電壓互感器

ontent">簡要介紹

電壓互感器（Potential transformer 簡稱PT，也簡稱TV）和變壓器很相像，都是用來變換線路上的電壓。但是變壓器變換電壓的目的是為了輸送電能，因此容量很大，一般都是以千伏安或兆伏安為計算單位；而電壓互感器變換電壓的目的，主要是用來給測量儀表和繼電保護裝置供電，用來測量線路的電壓、功率和電能，或者用來在線路發(fā)生故障時保護線路中的貴重設備、電機和變壓器，因此電壓互感器的容量很小，一般都只有幾伏安、幾十伏安，最大也不超過一千伏安。

線路上為什么需要變換電壓呢？這是因為根據發(fā)電、輸電和用電的不同情況，線路上的電壓大小不一，而且相差懸殊，有的是低壓220V和380V，有的是高壓幾萬伏甚至幾十萬伏。要直接測量這些低壓和高壓電壓，就需要根據線路電壓的大小，制作相應的低壓和高壓的電壓表和其他儀表和繼電器。這樣不僅會給儀表制作帶來很大困難，而且更主要的是，要直接制作高壓儀表，直接在高壓線路上測量電壓，那是不可能的，而且也是絕對不允許的。

電壓互感器的基本結構和變壓器很相似，它也有兩個繞組，一個叫一次繞組，一個叫二次繞組。兩個繞組都裝在或繞在鐵心上。兩個繞組之間以及繞組與鐵心之間都有絕緣，使兩個繞組之間以及繞組與鐵心之間都有電氣隔離。電壓互感器在運行時，一次繞組N1并聯(lián)接在線路上，二次繞組N2并聯(lián)接儀表或繼電器。因此在測量高壓線路上的電壓時，盡管一次電壓很高，但二次卻是低壓的，可以確保操作人員和儀表的安全。

主要類型

⑴按安裝地點可分為戶內式和戶外式。35kV及以下多制成戶內式；35kV以上則制成戶外式。

⑵按相數(shù)可分為單相和三相式，35kV及以上不能制成三相式。

⑶按繞組數(shù)目可分為雙繞組和三繞組電壓互感器，三繞組電壓互感器除一次側和基本二次側外，還有一組輔助二次側，供接地保護用。

⑷按絕緣方式可分為干式、澆注式、油浸式和充氣式。干式電壓互感器結構簡單、無著火和爆炸危險，但絕緣強度較低，只適用于6kV以下的戶內式裝置；澆注式電壓互感器結構緊湊、維護方便，適用于3kV～35kV戶內式配電裝置；油浸式電壓互感器絕緣性能較好，可用于10kV以上的戶外式配電裝置；充氣式電壓互感器用于SF6全封閉電器中。

⑸按工作原理劃分，還可分為電磁式電壓互感器，電容式電壓互感器和電子式電壓互感器。

工作原理

其工作原理與變壓器相同，基本結構也是鐵心和原、副繞組。特點是容量很小且比較恒定，正常運行時接近于空載狀態(tài)。

電壓互感器本身的阻抗很小，一旦副邊發(fā)生短路，電流將急劇增長而燒毀線圈。為此，電壓互感器的原邊接有熔斷器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時，副邊出現(xiàn)對地高電位而造成人身和設備事故。

測量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結構，其原邊電壓為被測電壓（如電力系統(tǒng)的線電壓），可以單相使用，也可以用兩臺接成V-V形作三相使用。實驗室用的電壓互感器往往是原邊多抽頭的，以適應測量不同電壓的需要。供保護接地用電壓互感器還帶有一個第三線圈，稱三線圈電壓互感器。三相的第三線圈接成開口三角形，開口三角形的兩引出端與接地保護繼電器的電壓線圈聯(lián)接。

正常運行時，電力系統(tǒng)的三相電壓對稱，第三線圈上的三相感應電動勢之和為零。一旦發(fā)生單相接地時，中性點出現(xiàn)位移，開口三角的端子間就會出現(xiàn)零序電壓使繼電器動作，從而對電力系統(tǒng)起保護作用。

線圈出現(xiàn)零序電壓則相應的鐵心中就會出現(xiàn)零序磁通。為此，這種三相電壓互感器采用旁軛式鐵心（10KV及以下時）或采用三臺單相電壓互感器。對于這種互感器，第三線圈的準確度要求不高，但要求有一定的過勵磁特性（即當原邊電壓增加時，鐵心中的磁通密度也增加相應倍數(shù)而不會損壞）。

電壓互感器是發(fā)電廠、變電所等輸電和供電系統(tǒng)不可缺少的一種電器。

精密電壓互感器是電測試驗室中用來擴大量限，測量電壓、功率和電能的一種儀器。

電壓互感器和變壓器很相像，都是用來變換線路上的電壓。

線路上為什么需要變換電壓呢?這是因為根據發(fā)電、輸電和用電的不同情況，線路上的電壓大小不一，而且相差懸殊，有的是低壓220V和380V，有的是高壓幾萬伏甚至幾十萬伏。要直接測量這些低壓和高壓電壓，就需要根據線路電壓的大小，制作相應的低壓和高壓的電壓表和其他儀表。

注意事項

1．電壓互感器在投入運行前要按照規(guī)程規(guī)定的項目進行試驗檢查。例如，測極性、連接組別、搖絕緣、核相序等。

2．電壓互感器的接線應保證其正確性，一次繞組和被測電路并聯(lián)，二次繞組應和所接的測量儀表、繼

電保護裝置或自動裝置的電壓線圈并聯(lián)，同時要注意極性的正確性。

3．接在電壓互感器二次側負荷的容量應合適，接在電壓互感器二次側的負荷不應超過其額定容量，否則，會使互感器的誤差增大，難以達到測量的正確性。

4．電壓互感器二次側不允許短路。由于電壓互感器內阻抗很小，若二次回路短路時，會出現(xiàn)很大的電流，將損壞二次設備甚至危及人身安全。電壓互感器可以在二次側裝設熔斷器以保護其自身不因二次側短路而損壞。在可能的情況下，一次側也應裝設熔斷器以保護高壓電網不因互感器高壓繞組或引線故障危及一次系統(tǒng)的安全。

5．為了確保人在接觸測量儀表和繼電器時的安全，電壓互感器二次繞組必須有一點接地。因為接地后，當一次和二次繞組間的絕緣損壞時，可以防止儀表和繼電器出現(xiàn)高電壓危及人身安全。

6、電壓互感器副邊絕對不容許短路。

銘牌標志

電壓互感器型號由以下幾部分組成，各部分字母，符號表示內容：

第一個字母：J——電壓互感器；

第二個字母：D——單相；S——三相

第三個字母：J——油浸；Z——澆注；

第四個字母：數(shù)字——電壓等級（KV）。

例如：JDJ-10表示單相油浸電壓互感器，額定電壓10KV。

額定一次電壓，作為互感器性能基準的一次電壓值。

額定二次電壓，作為互感器性能基準的二次電壓值。額定變比，額定一次電壓與額定二次電壓之比。

準確級，由互感器系統(tǒng)定的等級，其誤差在規(guī)定使用條件下應在規(guī)定的限值之內負荷，二次回路的阻抗，通常以視在功率（VA）表示。額定負荷，確定互感器準確級可依據的負荷值。

基本作用

電壓互感器的作用是：把高電壓按比例關系變換成100V或更低等級的標準二次電壓，供保護、計量、儀表裝置使用。同時，使用電壓互感器可以將高電壓與電氣工作人員隔離。電壓互感器雖然也是按照電磁感應原理工作的設備，但它的電磁結構關系與電流互感器相比正好相反。電壓互感器二次回路是高阻抗回路，二次電流的大小由回路的阻抗決定。當二次負載阻抗減小時，二次電流增大，使得一次電流自動增大一個分量來滿足一、二次側之間的電磁平衡關系?？梢哉f，電壓互感器是一個被限定結構和使用形式的特殊變壓器。簡單的說就是“檢測元件”。

接線方式

電壓互感器的接線方式很多，常見的有以下幾種：

⑴ 用一臺單相電壓互感器來測量某一相對地電壓或相間電壓的接線方式。

⑵ 用兩臺單相互感器接成不完全星形，也稱V—V接線，用來測量各相間電壓，但不能測相對地電壓，廣泛應用在20KV以下中性點不接地或經消弧線圈接地的電網中。

⑶ 用三臺單相三繞組電壓互感器構成YN，yn，d0或YN，y，d0的接線形式，廣泛應用于3~220KV系統(tǒng)中，其二次繞組用于測量相間電壓和相對地電壓，輔助二次繞組接成開口三角形，供接入交流電網絕緣監(jiān)視儀表和繼電器用。用一臺三相五柱式電壓互感器代替上述三個單相三繞組電壓互感器構成的接線，除鐵芯外，其形式與圖3基本相同，一般只用于3~15KV系統(tǒng)。

⑷ 電容式電壓互感器接線形式。

在中性點不接地或經消弧線圈接地的系統(tǒng)中，為了測量相對地電壓，PT一次繞組必須接成星形接地的方式。

在3~60KV電網中，通常采用三只單相三繞組電壓互感器或者一只三相五柱式電壓互感器的接線形式。必須指出，不能用三相三柱式電壓互感器做這種測量。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時，在互感器的三相中將有零序電流通過，產生大小相等、相位相同的零序磁通。在三相三柱式互感器中，零序磁通只能通過磁阻很大的氣隙和鐵外殼形成閉合磁路，零序電流很大，使互感器繞組過熱甚至損壞設備。而在三相五柱式電壓互感器中，零序磁通可通過兩側的鐵芯構成回路，磁阻較小，所以零序電流值不大，對互感器不造成損害。

常見異常

⑴三相電壓指示不平衡：一相降低（可為零），另兩相正常，線電壓不正常，或伴有聲、光信號，可能是互感器高壓或低壓熔斷器熔斷；

⑵中性點非有效接地系統(tǒng)，三相電壓指示不平衡：一相降低（可為零），另兩相升高（可達線電壓）或指針擺動，可能是單相接地故障或基頻諧振，如三相電壓同時升高，并超過線電壓（指針可擺到頭），則可能是分頻或高頻諧振；

⑶高壓熔斷器多次熔斷，可能是內部絕緣嚴重損壞，如繞組層間或匝間短路故障；

⑷中性點有效接地系統(tǒng)，母線倒閘操作時，出現(xiàn)相電壓升高并以低頻擺動，一般為串聯(lián)諧振現(xiàn)象；若無任何操作，突然出現(xiàn)相電壓異常升高或降低，則可能是互感器內部絕緣損壞，如絕緣支架繞、繞組層間或匝間短路故障；

⑸中性點有效接地系統(tǒng)，電壓互感器投運時出現(xiàn)電壓表指示不穩(wěn)定，可能是高壓繞組N（X）端接地接觸不良。

(6)懸浮電位放電，可能是穿芯螺栓和鐵芯連接松動，造成螺栓處于懸浮電位；金屬異物處于懸浮電位放電；絕緣支架螺母電位懸?。?/p>

(7)電弧放電，可以是串級繞組對鐵芯放電，絕緣支持架不良而放電；絕緣進水受潮；一次繞組末端未接地；

(8)過熱性故障

案例分析

1、故障現(xiàn)象

6kV系統(tǒng)共有八段，采用的是上海華通開關廠生產的電氣組合柜，該廠設備自投產以來，主部件未發(fā)生大的缺陷，但其輔助測量PT發(fā)生了8臺次損壞，現(xiàn)象表現(xiàn)為本體炸裂、內部絕緣物質噴出故障，致使6kV系統(tǒng)的相關保護不能投運，部分自動功能無法實現(xiàn)。這給廠用系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了極大的隱患。

2、故障原因

1）產品質量不好：如果由于產品本身絕緣、鐵心疊片及繞制工藝不過關等，均可能致使電壓互感器發(fā)熱過量使絕緣長期處于高溫下運行，從而導致絕緣加速老化，出現(xiàn)擊穿。該類型的電壓互感器一次側繞組發(fā)生匝間短路，這樣電流會迅速增大，鐵磁也將迅速飽和從而導致諧振過電壓，使絕緣擊穿，高壓熔斷器被熔斷。

isplay: none"> 2）電壓互感器二次負荷偏重，一、二次電流較大，使二次側負載電流的總和超過額定值，造成PT內部繞組發(fā)熱增加，尤其是在電壓高于PT額定電壓（6kV）情況下，PT內部發(fā)熱更加嚴重；再者，該系統(tǒng)屬于中性點非有效接地系統(tǒng)，故一次側電壓在運行中容易發(fā)生偏斜，當某相出現(xiàn)高電壓時，該相PT更加容易發(fā)生熱膨脹爆裂。

3) 由于鐵磁諧振而造成電壓互感器被擊穿，因為：被擊穿的電壓互感器所處的母線帶的負荷呈感性的比較多，特別是Ⅲ、Ⅳ段，帶有大容量的深井泵，在負荷分配上其感抗大于容抗，由于某種原因，而使系統(tǒng)電壓波動（如深井泵頻繁啟停等），使電路中電流和電壓發(fā)生突變，可能導致電壓互感器鐵心迅速飽和、感抗減小，當感抗小于容抗時，將產生鐵磁諧振，導致電壓互感器激磁電流增大幾十倍，而過電壓幅值將達到近2.5Ue，甚至于達到3.5Ue以上，而且持續(xù)時間較長，電壓互感器在這樣大電壓、大電流下運行，使本身的溫度也迅速升高，導致?lián)p壞。

鐵磁諧振主要特點

1）對于鐵磁諧振電路，在相同的電源電勢作用下回路可能不只一種穩(wěn)定的工作狀態(tài)。電路到底穩(wěn)定在哪種工作狀態(tài)要看外界沖擊引起的過渡過程的情況。

2)PT的非線性鐵磁特性是產生鐵磁諧振的根本原因，但鐵磁元件的飽和效應本身也限制了過電壓的幅值。此外回路損耗也使諧振過電壓受到阻尼和限制。當回路電阻大于一定的數(shù)值時，就不會出現(xiàn)強烈的鐵磁諧振過電壓。

3）串聯(lián)諧振電路來說，產生鐵磁諧振過電壓的的必要條件是ω0=1/L0C<；ω。因此鐵磁諧振可在很大的范圍內發(fā)生。

4）維持諧振振蕩和抵償回路電阻損耗的能量均由工頻電源供給。為使工頻能量轉化為其它諧振頻率的能量，其轉化過程必須是周期性且有節(jié)律的，即…1/2(1，2，3…）倍頻率的諧振。

5）鐵磁諧振對PT的損壞。電磁諧振（分頻）一般應具備如下三個條件。

①鐵磁式電壓互感器（PT）的非線性效應是產生鐵磁諧振的主要原因。

②PT感抗為容抗的100倍以內，即參數(shù)匹配在諧振范圍。

③要有激發(fā)條件，如PT突然合閘、單相接地突然消失、外界對系統(tǒng)的干擾或系統(tǒng)操作產生的過電壓等。

據試驗分頻諧振的電流為正常電流的240倍以上，工頻諧振電流為正常電流的40～60倍左右，高頻諧振電流更小。在這些諧振中，分頻諧振的破壞最大，如果PT的絕緣良好，工頻和高頻一般不會危及設備的安全，而6kV系統(tǒng)存在上述條件。

消除辦法

根據以上分析配電系統(tǒng)鐵磁諧振的特性，就不難找到加以解決的辦法。通常的解決辦法有：

1)PT一次的中性點加裝阻尼電阻。該方法在已廣泛采用，生產定型產品的廠家比較多，在實際運用中都取得了滿意的效果。如西安電瓷廠生產的RXQ系列消諧器，該消諧器串接于PT一次繞組中性點與地之間，內部材料為大容量的非線性碳化硅電阻片及散熱片等串聯(lián)組裝于瓷套內而成。其工作原理為：在低壓下消諧器呈高電阻值（可達幾百千歐）使諧振在起始階段不易發(fā)展，單相接地時，消諧器上出現(xiàn)千余伏電壓，它的非線性電阻下降，使其不影響接地保護的工作。

2）在PT開口三角側并聯(lián)固定（或可變）阻尼，用于一些要求不太高的變電所或配電所。

由于電磁式電壓互感器存在的易飽和、非線性及頻帶窄等問題，電子式電壓互感器逐漸興起。電子式電壓互感器一般具有抗磁飽和、低功耗、寬頻帶等優(yōu)點。國內具有代表性的電子式互感器有anyway變頻電壓傳感器、AnyWay變頻電流傳感器和AnyWay變頻功率傳感器，其中，AnyWay變頻功率傳感器屬于電壓、電流組合式互感器。

該互感器的主要特點如下：

1、采用前段數(shù)字化技術，光纖傳輸，電磁兼容性好。

2、幅頻特性和相頻特性好，在寬幅值、頻率、相位范圍內均可獲得較高的測量精度。

3、屬于數(shù)字式傳感器，二次儀表不會引入誤差，傳感器誤差就是系統(tǒng)誤差