电压互感器的基本概念及主要类型

众所周知，测量与输配电系统相关的高电压和电流并不是一种简单的方法，因此通常使用互感器将这些值降低到更安全的水平再进行测量。这是因为测量仪表和保护继电器是低压设备，因此它们不能直接连接到高压电路中来达到测量和保护系统的目的。

除了降低电压和电流水平之外，这些互感器还将测量或保护电路与在高功率水平运行的主电路隔离开来。其中，电流互感器降低了测量仪器或继电器工作范围内的电流水平，而电压互感器则是将高压转换为工作低压的电路。在本文中，将简单介绍下电压互感器的作用、原理、类型及误差计算等相关内容。

基本概念

电压互感器是一种降压变压器，可将高压电路的电压降低到较低水平，以达到测量的目的。它们跨接或平行于要监控的线路。这种变压器的基本工作原理和结构类似于标准电力变压器。通常情况下，电压互感器缩写为PT，其符合及基本电路图如下所示：

在上图中，初级绕组由大量匝组成，这些匝连接在高压侧或必须进行测量或保护的线路上。次级绕组的匝数较少，连接到电压表或瓦特表和电能表、继电器和其它控制设备的电位线圈上面。这些可以是单相或三相电压互感器。无论初级电压额定值如何，这些都设计为具有110V的次级输出电压。

由于电压表、电位线圈以及其它测量仪表具有高阻抗，因此有很小的电流流过电压互感器的次级绕组。因此，电压互感器表现为普通的空载两绕组变压器。另外，由于电压互感器上的这种低负载，导致其VA额定值很低，一般在50到200VA的范围内。而在二次侧，不能表现为开路或短路，否则会烧毁绕组的线圈，因此出于安全原因，一端需要接地。

与普通变压器类似，电压互感器的变比被指定为：V1/V2 = N1/N2。

由上式可知，如果电压表读数和变比已知，则可以确定高压侧电压。

结构尺寸

与传统变压器相比，电压互感器使用更大的导体尺寸和磁芯。为确保更高的精度而设计电压互感器，因此在设计材料的经济性方面不被视为主要因素。

电压互感器由特殊的高质量磁芯制成，磁芯在较低的磁通密度下运行，并且具有较小的磁化电流，从而将无负载损耗降至最低。核型和壳型结构都是电压互感器的首选。对于高电压，使用核心型，而对于低电压，首选壳型。

为了降低漏抗，同轴绕组用于初级和次级。为了降低绝缘成本，低压次级绕组靠近铁芯放置。而对于高压电压互感器，高压初级被分成多个线圈段，以减少线圈层之间的绝缘(Insulation)。对于这些绕组，浸油亚麻布和棉带用作叠片，而在线圈之间，使用硬纤维隔板。

这些结构都经过精心设计，以使输入和输出电压之间的相移最小，并且随着负载的变化保持最小的电压比。充油电压互感器用于高电压等级(7KV以上范围)。在这种电压互感器中，提供充油套管来连接主线路。

主要类型

电压互感器可以分为室外和室内两种类型。

1、户外电压互感器

户外电压互感器可以是单相或三相电压互感器，可用于不同范围的工作电压，用于户外继电器和计量应用。高达33KV的电压互感器为电磁式单相和三相电压互感器。33KV以上单相户外电压互感器可分为电磁式和电容式电压互感器(CVT)两种类型。

电磁式或绕线式电压互感器

这些类似于传统的充油绕线变压器，下图显示了电压互感器的电磁类型，其中分接箱连接到线路终端。油箱上设有一个塞子，用于注油，该油箱安装在绝缘体支架上。底座上设有接地端子和放油塞。在这种情况下，初级连接在两相之间或一相与地之间。所以初级的一端在顶部连接到主线，另一端从底部引出并与其他接地端子接地。

另外，包括接地端子在内的二次端子位于底部的接线盒中，进一步连接到计量和继电器电路。由于绝缘方面的原因，这些电压高达或低于132KV工作电压。

电容式电压互感器 (CVT)

它是一个电容分压器，连接在主线的相位和接地之间。这些可以是耦合电容器或套管型CVT。这两种类型在电气上或多或少有点相似，但不同之处在于电容的形成进一步决定了它们的额定负载(或负载)。

耦合电容器类型由一堆串联电容器组成，这些电容器由油浸纸和铝箔制成，对于所需的初级和次级电压，初级和次级端子跨接在电容器上。套管式CVT使用带有分接头的冷凝器式套管。另外，CVT也用于电力线载波通信，因此更加经济。

2、室内电压互感器

这些也可作为模制、磁性类型的单相或三相电压互感器提供，安装类型可以是固定式或抽出式。在这种类型的电压互感器中，初级绕组的所有部分在其额定绝缘容量下与大地绝缘。这些设计用于高精度地操作继电器、测量仪器和室内服务中的其它控制设备。

根据功能划分，电压互感器分还可以为计量电压互感器和保护电压互感器。

误差计算

对于理想的电压互感器，次级绕组中产生的电压与初级电压成正比，并且完全反相。但在实际的电压互感器中，情况并非如此，因为初级和次级电阻中存在电压降，以及次级负载的功率因数，这都会导致电压互感器中出现比率和相角误差，如下图所示：

考虑上面显示的电压互感器的相量图，其中：

Io=空载电流

Im=空载电流的磁化分量

Iu=空载电流的有功分量

Es和Ep=分别在次级和初级绕组中的感应电压

Np和Ns=分别为初级和次级绕组的匝数

Ip和Is=初级电流和次级电流

Rp和Rs=分别为初级和次级绕组的电阻

Xp和Xs=分别为初级和次级绕组的电抗

β=相角误差

初级感应电压(EMF Ep)是通过从初级电压Vp中减去初级电阻 (IpRp) 和无功压降 (IpXp) 得出的。而且，次级端电压Vs是通过从次级感应电动势Es中矢量减去次级绕组电阻压降 (IsRs) 和电抗压降 (IsXs) 得出的。由于这些压降，电压互感器的标称比率不等于电压互感器的实际比率，因此引入了比率误差。

1、比率误差

电压互感器的比率误差定义为实际变比与标称变比的变化，百分比误差 = (Kn – R) / R × 100，其中：

Kn是标称或额定变比，Kn=额定初级电压/额定次级电压。

2、相角误差

在理想的电压互感器中，初级电压和反向次级电压之间不应存在任何相位角。但在实际情况中，Vp和Vs反转之间存在相位差(如上图所示)，从而引入了相位角误差。它被定义为初级电压和反向次级电压之间的相位差。

为了减少这些误差，通过设计变压器以使它们的绕组具有适当大小的内阻和电抗来提高精度。除此之外，铁芯应要求励磁电流的磁化和铁芯损耗分量最小。

主要应用

电压互感器在实际电路的应用非常广泛，常见的包括：

电气计量系统

电气保护系统

馈线距离保护

发电机与电网同步

发电机的阻抗保护

总结

简单来说，用于测量的电压互感器称之为测量电压互感器，而用于保护的电压互感器称为保护电压互感器。在某些情况下，电压互感器同时用于测量和保护目的，在这种情况下，一个次级绕组连接到测量电路，另一个次级绕组用于保护。