电压互感器作为电力系统中不可或缺的测量和保护装置,其作用不仅限于电压的变换,更承担着为测量仪表和继电保护设备提供准确电压信号的任务。与普通变压器相比,电压互感器的容量较小,通常仅有几伏安到几十伏安,最大也不超过1000伏安,这主要是因为其设计目的是供给测量和保护设备,而非传输电能。电压互感器的一次绕组匝数较多,二次绕组的匝数较少,一次侧直接并联在电力系统的高压线路中,而二次侧则连接测量仪表及继电保护装置,由于这些设备的线圈阻抗较大,电压互感器工作时相当于二次侧接近空载状态。电压互感器根据工作原理大致可分为电磁式和电容分压式两种。电磁式电压互感器结构与变压器类似,主要依靠电磁感应实现电压转变,广泛应用于各种中低压电力系统。电容分压式电压互感器则主要由电容分压器、补偿电路、中间变压器等组成,通常应用在中性点接地系统中,用于电压测量、继电保护以及载波通信。
电压互感器也可按照相数分类,通常为单相或三相。单相电压互感器被广泛使用,三相电压互感器常由三台单相电压互感器组合而成,主要有三相三柱式和三相五柱式两种结构形式。根据绝缘介质的不同,电压互感器分为干式、浇注式、气体绝缘和油浸式。浇注式主要适用于35千伏及以下电压等级,110千伏及以上系统普遍采用油浸式电压互感器,以保证良好的绝缘性能和稳定性。绕组数方面,有双绕组和多绕组设计。双绕组结构简单,包含一个一次绕组和一个二次绕组,适合一般电压测量需求。
多绕组电压互感器则拥有多个二次绕组,方便同时满足不同测量和保护装置的电压输出需求。尤其是在涉及接地故障保护时,需要零序电压信号,通常设计为三绕组或四绕组互感器以满足功能。根据安装位置可以分为母线电压互感器和线路电压互感器,两者的布置和使用环境有所不同,分别适用于不同的测量和保护应用场景。电压互感器的设计具有一系列显著特征。二次绕组的额定电压通常为100伏,这在保证信号安全和准确的同时,也方便电压互感器与测量仪表的匹配。对于三相五柱式电压互感器,当用于35千伏及以下中性点不直接接地系统时,其辅助绕组的额定相电压约为100除以根号3伏,而110千伏及以上的直接接地系统中则保持在100伏。
变比是电压互感器性能的关键指标,它等于一次绕组到二次绕组匝数的比值,同时也等于一次额定相电压与二次额定相电压之比。通过变比,测量设备可以准确还原系统的实际电压值。值得注意的是,三相五柱式电压互感器因开口三角侧输出电压限制,变比设计有所不同,以确保二次电压不超过绝对安全限值。电压互感器的二次侧严格禁止短路,否则可能导致二次回路出现过电流,损坏设备并危及人身安全。这是因为二次侧负载阻抗较大,而内部阻抗极小,一旦短路电流激增,继电保护和测量仪表难以承受。电压互感器的接线方式多样化,以满足不同测量和保护的需求。
在单相电压互感器接线上,一次绕组可连接相线与地之间,适用于110至220千伏直接接地系统,测量相对地电压。另一种常见接线为一次绕组连接相间,二次绕组一端接地,通常用于3至35千伏中性点不直接接地系统,适合线电压测量。两台单相电压互感器组成的V-V接线形式,连接在线电压两相,适用于中性点非直接接地或经消弧线圈接地的电网,能测量线电压但不适用于相电压测量。三台单相三绕组电压互感器构成的星形和开口三角形接线方式则更为复杂,可同时测量相对地电压、相间电压及零序电压,广泛应用于需要全面监控电网电压状态的场合。三相电压互感器的星形接线体系中,一次绕组和二次绕组均连接成星形,一次侧中性点不接地,二次侧中性点接地,适合3至35千伏小接地电流系统;三相五柱式电压互感器不仅能测量线电压和相电压,还能监测零序电压,因而在330千伏及以上高压系统中应用广泛。理论上的电压互感器性能理想时,一次与二次电压之比应完全等于匝数比,电压相位应完全同步。
然而实际中,由于励磁电流和绕组阻抗的存在,电压幅值会产生一定误差,这种误差又称为变比误差或比差,并且存在相位角误差,称为角差。电压互感器比差是衡量实际输出电压与理论值之间偏差的关键指标,通常用百分比表示。相位角误差则说明二次电压信号相比一次电压信号的超前或滞后角度,这一指标对保护装置的准确动作尤为关键。电压互感器的准确度分为多个等级,常见有0.2、0.5、1和3级。级别越低,设备测量精度越高。0.2级适用于高精度实验室测量,0.5级和1级则多用于发电厂和变电站中的继电保护和仪表测量,3级多用于一般测量和部分保护用途。
准确度等级与二次负载额定容量直接相关,超负荷运行会降低互感器的准确度,因此在设计和使用时需要严格遵守规格参数,确保二次侧总负荷不超过规定额定容量。合理的应用和维护保证了电压互感器能够在电力系统中发挥其关键作用,确保电压测量的准确性和保护装置的可靠性。随着电力系统的不断发展,电压互感器的设计和制造技术也在不断进步,更多新型材料和结构被应用于制造过程,从而提升测量精准度和稳定性。总体来看,电压互感器作为连接高压侧电力系统与低压测量保护装置的桥梁,承担着保证电力系统安全、稳定运行的重要职责。了解其工作原理、分类、接线方式及误差特性,对电力系统的设计、运行和维护具有重要指导意义。 。
