眾所周知，測量與輸配電系統(tǒng)相關(guān)的高電壓和電流并不是一種簡單的方法，因此通常使用互感器將這些值降低到更安全的水平再進(jìn)行測量。這是因?yàn)闇y量儀表和保護(hù)繼電器是低壓設(shè)備，因此它們不能直接連接到高壓電路中來達(dá)到測量和保護(hù)系統(tǒng)的目的。

除了降低電壓和電流水平之外，這些互感器還將測量或保護(hù)電路與在高功率水平運(yùn)行的主電路隔離開來。其中，電流互感器降低了測量儀器或繼電器工作范圍內(nèi)的電流水平，而電壓互感器則是將高壓轉(zhuǎn)換為工作低壓的電路。在本文中，將簡單介紹下電壓互感器的作用、原理、類型及誤差計(jì)算等相關(guān)內(nèi)容。

基本概念

電壓互感器是一種降壓變壓器，可將高壓電路的電壓降低到較低水平，以達(dá)到測量的目的。它們跨接或平行于要監(jiān)控的線路。這種變壓器的基本工作原理和結(jié)構(gòu)類似于標(biāo)準(zhǔn)電力變壓器。通常情況下，電壓互感器縮寫為PT，其符合及基本電路圖如下所示：

在上圖中，初級繞組由大量匝組成，這些匝連接在高壓側(cè)或必須進(jìn)行測量或保護(hù)的線路上。次級繞組的匝數(shù)較少，連接到電壓表或瓦特表和電能表、繼電器和其它控制設(shè)備的電位線圈上面。這些可以是單相或三相電壓互感器。無論初級電壓額定值如何，這些都設(shè)計(jì)為具有110V的次級輸出電壓。

由于電壓表、電位線圈以及其它測量儀表具有高阻抗，因此有很小的電流流過電壓互感器的次級繞組。因此，電壓互感器表現(xiàn)為普通的空載兩繞組變壓器。另外，由于電壓互感器上的這種低負(fù)載，導(dǎo)致其VA額定值很低，一般在50到200VA的范圍內(nèi)。而在二次側(cè)，不能表現(xiàn)為開路或短路，否則會(huì)燒毀繞組的線圈，因此出于安全原因，一端需要接地。

與普通變壓器類似，電壓互感器的變比被指定為：V1/V2 = N1/N2。

由上式可知，如果電壓表讀數(shù)和變比已知，則可以確定高壓側(cè)電壓。

結(jié)構(gòu)尺寸

與傳統(tǒng)變壓器相比，電壓互感器使用更大的導(dǎo)體尺寸和磁芯。為確保更高的精度而設(shè)計(jì)電壓互感器，因此在設(shè)計(jì)材料的經(jīng)濟(jì)性方面不被視為主要因素。

電壓互感器由特殊的高質(zhì)量磁芯制成，磁芯在較低的磁通密度下運(yùn)行，并且具有較小的磁化電流，從而將無負(fù)載損耗降至最低。核型和殼型結(jié)構(gòu)都是電壓互感器的首選。對于高電壓，使用核心型，而對于低電壓，首選殼型。

為了降低漏抗，同軸繞組用于初級和次級。為了降低絕緣成本，低壓次級繞組靠近鐵芯放置。而對于高壓電壓互感器，高壓初級被分成多個(gè)線圈段，以減少線圈層之間的絕緣(Insulation)。對于這些繞組，浸油亞麻布和棉帶用作疊片，而在線圈之間，使用硬纖維隔板。

這些結(jié)構(gòu)都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以使輸入和輸出電壓之間的相移最小，并且隨著負(fù)載的變化保持最小的電壓比。充油電壓互感器用于高電壓等級(7KV以上范圍)。在這種電壓互感器中，提供充油套管來連接主線路。

主要類型

電壓互感器可以分為室外和室內(nèi)兩種類型。

1、戶外電壓互感器

戶外電壓互感器可以是單相或三相電壓互感器，可用于不同范圍的工作電壓，用于戶外繼電器和計(jì)量應(yīng)用。高達(dá)33KV的電壓互感器為電磁式單相和三相電壓互感器。33KV以上單相戶外電壓互感器可分為電磁式和電容式電壓互感器(CVT)兩種類型。

電磁式或繞線式電壓互感器

這些類似于傳統(tǒng)的充油繞線變壓器，下圖顯示了電壓互感器的電磁類型，其中分接箱連接到線路終端。油箱上設(shè)有一個(gè)塞子，用于注油，該油箱安裝在絕緣體支架上。底座上設(shè)有接地端子和放油塞。在這種情況下，初級連接在兩相之間或一相與地之間。所以初級的一端在頂部連接到主線，另一端從底部引出并與其他接地端子接地。

另外，包括接地端子在內(nèi)的二次端子位于底部的接線盒中，進(jìn)一步連接到計(jì)量和繼電器電路。由于絕緣方面的原因，這些電壓高達(dá)或低于132KV工作電壓。

電容式電壓互感器 (CVT)

它是一個(gè)電容分壓器，連接在主線的相位和接地之間。這些可以是耦合電容器或套管型CVT。這兩種類型在電氣上或多或少有點(diǎn)相似，但不同之處在于電容的形成進(jìn)一步?jīng)Q定了它們的額定負(fù)載(或負(fù)載)。

耦合電容器類型由一堆串聯(lián)電容器組成，這些電容器由油浸紙和鋁箔制成，對于所需的初級和次級電壓，初級和次級端子跨接在電容器上。套管式CVT使用帶有分接頭的冷凝器式套管。另外，CVT也用于電力線載波通信，因此更加經(jīng)濟(jì)。

2、室內(nèi)電壓互感器

這些也可作為模制、磁性類型的單相或三相電壓互感器提供，安裝類型可以是固定式或抽出式。在這種類型的電壓互感器中，初級繞組的所有部分在其額定絕緣容量下與大地絕緣。這些設(shè)計(jì)用于高精度地操作繼電器、測量儀器和室內(nèi)服務(wù)中的其它控制設(shè)備。

根據(jù)功能劃分，電壓互感器分還可以為計(jì)量電壓互感器和保護(hù)電壓互感器。

誤差計(jì)算

對于理想的電壓互感器，次級繞組中產(chǎn)生的電壓與初級電壓成正比，并且完全反相。但在實(shí)際的電壓互感器中，情況并非如此，因?yàn)槌跫壓痛渭?a target="_blank">電阻中存在電壓降，以及次級負(fù)載的功率因數(shù)，這都會(huì)導(dǎo)致電壓互感器中出現(xiàn)比率和相角誤差，如下圖所示：

考慮上面顯示的電壓互感器的相量圖，其中：

Io=空載電流

Im=空載電流的磁化分量

Iu=空載電流的有功分量

Es和Ep=分別在次級和初級繞組中的感應(yīng)電壓

Np和Ns=分別為初級和次級繞組的匝數(shù)

Ip和Is=初級電流和次級電流

Rp和Rs=分別為初級和次級繞組的電阻

Xp和Xs=分別為初級和次級繞組的電抗

β=相角誤差

初級感應(yīng)電壓(EMF Ep)是通過從初級電壓Vp中減去初級電阻 (IpRp) 和無功壓降 (IpXp) 得出的。而且，次級端電壓Vs是通過從次級感應(yīng)電動(dòng)勢Es中矢量減去次級繞組電阻壓降 (IsRs) 和電抗壓降 (IsXs) 得出的。由于這些壓降，電壓互感器的標(biāo)稱比率不等于電壓互感器的實(shí)際比率，因此引入了比率誤差。

1、比率誤差

電壓互感器的比率誤差定義為實(shí)際變比與標(biāo)稱變比的變化，百分比誤差 = (Kn – R) / R × 100，其中：

Kn是標(biāo)稱或額定變比，Kn=額定初級電壓/額定次級電壓。

2、相角誤差

在理想的電壓互感器中，初級電壓和反向次級電壓之間不應(yīng)存在任何相位角。但在實(shí)際情況中，Vp和Vs反轉(zhuǎn)之間存在相位差(如上圖所示)，從而引入了相位角誤差。它被定義為初級電壓和反向次級電壓之間的相位差。

為了減少這些誤差，通過設(shè)計(jì)變壓器以使它們的繞組具有適當(dāng)大小的內(nèi)阻和電抗來提高精度。除此之外，鐵芯應(yīng)要求勵(lì)磁電流的磁化和鐵芯損耗分量最小。

主要應(yīng)用

電壓互感器在實(shí)際電路的應(yīng)用非常廣泛，常見的包括：

電氣計(jì)量系統(tǒng)

電氣保護(hù)系統(tǒng)

饋線距離保護(hù)

發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)同步

發(fā)電機(jī)的阻抗保護(hù)

總結(jié)

簡單來說，用于測量的電壓互感器稱之為測量電壓互感器，而用于保護(hù)的電壓互感器稱為保護(hù)電壓互感器。在某些情況下，電壓互感器同時(shí)用于測量和保護(hù)目的，在這種情況下，一個(gè)次級繞組連接到測量電路，另一個(gè)次級繞組用于保護(hù)。