部鐵磁諧振,在互感器二次繞組上并聯(lián)阻尼裝置。為保護補償電抗器及加大抑制諧振作用,在其兩端并聯(lián)氧化鋅(ZnO)避雷器。 2.CVT的電容量及介損試驗方法 C1、C2的測試:考慮到現(xiàn)場正在施工安裝,而

16、相鄰的線路還在帶電運行,有較大的電磁場干擾,因此決定采用自激法。自激法的測量原理為在二次端子如1a-1n處施加一個小電壓,在中間變壓器一次側產生高壓作為試驗電壓來進行測試。試驗電壓整定為不超過3kV,對二次接線端子盒內接線柱不會造成損害。使用的儀器是山東泛華生產的AI6000E變頻介損測試儀,該儀器將電橋、試驗變壓器、標準電容器整合在一起,簡單、輕便。且在現(xiàn)場測試過程中分別輸出45Hz和55Hz的試驗電壓,能有效屏蔽試驗電源諧波干擾和外界強電場干擾,因此測試精度較高。設備接線:測試前二次接線盒內N-E間連接片必須斷開,將CVT測試線接入N端子,Cx線接入A點。加壓后,高壓由A進入,則C1與C2

17、可分別做為電橋的一個橋臂由CVT測試線和Cx線引入電橋,從而實現(xiàn)其內部兩個電容的檢測。CVT測試線是一根專用的絕緣屏蔽線,是經過出廠校準的,不可以用其它線替代,測試中可直接放置地上,可為試驗帶來很大便利。現(xiàn)場接好試驗接線后,介損儀可以在一個加壓試驗過程中,先測量C1然后自動倒線測量C2,試驗結束后統(tǒng)一給出C1與C2的測量結果,這也大大的縮短了試驗時間?，F(xiàn)場試驗結果:9516CVT測試:C1中C1(PF)、tg(%)出廠報告分別為14701、0.05;現(xiàn)場測試為14720、0.11。C2中C2(PF)、tg(%)出廠報告分別為33742、0.05;現(xiàn)場測試為33760、0.18。9517CVT 測試:C1中C1(PF)、tg(%)出廠報告分別為14399、0.05;現(xiàn)場測試為14390、0.10。C2中C2(PF)、tg(%)出廠報告分別為33254、0.05;現(xiàn)場測試為33270、0.12。試驗表明,電容量的測量值幾乎與出廠值相同,介損值比出廠值稍稍偏大。經分析認為,兩者試驗方法不同,出廠試驗是在電容未組裝以前進行的,是對電容單獨采用正接線試驗,而現(xiàn)場試驗是對整體CVT的測試,附帶了電磁單元部分,因此造成介損值稍大?，F(xiàn)