电压互感器

定义

电压互感器是将一次侧电压按额定电压比转换成可供测量、保护或控制等仪器仪表或继电保护装置使用的二次侧电压的变压设备，属于特殊类型的电力变压器，本质上是降压变压器的一种^[1]。它的基本功用有两项：一是扩展电表量限，用于测量线路电压、功率和电能；二是把不同额定值的高电压统一变换为标准的低压值，例如 100 V 或 $100/\sqrt{3}$ V，以便二次设备统一接口^[1][2]。

电压互感器是一次系统与二次系统之间的联络元件，一次端子接入电网，二次输出端子分别与测量仪表、保护装置等相连^[3]。它与测量仪表和计量装置配合可测量一次系统的电压与电能，与继电保护和自动控制装置配合则可构成对电网各种故障的电气保护和自动控制，其性能好坏直接影响测量计量的准确性和继电保护动作的可靠性^[3]。

与普通电力变压器相比，两者的区别在于变换电压的目的：变压器变换电压是为了输送电能，容量很大，常以千伏安或兆伏安计；电压互感器变换电压是为了给测量仪表和继电保护装置供电，容量很小，一般只有几伏安到几十伏安，最大也不超过一千伏安^[4][5]。

原理

电磁式电压互感器的工作原理与变压器相同。其基本结构是铁心与一次、二次绕组，两个绕组之间以及绕组与铁心之间都有绝缘，从而实现电气隔离；运行时一次绕组并联接在线路上，二次绕组并联接仪表或继电器^[4][5]。在一次绕组施加电压 $U_1$ 后，铁心中产生磁通 $\varphi$，根据电磁感应定律在二次绕组中感应出二次电压 $U_2$；改变一次或二次绕组的匝数，即可得到不同的一次与二次电压比^[6]。正常使用时，电压互感器的变比约等于一、二次绕组的匝数比，两侧电压的相位差接近于零^[7]。

电压互感器的特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近空载状态，其本身阻抗很小^[4]。一旦二次侧发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈，因此原边接有熔断器，副边必须可靠接地，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^[4][8]。其稳态短路电流可达额定负荷电流的几十倍至几百倍，二次侧短路具有损坏互感器的危险^[8]。

测量用电压互感器一般做成单相双线圈结构，原边电压为被测电压，可单相使用，也可用两台接成 V-V 形作三相使用；实验室用的电压互感器往往原边带多抽头，以适应测量不同电压的需要^[4]。供电保护接地用的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，其引出端与接地保护继电器的电压线圈连接^[4]。

正常运行时系统三相电压对称，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，中性点出现位移，开口三角端子间出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用^[4]。为此，这类三相电压互感器采用旁轭式铁心，或采用三台单相电压互感器^[4]。

电容式电压互感器由电容分压器、中间变压器、补偿电抗器、阻尼器和负载等部分组成^[5]。电容分压器先把一次电压降低到一定水平，再交由后面的电磁单元处理；从一次侧看该互感器呈容性，能有效避免串级式电磁式电压互感器与电源侧开关断口电容等构成的串联谐振回路问题^[5]。

发展历程

早期电力系统的电压测量长期依靠电磁式电压互感器，其原理与基本结构和变压器完全相似，我国在 220 kV 及以下电压等级多采用这一型式^[9][10]。随着电网电压等级提高，绝缘结构与体积重量成为制约，电容式电压互感器因绝缘性能好、造价较低而逐步推广，如今在 110 kV 及以上系统中已成为主要型式，我国 110 kV 至 500 kV 电压等级均有应用，超高压只生产电容式电压互感器^[9][11]。

此后出现了电子式电压互感器与光学电压互感器。电子式电压互感器被视为智能电网的重要基础测量设备，可为智能电网的测量、计量控制与继电保护提供准确可靠的二次电压信息^[11]。光学电压互感器利用光学材料感知电压、用光纤传输信号，没有铁心、电感和铁磁谐振，也不存在铁心饱和，可克服磁饱和引起的波形畸变和压降导致的测量精度下降^[11]。1989 年美国田纳西流域管理局的 161 kV 电压互感器利用流过电容分压器的电流间接测量电压^[11]。

光学电压互感器目前仍多处于试运行阶段，以普克尔斯效应为主，所需光学元件较多，标定和批量生产困难，运行稳定性有待提高，距离商业化仍有相当距离^[11]。

应用

电压互感器按用途可分为测量用和保护用两类：测量用在正常电压范围内向测量、计量装置提供电网电压信息，保护用在电网故障状态下向继电保护等装置提供故障电压信息^[9]。测量用电压互感器的准确级通常采用 0.5 级，用于电能计量的计量专用互感器准确级一般不低于 0.2 级；保护绕组则要求 3P 或 6P 等级^[8]。

按绝缘方式，电压互感器可分为干式、浇注式、油浸式和充气式^[8]。干式结构简单、无着火和爆炸危险，但绝缘强度较低，只适用于 6 kV 以下的户内装置；浇注式结构紧凑、维护方便，适用于 3 kV 至 35 kV 户内配电装置；油浸式绝缘性能较好，可用于 10 kV 以上的户外配电装置；充气式则用于六氟化硫全封闭电器中^[8]。按安装地点还可分为户内式和户外式，35 kV 及以下多制成户内式，35 kV 以上则多制成户外式^[4][8]。

在特高压变电站中主要使用电容式电压互感器，又可分为敞开式和封闭式：敞开式由电容式分压器和电磁单元构成，一般为单相油浸式，用于敞开式配电装置；封闭式由电容分压器和电子放大器构成，在气体绝缘金属封闭开关设备中使用^[7]。电容式电压互感器还常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^[10]。

除电压测量外，电压互感器也在无功补偿等场合提供电压信号；用于无功补偿采样时优先选用 0.5 级，若同时用于关口贸易计量则升级为 0.2 级，保护回路选用 3P 级且保护绕组与测量绕组相互独立^[12]。选型时需使后端全部负载之和不超过互感器铭牌额定容量，二次电缆较长的场景宜选用容量更大的互感器，否则误差会增大、角差发生漂移^[12]。

局限

电磁式电压互感器的铁心是非线性的，当系统受到扰动使励磁电流变化、电感值与回路电容满足谐振条件时会发生铁磁谐振，容易导致某一相过载从而损坏互感器^[13]。在中性点非有效接地系统中，接地型电压互感器与母线对地电容并联，系统运行状态突变时可能发生并联谐振过电压，其幅值虽不高，但频率往往远低于额定频率，铁心高度饱和，绕组可能因励磁电流过大而损伤^[12]。在中性点有效接地系统中，用带断口均压电容的断路器开断空载母线时还可能形成串联谐振并损坏互感器，消除铁磁谐振的最根本办法是用电容式电压互感器替代电磁式电压互感器^[12]。

电容式电压互感器也有其不足。它含有分压结构和电磁单元，结构复杂，稳态计量结果容易受外界因素影响，误差稳定性较低，实际运行中容易超差^[11]。运行经验显示，在 110 kV 及以上电压等级中，电容式电压互感器的故障率约为电磁式电压互感器的 5 倍^[11]。此外，油浸式电容式电压互感器的介质损耗角正切较大，运行时会产生较大的电能损耗并使温度上升；绝缘油一旦渗漏会污染环境，发生击穿时绝缘油分解膨胀可能造成壳体爆裂^[3]。

从测量精度看，电压互感器的误差由空载误差和负荷误差两部分组成，前者与空载电流和一次绕组阻抗有关且与一次电压成非线性关系，后者与二次负荷和短路阻抗有关且与负荷成线性关系^[8]。由于励磁电流和内阻抗的影响，二次电压与一次电压的数值不会严格相等，相位差也不是 180°，由此产生电压误差和相位误差^[8]。测量准确级通常分为 0.1、0.2、0.5、1、3 等级，保护准确级为 3P、6P，只有二次负荷处于额定输出的 25% 至 100% 范围内时误差限值才有保证^[8]。外接负荷容量大于额定值时，互感器的准确级将降低^[8]。

传统电磁式电压互感器还存在绝缘结构复杂、体积大、成本高的问题，线性度较低，短路时容易饱和，静态和动态精度范围小，油浸纸绝缘易燃易爆、安全性不足^[11]。现代化的微机综合测量保护装置及仪器仪表不再需要互感器提供能量，只需将一次电压信息完整、及时、准确地采集并传送过来即可，传统电磁式电压互感器难以直接完成计算机技术对电压完整信息进行数字化处理的要求^[14]。

参见

• 电流互感器 —— 与本词条同属仪用互感器，用于把一次侧大电流变换为二次侧小电流。

• 变压器 —— 电压互感器的基本结构与工作原理均与变压器相似。

• 电容式电压互感器 —— 由电容分压器与电磁单元构成，在高电压等级电网中广泛使用。

• 电子式电压互感器 —— 输出数字信号的电压测量设备，用于智能变电站。

• 继电保护 —— 电压互感器为其提供故障状态下的电压信号。

• 电能计量装置 —— 与电压互感器配合测量一次系统的电压与电能。