电压互感器的工作原理

电压互感器的工作原理

电压互感器的工作原理与一般的变压器相同，仅在结构型式、所用材料、容量、误差范围等方面有所差别。

一、电压互感器：

电压互感器是一种电压变换装置。它将高电压变换为低电压，以便用低压量值反映高压量值的变化。因此，通过电压互感器可以直接用普通电气仪表进行电压测量。

1、电压互感器又称仪用变压器，是一种电压变换装置；

2、电压互感器的容量很小，通常只有几十到几百伏安；

3、电压互感器一次侧电压即电网电压，不受二次负荷影响，并且大多数情况下其负荷是恒定的；

4、二次侧负荷主要是仪表、继电器线圈，它们的阻抗很大，通过的电流很少。如果无限期增加二次负荷，二次电压会降低，造成测量误错增大；

5、用电压互感器来间接测量电压，能准确反映高压侧的量值，保证测量精度；

6、不管电压互感器初级电压有多高，其次级额定电压一般都是100V，使得测量仪表和继电器电压线圈制造上得以标准化。而且保证了仪表测量和继电保护工作的安全，也解决了高压测量的绝缘、制造工艺等困难；

7、电压互感器常用于变配电仪表测量和继电保护等回路。

二、变压器：

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流），用于改变电压等级，负载较大电流。

1、变压器种类很多，按冷却方式、防潮方式、铁芯或线圈结构、电源相数、用途等分若干个类；

2、变压器的容量由小到大，从几十伏安大到几十兆伏安；

3、变压器的一次侧电压受二次负荷影响较大，负荷大时系统电压会受到影响；

4、变压器二次侧负荷就是各种用电设备，通过的电流较大，具有较强的带负载能力；

5、变压器一次侧电压不论多高，均可根据需要升高或降低二次电压；

6、变压器的外形与体积因容量的不同有时很大；

7、变压器常用于多种场合。

电流互感器和变压器原理差不多，在构造上也基本一样，都是两个绕组：一个匝数多、线径细，另外一个匝数少、线径粗。

若匝数多、线径细的绕组是作为一次绕组与被测量的电路并联连接，而匝数少、线径粗的绕组接测量仪表（电压表），则该互感器就是一个电压互感器。电压互感器实际上就是一台工作在空载状态下的降压变压器（因为电压表是高阻表，电流很小，所以是空载。又因为一次绕组匝数多、二次绕组匝数少，所以是降压）

若匝数少、线径粗的绕组是作为一次绕组与被测量的电路串联连接，而匝数多、线径细的绕组接测量仪表（电流表），则该互感器就是一个电流互感器。电流互感器实际上就是一台工作在短路状态下的升压变压器（因为电流表是低阻表，电流很大，所以相当于短路。又因为一次绕组匝数少、二次绕组匝数多，所以是升压，而之所以实际电流互感器的二次绕组电压没有升压，是因为它工作在短路状态）。电流互感器工作时二次绕组绝对不能开路，否则会感应高电压危及设备或人身安全，并因失去二次绕组的去磁磁势，会使铁心严重饱和而失去测量的准确性。

互感器按原理分为电磁感应式和电容分压式两类。电磁感应式多用于220kV及以下各种电压等级。电容分压式一般用于110kV以上的电力系统,330～765kV超高压电力系统应用较多。电压互感器按用途又分为测量用和保护用两类。对前者的主要技术要求是保证必要的准确度；对后者可能有某些特殊要求，如要求有第三个绕组，铁心中有零序磁通等。

电磁感应式电压互感器其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压（如电力系统的线电压），可以单相使用,也可以用两台接成V-V形作三相使用。实验室用的电压互感器往往是原边多抽头的，以适应测量不同电压的需要。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈，称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形（图1）

开口三角形的两引出端与接地保护继电器的电压线圈联接。正常运行时，电力系统的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时,中性点出现位移,开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用。线圈出现零序电压则相应的铁心中就会出现零序磁通。为此，这种三相电压互感器采用旁轭式铁心（10kV及以下时）或采用三台单相电压互感器。对于这种互感器，第三线圈的准确度要求不高，但要求有一定的过励磁特性（即当原边电压增加时，铁心中的磁通密度也增加相应倍数而不会损坏）。

电磁感应式电压互感器的等值电路与变压器的等值电路相同。

电容分压式电压互感器在电容分压器的基础上制成。其原理接线见图2。

电容C1和C2串联，U1为原边电压,Uc2为C2上的电压。空载时,电容C2上的电压Uc2为

由于C1和C2均为常数，因此Uc2正比于原边电压。但实际上，当负载并联于电容C2两端时,Uc2将大大减小,以致误差增大而无法作电压互感器使用。为了克服这个缺点，在电容C2两端并联一带电抗的电磁式电压互感器YH，组成电容分压式电压互感器(图3)。

电抗可补偿电容器的内阻抗。YH有两个副绕组，第一副绕组可接补偿电容C k供测量仪表使用；第二副绕组可接阻尼电阻R d，用以防止谐振引起的过电压。

电容式电压互感器多与电力系统载波通信的耦合电容器合用，以简化系统，降低造价。此时，它还需满足通信运行上的要求。

注意：电压互感器二次回路不能短路，否则会引起烧坏线圈，为了防止二次端的短路引起主电路干扰，加空气开关K1。K1是常闭，K1跳闸时，保护装置将显示PT断线报警。

三相五柱式电压互感器的工作原理

[摘要] 系统分析三相五柱式电压感器二次工作绕组、辅助绕组的工作特性，以便对三相五柱式电压互感器进行更好地维护。

[关键词] 三相五柱式电压感器工作绕组辅助绕组

电压互感器是将电力系统的一次电压按一定变比缩小为要求的二次电压，向测量表计和继电器供电，其工作原理与变压器基本相同。电压互感器通常有单相、三相三柱式、三相五柱式电压互感器等几种，由于使用方法不同，各有优、缺点。三相五柱式电压互感器，是磁系统具有五个磁柱的三相三绕组电压互感器，广泛采用于大中型企业，具有低电压、过电压保护、低电压启动等各种保护功能；备自投等所有电压继电器电压值均来自电压互感器二次。

1 三相五柱式电压互感器的接地方式

电压互感器二次绕组接地方式与保护、测量表计及同步电压回路有关，有b相接地和中性点接地两种方式，其接线方式见图1、2。

图1 电压互感器二次通过b相及JB接地原理图

图2 电压互感器二次不接地原理图

1.1 电压互感器二次绕组两种接地方式的比较

1.1.1 在同步回路中在b相接地系统中，对中性点非直接接地系统，单相接地时，中性点位移，不能用相电压同步，必须用线电压同步。如同步点两侧均为b相接地，其中一相公用，同步开关档数减少(如采用综保，则接线更为简单)，同步接线简单。对中性点直接接地系统，可用辅助二次绕组的相电压同步。

1.1.2 在保护回路中

在b相接地系统中，①在零线上串接的隔离开关辅助触点G，如不可靠而断开时，会使10kV以上电压距离保护断线闭锁装置失去作用，这时若再发生一相或两相断线，将导致保护误动作。②因为辅助

绕组的一端与b相接地点相连，由于基本二次侧绕组上有负荷电流流过，在电缆芯出上产生电压降，使正常开口三角形有电压3U0，对零序方向元件不利。若单独从接地点引接零序方向继电器回路，则接线

较为复杂。

在中性点接地系统中，由于中性点无任何断开触点，可靠性高。因中性点没有电流通过，无电压降，对保护无影响。

1.1.3 在测量表计回路中

在b相接地系统中，①因大多数表计均接线电压，其中b相接地公用，引线方便。②对只需接线电压的回路，可用V-V接线电压互感器。

在中性点接地系统中，表计均需三相分别接入，引线较为复杂。

1.1.4 在电压互感器二次接线上

在b相接地系统中，①中性点需装设击穿保险器，增加了部件，正常时如击穿保险器击穿接地，将使b相绕组短路。②当A、C两相中任一相发生接地时，即构成二次绕组两相短路，两相熔断器熔断。

在中性点接地系统中，无b相接地的相应问题，接线较简单。

据上分析，对于中性点非直接接地系统，因一般不装设距离和零序方向保护，b相接地对保护影响极小，而对同步回路有利，故电压互感器二次侧采用b相接地方式较为理想。而对于中性点直接接地系统，保护要求严格，中性点接地有利于提高保护的可靠性，同步回路可用辅助绕组的相电压，故电压互感器二次绕组采用中性点接地方式较为优越[1]。

1.2 接地原因

1.2.1 电压互感器二次侧须接地的原因

在运行中，电压互感器的一次侧线圈处在高压系统之中，而其二次侧线圈则为一固定的低电压(如电压互感器一次线圈电压为10KV时，则其二次侧固定为100 V)。二次侧线圈所接入的各种仪表和继电器的绝缘等级低，并且经常与人员接触，如果电压互感器的一、二次线圈之间的绝缘被击穿，一次侧的高压将直接加到二次侧线圈上，极易危及人身和设备安全。故为了提高安全性，电压互感器二次侧必须接地。

1.2.2 JB接地

图1中，当电压互感器通过b相接地时，其中性点处还需要通过JB接地的原因分析如下。

由于电压互感器二次侧通过b相接地，其只是为各种表计和继电器提供所需电压，不能保证当一次电压串入二次回路时的安全，所以其二次侧线圈的中性点也必须接地。但是，其中性点如果直接接地，b相线圈将通过大地短接，这样会烧坏线圈，这是不允许的。所以电压互感器二次侧中性点通过一个JB(放电间隙)接地。正常运行时JB不导通；当有高压进入二次侧时，JB击穿使电压互感器二次通过中性点接地，达到保护人身和设备安全的目的。(因b相接地点在保险之后，故即使b相和中性点形成接地短路，也只会使保险熔断，不会烧坏线圈)。

2 电压互感器二次侧保险的工作原理

2.1 二次侧无保险工作分析

①在图1中，如果JB在工作状态下因其它原因击穿，则电压互感器b相绕组将被短接，b相绕组将被烧坏。

②当A、C两相任一相有过载时，将造成电压互感器绕组烧坏。当A、B、C三相绕组内部有故障时，将引起保护误动作。

③在图2中，当电压互感器二次侧A、B、C三相中的任一相出口处有接地发生时，均会造成电压互感器绕组短路运行而烧坏。

④当电压互感器二次侧A、B、C三相中的任一相发生过载时，也有可能烧坏绕组，引起保护误动作。

在上述工作状态下，电压互感器二次侧A、B、C三相出口处，都需加装二次侧保险。

2.2 不加保险(熔断器)的情况

①在二次侧开口三角的出线上一般不装熔断器。因为在正常运行时开口端无电压，无法监视熔断器的接触情况。一旦熔断器接触不良，则系统接地时不能发出接地信号。但是，供零序过电压保护用的开口三角出线例外。

②中性线上不装熔断器，目的是因为一旦保险丝熔断或接触不良，就会使绝缘监察电压表失去指示故障的作用。

③接自动电压调整器的电压互感器二次侧不装熔断器，目的是为了防止熔断器接触不良或熔丝熔断时电压互感器误动作。

3 三相五柱式电压互感器工作绕组的工作状态分析

3.1 正常时工作绕组的工作状态

如图3所示，由于三相五柱式电压互感器为配合计量及保护装置，其二次线电压为恒定的100V。为配合绝缘监察，其二次侧对地电压为100／ V；100V／ V、0V。所以根据图3可得出，Ua、Ub、Uc三相相电压为Ua=l00／ V=Ub=Uc,线电压为Uab=Uac=Ucb=100 V。正常运行时，Ua0=Ub0=Uc0电压表指示相电压(10kV系统为5.8kV)。

图3 正常工作时电压互感器二次接线原理图

3.2 故障时工作绕组的工作状态

①当系统发生单相金属性接地时(如A相)，则该相对地电压为O，即电压瓦感器的A相一次线圈对地无电压。接在二次和接地相对应的绝缘监察电压表Ua=0，而其它两相Ub、Uc的电压升高到倍，即上升到线电压(10KV系统为10KV)。此时工作线圈二次侧对地电压为Ua=0、Ub=0、Uc=100V。

②当A相经电弧或高电阻接地时，则Ua电压指示低于相电压，但未达到0。Uc、Ub指示高于相电压，但未

达到线电压(当b相接地时，Ub=O)。

4 辅助绕组的工作状态分析

辅助绕组，即开口三角形。在系统正常运行时，由于系统三相电压UA、UB、UC是对称的，互感器二次线圈中的三个电压Ua、Ub、Uc也对称。故反应在开口三角两端的零序电压为Ua+Ub+Uc=0，所以开口三角两端的电压为零。

当系统发生单相接地故障时，如C相接地(见图4)，显然C相对地电压Uc，加上中性点对C相端头电压-Uc，即UAd=UA+(-Uc)。同理，B

图4 系统发生单相接地时开口三角形绕组电压向量图

相对地电压UBd=UB+(-Uc)，由于C相接地，电压互感器一次侧的C相线圈上无电压。则UAd和UBd就是互感器一次侧A相和B相的电压。从向量图中看出，加在互感器一次侧的三相电压出现了零序电压，即

UAd+UBd=3U0。此时UAd和UBd的大小都是相电压的3倍，即数值上等于线电压，其合成电压即为3倍的零序电压。故在开口三角两端也

同时出现了3倍的零序电压。在开口三角两端接上绝缘监察继电器，一旦系统有单相接地发生，此绝缘监察继电器即报灯光、音响信号，告诉值班人员处理(一般此继电器整定值为l5V或18V)。