眾所周知，測量與輸配電系統相關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行測量。這是因為測量儀表和保護繼電器是低壓設備，因此它們不能直接連接到高壓電路中來達到測量和保護系統的目的。

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電路與在高功率水平運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的電流水平，而電壓互感器則是將高壓轉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、類型及誤差計算等相關內容。

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，以達到測量的目的。它們跨接或平行于要監控的線路。這種變壓器的基本工作原理和結構類似于標準電力變壓器。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或必須進行測量或保護的線路上。次級繞組的匝數較少，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，這些都設計為具有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載，導致其VA額定值很低，一般在50到200VA的范圍內。而在二次側，不能表現為開路或短路，否則會燒毀繞組的線圈，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，如果電壓表讀數和變比已知，則可以確定高壓側電壓。

結構尺寸

與傳統變壓器相比，電壓互感器使用更大的導體尺寸和磁芯。為確保更高的精度而設計電壓互感器，因此在設計材料的經濟性方面不被視為主要因素。

電壓互感器由特殊的高質量磁芯制成，磁芯在較低的磁通密度下運行，并且具有較小的磁化電流，從而將無負載損耗降至最低。核型和殼型結構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。

這些結構都經過精心設計，以使輸入和輸出電壓之間的相移最小，并且隨著負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量應用。高達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。油箱上設有一個塞子，用于注油，該油箱安裝在絕緣體支架上。底座上設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，包括接地端子在內的二次端子位于底部的接線盒中，進一步連接到計量和繼電器電路。由于絕緣方面的原因，這些電壓高達或低于132KV工作電壓。

電容式電壓互感器 (CVT)

它是一個電容分壓器，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相似，但不同之處在于電容的形成進一步決定了它們的額定負載(或負載)。

耦合電容器類型由一堆串聯電容器組成，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，因此更加經濟。

2、室內電壓互感器

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。這些設計用于高精度地操作繼電器、測量儀器和室內服務中的其它控制設備。

根據功能劃分，電壓互感器分還可以為計量電壓互感器和保護電壓互感器。

誤差計算

對于理想的電壓互感器，次級繞組中產生的電壓與初級電壓成正比，并且完全反相。但在實際的電壓互感器中，情況并非如此，因為初級和次級電阻中存在電壓降，以及次級負載的功率因數，這都會導致電壓互感器中出現比率和相角誤差，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電壓

Np和Ns=分別為初級和次級繞組的匝數

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是通過從次級感應電動勢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，電壓互感器的標稱比率不等于電壓互感器的實際比率，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際變比與標稱變比的變化，百分比誤差 = (Kn – R) / R × 100，其中：

Kn是標稱或額定變比，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存在任何相位角。但在實際情況中，Vp和Vs反轉之間存在相位差(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，通過設計變壓器以使它們的繞組具有適當大小的內阻和電抗來提高精度。除此之外，鐵芯應要求勵磁電流的磁化和鐵芯損耗分量最小。

主要應用

電壓互感器在實際電路的應用非常廣泛，常見的包括：

電氣計量系統

電氣保護系統

饋線距離保護

發電機與電網同步

發電機的阻抗保護

總結

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