任务三 电压互感器结构、原理
认知1 电压互感器基础知识
一、电压互感器的工作特性
电磁式电压互感器用于0.4kV及以上电压等级的交流装置中，其工作特性如下：（1）正常运行时，电压互感器二次绕组近似工作在开路状态。
（2）电压互感器一次侧电压决定于一次电力网的电压，不受二次负载的影响。（3）运行中的电压互感器二次侧绕组不允许短路。
二、电压互感器的种类和型号1.电磁式电压互感器的种类
（1）按安装地点可分为户内式和户外式。20kV及以下电压等级一般为户内式，35kV及以上电压等级一般为户外式。
（2）按相数可分为单相式和三相式。一般20kV及以下电压等级制成三相式，35kV以上电压等级制成单相式。
（3）按每相绕组数可分为双绕组和三绕组式。三绕组电压互感器有两个二次侧绕组，即基本二次绕组和辅助二次绕组，辅助二次绕组供绝缘监察或接地保护用。
（4）按绝缘方式可分为干式、浇注式、油浸式、气体绝缘式等几种。干式多用于低压；浇注式用于3～35kV；油浸式主要用于35kV及以上的电压互感器。
2.电压互感器的型号
电压互感器的型号一般用数字和字母表示，包括产品型号符号和设计序号，短横线后为电压等级。电压互感器的型号及其各字母含义如下：
12345—6
1产品名称：J—电压互感器。
2相数：D—单相；S—三相。
3绝缘形式：J—油浸式；G—空气（干式）；Z—浇注成型固体；Q—气体；C—瓷绝缘；R—电容分压式。
4结构形式及用途：X—带剩余（零序）绕组；B—三柱带补偿绕组式；W—五柱三
绕组；C—串极式带剩余（零序）绕组；F—测量和保护分开的二次绕组。
5设计序号。
6额定电压（kV）。
例如，JDZ610，表示第六次改进型设计、浇注绝缘、单相、10kV电压互感器。三、电压互感器的技术参数和接线
（一）电压互感器技术参数1.额定一次电压
作为电压互感器性能基准的一次电压值。供三相系统相间连接的单相电压互感器，其额定一次电压应为国家标准额定线电压；对于接在三相系统相与地间的单相电压互感器，其额定一次电压应为上述值的1/㊣3，即相电压。
2.额定二次电压
额定二次电压按互感器使用场合的实际情况来选择，标准值为100V；供三相系统中相与地之间用的单相互感器，当其额定一次电压为某一数值除以㊣3时，额定二次电压必须除以㊣3，以保持额定电压比不变。
接成开口三角形的辅助二次绕组额定电压，用于中性点有效接地系统的互感器，其辅助二次绕组额定电压为100V；用于中性点非有效接地系统的互感器，其辅助二次绕组额
定电压为100V或100V/3。
3.额定变比
电压互感器的额定变比是指一、二次绕组额定电压之比，也称额定电压比或额定互感
比，用Ku表示。
4.额定容量
电压互感器的额定容量是指对应于最高准确度等级时的容量。额定容量通常以视在功率的伏·安值表示。标准值最小为10VA，最大为500VA，共有13个标准值，负荷的功
率因数为0.8（滞后）。
5.额定二次负载
保证准确度等级为最高时，电压互感器二次回路所允许接带的阻抗值。6.额定电压因数
互感器在规定时间内仍能满足热性能和准确度等级要求的最高一次电压与额定一次电压的比值。
7.电压互感器的准确度等级
电压互感器的准确度等级就是指在规定的一次电压和二次负载变化范围内，负载的功率因数为额定值时电压误差的最大值。测量用电压互感器的准确度等级有0.1、0.2、0.5、1、3级，保护用电压互感器的准确度等级规定有3P和6P两种。电压互感器的准确度等级和误差限值见表65。
表6 5
电压互感器的准确度等级和误差限值
电压互感器应能准确地将一次电压变换为二次电压，才能保证测量精确和保护装置正确动作，因此电压互感器必须保证一定的准确度。如果电压互感器的二次负载超过规定值，则二次电压就会降低，其结果是不能保证准确的，使得测量误差增大。
（二）电压互感器的接线方式
在三相电力系统中，通常需要测量的电压有线电压、相对地电压和发生单相接地故障时的零序电压。为了测量这些电压，图611示出了几种常见的电压互感器接线。
（1）图6 11（a）所示为一台单相电压互感器的接线，可测量某一相间电压（35kV及以下的中性点非直接接地电网）或相对地电压（110kV及以上中性点直接接地电网）。图611 电压互感器的接线方式
（a）单相接线；（b）Vv接线；（c）三相三柱式互感器接线；（d）三相五柱式互感器接线；（e）3台单相电压互感器接线
（2）图6 11（b）所示两台单相电压互感器接成Vv连接。广泛用于20kV及以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中，测量线电压，不能测量相电压。
（3）图6 11（c）所示为一台三相三柱式电压互感器接成Yyn接线，只能用来测量线电压，不许用来测量相对地电压，因为它的一次侧绕组中性点不能引出，故不能用来监视电网对地绝缘。其原因是中性点非直接接地电网中发生单相接地时，非故障相对地电压升高㊣3倍，三相对地电压失去平衡，在3个铁芯柱将出线零序磁通。由于零序磁通是同相位的，不能通过3个铁芯柱形成闭合回路，而只能通过空气间隙和互感器外壳构成通路。因此磁路磁阻很大，零序励磁电流很大，引起电压互感器铁芯过热甚至烧坏。
（4）图6 11（d）所示为一台三相五柱式电压互感器接成的YNynd接线。其一次侧绕组、基本二次侧绕组接成星形，且中性点均接地，辅助二次侧绕组接成开口三角形。这种接线可用来测量线电压和相电压，还可用作绝缘监察，故广泛用于小接地电流电网中。当系统发生单相接地时，三相五柱式电压互感器内出现的零序磁通可以通过两边的辅助铁芯柱构成回路。辅助铁芯柱的磁阻小，零序励磁电流也小，因而不会出现烧毁电压互感器的情况。
（5）图6 11（e）所示为3台单相三绕组电压互感器接成的YNynd接线，广泛应用于35kV及以上电网中，可测量线电压、相对地电压和零序电压。这种接线方式发生单相接地时，各相零序磁通以各自的电压互感器铁芯构成回路，因此对电压互感器无影响。该种接线方式的辅助二次绕组接成开口三角形，对于35～60kV中性点非直接接地电网，其相电压为100V/3，对中性点直接接地电网，其相电压为100V。
认知2 电压互感器结构
一、浇注式电压互感器
浇注式电压互感器结构紧凑，维护简单，适用于3～35kV电压等级的户内配电装置。一次绕组和各低压绕组以及一次绕组出线端的两个套管均浇注成一个整体，然后再装
配铁芯，这种结构称为半浇注式结构。一次绕组和铁芯均浇注成一体的叫全浇注式。
JDZJ10型浇注式单相电压互感器外形如图6 12所示。其铁芯为三柱式，一、二次绕组为同心圆筒式，连同引出线用环氧树脂浇注成型，并固定在底板上；铁芯外露，由经热处理的冷轧硅钢片取向叠装而成，为半封闭式结构。
图6 12 JDZJ10型电压互感器实物及外形结构
（a）实物；（b）正视图；（c）侧视图
1—一次绕组引出线；2—二次绕组引出线；3—接地螺栓；4—铁芯；5—浇注体
JDZJ10型为接地单相电压互感器，3台可接成Y/Y/△，用于测量和保护。该互感器以电瓷、环氧树脂及特殊绝缘材料为主绝
缘，箱体内不充油，故不存在渗漏问题，减少了维护工作量。
二、油浸式电压互感器
油浸式电压互感器的结构与小型电力变压器很相似，分为普通式和串级式两种。电力系统中常用串级式电压互感器。
JCC220型串级式电压互感器的原理接线及外形如图613所示。互感器的器身由两个铁芯、一次绕组、平衡绕组、连耦绕组及二次绕组构成，装在充满油的瓷箱中；一次绕组由匝数相等的4个元件组成，分别套在两个铁芯的上、下铁柱上，并按磁通相加方向顺序串联，接于相与地之间，每个铁芯上绕组的中点与铁芯相连；二次绕组绕在末级铁芯的下铁柱上，连耦绕组的绕向相同，反向对接。
图613JCC220型串级式电压互感器
原理接线及外形
（a）原理接线；（b）外形
1—铁芯；2—一次绕组；3—平衡绕组；
4—连耦绕组；5—二次绕组
当二次绕组开路时，各级铁芯的磁通相同，一次绕组的电位分布均匀，每个绕组元件边缘线匝对铁芯的电位差都是Uph/4（Uph为相电压）；当二次绕组接通负荷时，由于负荷电力的去磁作用，使末级铁芯的磁通小于前级铁芯的磁通，从而使各元件的感抗不等，电压的分布不均，准确度下降。为避免这种现象，在两铁芯相邻的铁芯柱上，绕有匝数相等的连耦绕组。这样，当每个铁芯的磁通不等时，连耦绕组中出现电动势差，从而出现电压，使磁通较小的铁芯增磁，磁通较大的铁芯去磁，达到各级铁芯的磁通大致相等和各绕组元件电压分布均匀的目的。
三、SF6气体绝缘电压互感器
SF6电压互感器有两种结构形式：一种是为GIS配套使用的组合式；另一种为独立
式。独立式电压互感器增加了高压引出线部分，包括一次绕组高压引线、高压瓷套及其夹持件等，如图614所示。SF6电压互感器的器身由一次绕组、二次绕组、剩余电压绕组和铁芯组成，绕组层绝缘采用聚酯薄膜。一次绕组除在出线端有静电屏外，在超高压产品中，一次绕组的中部还设有中间屏蔽电极。铁芯内侧设有屏蔽电极以改善绕组与铁芯间的电场。
图614 SF6独立式
电压互感器
一次绕组高压引线有两种结构：一种是短尾电容式套管；另一种是用光导杆做引线，在引线的上下端设屏蔽筒以改善端部电场。下部外壳与高压瓷套可以是筒仓结构或隔仓结构。筒仓结构是外壳与高压瓷套相通，SF6气体从一个充气阀进入后即可充满产品内部，吸附剂和防爆片只需一套。隔仓结构是在外壳顶部装有绝缘子，绝缘子把外壳和高压瓷套隔离开，使SF6气体互不相通，所以需装设两套吸附剂及防爆片以及其他附设装置，如充气阀、压力表等。
1—防爆片；2—一次出线端子；
四、电容式电压互感器
3—高压引线；4—瓷套；
（一）电容式电压互感器特点
5—器身；6—二次出线
电容式电压互感器质量轻、体积小；由温度变化引起的电
容量和分压比的变化可以忽略；金属膨胀器外置，内部保持正压且压力小，不易渗漏油；电容器电感分量小，适宜于线路载波通信；损耗角正切值低，局部放电量极小，使用寿命长。
（二）电容式电压互感器结构1.结构与电气原理
CVT为单相单柱式结构，它由电容分压器和电磁单元两部分组成，其电气连接主要结构如图615所示，电磁单元又包括中间变压器、补偿电抗器以及抑制铁磁谐振的阻尼负荷。补偿电抗器的电抗值与电容分压器的等值电容在额定频率下的容抗相等，以便在不同的二次负荷下使一次电压和二次电压之间能获得正确的相位和电压比。
2.电容器组
电容器组由1～4节套管式耦合电容器及电容分压器重叠而成，每节耦合电容器或电容分压器单元装有数十只串联而成的膜纸复合介质组成的电容元件，并充以十二烷基苯绝图615 CVT电容式电压互感器结构域电气原理
（a）CVT典型电气连接原理；（b）CVT典型结构原理
1—电容分压器；2—电磁单元；3—高压电容；4—中压电容；5—中压变压器；6—补偿电抗器；
7—阻尼器；8—电容分压器低压端对地保护间隙；9—阻尼器连接片；10—一次接线端；
11—二次输出端；12—接地端；13—绝缘油；14—电容分压器套管；15—电磁
单元箱体；16—端子箱；17—外置式金属膨胀器
缘油密封，高压电容C1的全部电容元件和中压电容C2被装在1～4节瓷套内，由于它们保持相同的温度，所以由温度引起的分压比的变化可被忽略。电容元件置于瓷套内经真空处理、热处理后已彻底脱水、脱气，注以已脱水脱气的绝缘油并密封于瓷套内。每节电容器单元顶部有一个可调节油量的金属膨胀器，以便在运行温度范围内使油压总是保持稍正。
瓷套管有普通型和防污型两种，并具有足够的机械强度，能承受标准的风负荷、线路电动力和重力等。
3.电磁单元
中间变压器、补偿电抗器和抑制铁磁谐振的阻尼器被密封于钢箱中，电容器组置于钢箱的顶部，箱内充以变压器油并被密封起来。油的容积及内部压力由油箱顶层的空气来调节，中间变压器的一次线圈具有可调变线圈，补偿电抗器的线圈具有调整电压相位的调节线圈。
补偿电抗器两端接有氧化锌避雷器或保护球隙，防止由于二次侧短路造成的电压升高而全穿电抗器线圈。
在油箱的一侧有一端子箱，内有各个二次绕组端子、接地端子、电容分压器低压端子及其保护间隙、氧化锌避雷器或电抗保护球隙等，并装有二次接线板以供用户进行二次接线。
保护用CVT（WVP型）中压端子由电磁单元的上盖板引出，以便于电容量及介损测量。
4.电气连接
电容式电压互感器电气连接原理如图616和图617所示。
图616 电气连接原理图之一
图617 电气连接原理图之二
a，n—主二次绕组引出端子；da，dn—剩余电压绕组引出端子；daz，dn—阻尼器引出端子；P—电容器
1a，1n—主二次绕组引出端子；2a，2n—主二次绕
低压端对地保护间隙；N—电容分压器低压端；
C1—高压电容；C2—中压电容；T—中间
组引出端子；da，dn—剩余电压绕组引出端子；daz，dn—阻尼器引出端子；P—电容器低压端对地保护间隙；N—电容分压器低压端；
变压器；L—补偿电抗器；ZD—阻尼器
C1—高压电容；C2—中压电容；T—中
注：使用载波设备时需将N与地之间的连线脱开。
间变压器；L—补偿电抗器；BL—避
雷器；ZD—阻尼器
注：使用载波设备时须将N与地之间的连线脱开。