互感器的结构和工作原理

1、 互感器的结构和工作原理电力系统要安全经济运行，必须装设一些测量仪表，以测量电路中各种电气量，如电压、电流、功率、电能等。我们经常还会遇到测量要求较高电压和较大电流的各种电气量。为了更方便更正确地获得这种被测量的数值，必须使用互感器。互感器的主要作用有：（1）将高电压变为低电压（100V），大电流变为小电流（5A）。（2）使测量二次回路与一次回路高压和大电流实施电气隔离，以保证测量工作人员和仪表设备的安全。（3）采用互感器后可使仪表制造标准化，而不用按被测量电压高低和电流大小来设计仪表。（4）取出零序电流、电压分量供反应接地故障的继电保护装置使用。第一节 电流互感器的结构和工作原理一、电流互感

2、器的主要技术数据 （）电流互感器分类 目前，电流互感器的分类按不同情况划分如下：（1）电流互感器按用途可分为两类：一是测量电流、功率和电能用的测量用互感器；二是继电保护和自动控制用的保护控制用互感器。 （2）根据一次绕组匝数可分为单匝式和多匝式，如图4-1所示。单匝式又分为贯穿型和母线型两种。贯穿型互感器本身装有单根铜管或铜杆作为一次绕组；母线型互感器则本身未装一次绕组，而是在铁芯中留出一次绕组穿越的空隙，施工时以母线穿过空隙作为一次绕组。通常油断路器和变压器套管上的装入式电流互感器就是一种专用母线型互感器。（） （b） （c）图4-1 电流互感器的结构原理（）单匝式；（b）多匝式；（c）具有

3、两个铁芯式 （3）根据安装地点可分为户内式和户外式。（4）根据绝缘方式可分为干式，浇注式，油浸式等。干式用绝缘胶浸渍，适用于作为低压户内的电流互感器；浇注式用环氧树脂作绝缘，浇注成型；油浸式多为户外型。（5）根据电流互感器工作原理可分为电磁式、光电式、磁光式、无线电式电流互感器。（二）电流互感器的型号规定目前，国产电流互感器型号编排方法规定如下：产品型号均以汉语拼音字母表示，字母含义及排列顺序见表5-l。表4-1 电流互感器型号字母含义第一个字母第二个字母第三个字母第四个字母第五个字母字母含义字母含义字母含义字母含义字母含义L电流互感器A穿墙式C瓷绝缘B保护级D差动保护B支持式G改进的D差动保

4、护C瓷箱式J树脂浇注J加大容量D单匝式K塑料外壳Q加“强”式F多匝式L电容式绝缘Z浇注绝缘J接地保护M母线式M母线式P中频Q线圈式S速饱和R装入式W户外式Y低压的Z浇注绝缘Z支柱式（三）电流互感器的主要参数 1额定电流变比 额定电流变比是指一次额定电流与二次额定电流之比（有时简称电流比）。额定电流比一般用不约分的分数形式表示，如一次额定电流I1e和二次额定电流I2e分别为100、5 A，则KII1e/I2e100/5 所谓额定电流，就是在这个电流下，互感器可以长期运行而不会因发热损坏。当负载电流超过额定电流时，叫作过负载。如果互感器长期过负载运行，会把它的绕组烧坏或缩短绝缘材料的寿命。 2准确

5、度等级 由于电流互感器存在着一定的误差，因此根据电流互感器允许误差划分互感器的准确度等级。国产电流互感器的准确度等级有0.01、0.02、0.05、0.1、0.20.5、1.0、3.0、5.0、0.2S级及0.5S级。 0.1级以上电流互感器，主要用于试验室进行精密测量，或者作为标准用来检验低等级的互感器，也可以与标准仪表配合，用来检验仪表，所以也叫作标准电流互感器。用户电能计量装置通常采用0.2级和0.5级电流互感器，对于某些特殊要求（希望电能表在0.056A之间，即额定电流5A的1120之间的某一电流下能作准确测量）可采用0.2S级和0.5S级的电流互感器。 3额定容量 电流互感器的额定容

6、量，就是额定二次电流I2e通过二次额定负载Z2e时所消耗的视在功率S2e，所以S2eI2e2Z2e 一般情况I2e 5A，因此，S2e 52Z2e25Z2e，额定容量也可以用额定负载阻抗Z2e 表示。 电流互感器在使用中，二次连接线及仪表电流线圈的总阻抗，不能超过铭牌上规定的额定容量且不低于14额定容量时，才能保证它的准确度。制造厂铭牌标定的额定二次负载通常用额定容量表示，其输出标准值有2.5、5、10、15、25、30、50、60、80、100VA等。 4额定电压 电流互感器的额定电压，是指一次绕组长期对地能够承受的最大电压（有效值）。它只是说明电流互感器的绝缘强度，而和电流互感器额定容量没

7、有任何关系。它标在电流互感器型号后面。例如LC W35，其中“35”是指额定电压，它以kV为单位。 5极性标志 为了保证测量及校验工作的接线正确，电流互感器一次和二次绕组的端子应标明极性标志。 （1）一次绕组首端标为L1，末端标为L2。当多量限一次绕组带有抽头时，首端标为L1，自第一个抽头起依次标为L2，L3。 （2）二次绕组首端标为K1，末端标为K2。当二次绕组带有中间抽头时，首端标为K1，自第一个抽头起以下依次标志为K2，K3。 （3）对于具有多个二次绕组的电流互感器，应分别在各个二次绕组的出线端标志“K”前加注数字，如1K1，1K2，1K3；2K1，2K2，2K3。 （4）标志符号的排列

8、应当使一次电流自L1端流向L2端时，二次电流自K1流出，经外部回路流回到K2。 从电流互感器一次绕组和二次绕组的同极性端子来看，电流I1、I2的方向是相反的，这样的极性关系称为减极性，反之称为加极性。电流互感器一般都按减极性表示。二、电流互感器的结构和工作原理（一）电流互感器的结构 目前，电力系统中使用的电流互感器一般为电磁式，其基本结构与一般变压器相似，由两个绕制在闭合铁芯上、彼此绝缘的绕组（一次绕组和二次绕组）所组成，其匝数分别为N1和N2，如图4-2所示。一次绕组与被测电路串联，二次绕组与各种测量仪表或继电器的电流线圈相串联。电力系统中，经常将大电流I1变为小电流I2进行测量，所以二次绕

9、组的匝数N2大于一次绕组的匝数N1。电流互感器的二次额定电流一般为5A，也有1A和0.5A的。电流互感器在电气图中文字符号用TA表示。（） （b） 图4-2 电流互感器原理结构图和接线图（）原理结构图；（b）接线图 （二）工作原理和特性电流互感器的工作原理与一般变压器的工作原理基本相同。当一次绕组中有电流通过时，一次绕组的磁动势产生的磁通绝大部分通过铁芯而闭合，从而在二次绕组中感应出电动势。如果二次绕组接有负载，那么二次绕组中就有电流通过，有电流就有磁动势，所以二次绕组中由磁动势产生磁通，这个磁通绝大部分也是经过铁芯而闭合。因此铁芯中的磁通是由一、二次绕组的磁动势共同产生的合成磁通，称为主磁通

10、。根据磁动势平衡原理可以得到 （4-1）式中 励磁磁动势。如果忽略铁芯中各种损耗，可认为，则 （4-2）这是理想电流互感器的一个很重要的关系式，即一次磁动势安匝等于二次磁动势安匝，且相位相反。进一步化简式（4-2），得到 （4-3）即理想电流互感器两侧的额定电流大小和它们的绕组匝数成反比，并且等于常数KI，称为电流互感器的额定变比。 电流互感器的基本工作原理、结构型式与普通变压器相似，但是电流互感器的工作状态与普通变压器有显著的区别： （1）电流互感器的一次电流（I1）取决于一次电路的电压和阻抗，与电流互感器的二次负载无关，即当二次负载变化时，例如多串几只电流表或少串几只电流表，不能改变其一次

11、电流值的大小。 （2）电流互感器二次电路所消耗的功率随二次电路阻抗的增加而增大，即S2I22eZb。 （3）电流互感器二次电路的负载阻抗都是些内阻很小的仪表，如电流表以及电能表的电流线圈等，所以其工作状态接近于短路状态。 普通电流互感器的铁芯通常制成芯式，材料是优质硅钢片。为了减小涡流损耗，片与片之间彼此绝缘。 准确度级别高的实验室用电流互感器铁芯是用坡莫合金制成，其截面为环形，这种合金具有较高的起始导磁率以及很小的损耗。 （三）电流互感器的误差特性及补偿方法 前面提出的理想电流互感器实际是不存在的，即励磁安匝不为零，一次磁动势安匝数不等于二次磁动势安匝数，在铁芯和绕组中存在损耗，所以，实际电

12、流互感器是存在着误差。 图4-3是电流互感器的简化相量图，电流互感器二次绕组的感应电动势迟后铁芯中磁通约90o。忽略二次绕组的漏阻抗压降，认为，二次回路负载的功率因数角为2。 由相量图4-3中得到，二次安匝数旋转180o后（即）与一次安匝数的相量相比较，其大小不等，相位也不同，即存在着两种误差，分别称为比值误差和相角误差。图4-3 电流互感器的简化相量图比值误差简称比差，用fI表示。它等于 （4-4）式中 I1实际的一次电流； I2实际的二次电流； KI实际的电流变比； KI额定电流变比。 由式（4-4）可知，实际的二次电流乘以额定变比KI后，如果大于一次电流，比差为正值。反之，则为负值。 相

13、位角误差简称角差。它是旋转180o后的二次磁动势安匝数与一次磁动势安匝数之间的相位差，用I表示，通常用“”（分）作为计算单位。若超前，角差为正值；若迟后，角差为负值。从相量图4-3中可求出比差与角差的公式，因为I很小，所以认为OBOCI1N1，其中因为ACOCOAI1N1I2N2，所以 （4-5）式（4-5）中的负号表示I2N2小于I1N1，即比差一般情况下为负值；为电流铁芯中的损耗角；2为电流互感器二次负载的功率因数角。又因为 通常I很小，可以认为sinII （4-6）因为I的单位为“”，所以将度化为分的公式是。 在三角形ABC中，若将AB以I10/I1取代，则I10/I1的垂直分量相当于角

14、差I，水平分量相当于比差fI。 式（4-5）和式（4-6）表明：电流互感器的比差与角差的大小与励磁电流I10、负载功率因数2、损耗角有关。 互感器误差还受到工作条件的影响： （1）一次电流的影响。当电流互感器工作在小电流时，由于硅钢片磁化曲线的非线性影响，其初始的磁通密度较低，因而导磁率小，引起的误差增大。所以在选择电流互感器容量时，不能选得过大，以避免在小电流下运行。图4-4（a）示出了误差与一次电流（图中以百分数表示）的关系，称为电流特性。图4-4 电流互感器的误差特性（）电流特性；（b）二次负载特性；（c）负载功率因数特性；（d）频率特性（2）二次负载的影响。二次负载阻抗Zb增加（如多接

15、几只仪表），由于一次电流I1不变（即I1N1不变），当Zb增加时（设负载功率因数cos2不变），则二次电流I2（即I2N2）减小，根据磁动势平衡方程，则增加，因而比差及角差增大。 当二次负载功率因数角2增加时，比差fI增大，见式（4-5），而角差I减小，见式（4-6）；反之亦然。但此部分比差和角差的变化很小，在实用中对准确度等级低的互感器而言可以忽略不计。 电流互感器误差与负载变化之间的关系如图4-4（b）和（c）所示。 （3）电源频率的影响。式（4-5）和式（4-6）是在频率为50HZ下求得的。频率降低时，将使2等减小，影响误差。其相互关系如图4-4（d）所示。根据上述情况，电流互感器误差特

16、性变化可归纳于表4-2中。 表4-2 电流互感器误差特性相对于额定值的变化比差角差电流特性一次电流减小时负载特性负载减小时负载功率因数特性负载功率因数向滞后变化电源频率变化频率降低时剩磁影响去磁时注 “”号表示向负值方向变化；“”号表示向正值方向变化。为了减小误差，提高电流互感器测量的准确度，最有效的方法是尽可能地减小励磁电流I10。I10的大小取决于铁芯的材质、尺寸、绕组匝数及二次负载的特性和大小。铁芯的导磁率愈高，铁损愈小，则励磁电流愈小。缩短导磁体的长度，并增大它的截面积，使磁阻减小，也能减小励磁电流。此外，经常还采取以下三种人工调节误差的方法。（1）匝数补偿法。改变二次绕组匝数，就可改

17、变电流互感器的电流变比。如将二次绕组匝数减少，使二次电流相应增大，补偿了励磁电流引起的负的比差。这是一种简单而广泛采用的方法，但是这种方法，对角差影响极小，因此常用来补偿比差。（2）二次绕组并联附加阻抗元件。改变电流互感器的负载，就改变了二次电流I2的大小和相位关系，就可改变电流互感器的误差。并联附加阻抗的电路如图4-5（a）所示。阻抗Zb是电流互感器原有的二次负载，并联附加阻抗Z后（ZZb），就有附加电流。此电流折算到一次后（），它在相量上的水平投影相当增加一个比差分量fI，垂直分量相当于角差分量I，如图4-5（b）所示。将它与图4-3相比，可以看出：fI与fI方向相同，也就是比差增大；而I

18、与I方向相反，所以角差减小。图4-5（c）是并联电容元件C后的相量图。其中fI与I均与图4-3中fI与I方向相反，使比差与角差都减小，从而达到补偿比差与角差的目的。这是一种常用的补偿方法。图4-5（d）是并联电感元件，fI和I使比差和角差均加大，因而不能采用。需要指出的是；一般情况下，因为电流互感器误差补偿值都很小，故可近似认为在补偿前后互感器整个铁芯的磁通密度和磁场强度都不变，也就是原互感器的比差和角差基本不变。这样就可以应用叠加原理求得补偿后的比差和角差。即 （3）附加磁场法。采用附加磁场方法，是人为地使铁芯磁化到相当于最大导磁率的程度。这时若要产生一定的磁通，励磁安匝数就可以相对地减小，

19、从而使误差降低。图4-5 电流互感器二次并联附加阻抗（）原理接线图；（b）并联一般阻抗；（c）并联电容元件；（d）并联电感元件 四、电流互感器的接线方式 1两相星形（V形）连接由两台电流互感器构成，A和C相所接电流互感器的二次绕组一端接到表计，另一端相互连接后至B相表计或接至a、c相表计出线端连接处。两台电流互感器的二次绕组电流分别为和，公共接线中流过的电流为，如图4-6所示，这种连接方式常用在三相三线电路中。它的优点： （1）节省导线。 （2）能利用接线方法取得第三相电流，一般为B相电流。 但这种连接方法有其缺点： （1）现场用单相方法校验时，由于实际二次负载与运行时不一致，有时必须要采用三

20、相方法（或其他类似方法），给校验工作带来一些困难。 （2）由于有可能其中一相极性接反，公共线电流变成差电流，使错误接线机率相对地较多一些。为此，有的地区在电能计量回路中采用分相接法。图4-6 两相星形（V形）原理接线图 2分相连接分相连接就是各相分别连接，如图4-7所示。其优点是：（1）现场校验与实际运行时负载相同。（2）错误接线机率相对地少些。缺点是增加了一根导线。图4-7 分相原理接线图3三相星形（Y形）连接三相四线电路中多采用三相星形连接，如图4-8所示。图中，A、B、C三相电流互感器的二次绕组分别流过电流、。当三相电流不平衡时，公共接线中的电流，当三相电流平衡时，。这种接线方法不允许断

21、开公开接线，否则影响计量精度（因为零序电流没有通路）。图4-8 三相星形（Y）原理接线图 五、电流互感器的正确使用 1电流互感器的选择（1）额定电压的选择。电流互感器的额定电压必须满足下列条件式中 Ux电流互感器安装处的工作电压； Ue电流互感器的额定电压。（2）额定变比的选择。长期通过电流互感器的最大工作电流应小于或等于互感器一次额定电流，即IxI1e，但不宜使互感器经常工作在额定一次电流的13以下。电流互感器一次额定电流有：5、10、15、20、30、40、50、75、100、150、200、300、400、600、800、1000、1200、1500、2000、3000、4000、500

22、0、6000、8000、10000A。（3）准确度等级的选择。在发电厂、变电站、电力用户运行中的电能计量装置按其所计量的电量不同和计量对象的重要程度分五类（、）进行管理。 1）类电能计量装置。月平均用电量500万kW h及以上或变压器容量为10000kVA及以上的高压计费用户、200MW及以上发电机、发电企业上网电量、电网经营企业之间的电量交换点、省级电网经营企业与其供电企业的供电关口计量点的电能计量装置。 2）类电能计量装置。月平均用电量100万kW h及以上或变压器容量为2000kVA及以上的高压计费用户、100MW及以上发电机、供电企业之间的电量交换点的电能计量装置。 3）类电能计量装置

23、。月平均用电量10万kWh及以上或变压器容量为315kVA及以上的计费用户、100MW以下发电机、发电企业厂（站）用电量、供电企业内部用于承包考核的计量点、考核有功电量平衡的110kV及以上的送电线路电能计量装置。 4）类电能计量装置。负载容量为315kVA以下的计费用户、发供电企业内部经济技术指标分析、考核用的电能计量装置。 5）V类电能计量装置。单相供电的电力用户计费用电能计量装置。各类电能计量装置应配置的电能表、互感器的准确度等级不应低于表4-3所示值。表4-3 配置的电能表、互感器准确度等级电能计量装置类别准确度等级有功电能表无功电能表电压互感器电流互感器0.2S或0.5S2.00.2

24、0.2S或0.20.5S或0.52.00.20.2S或0.21.02.00.50.5S2.03.00.50.5S2.00.5S注0.2级电流互感器仅发电机出口电能计量装置中配用。 （4）额定容量的选择与计算。电流互感器的额定容量S2eI22eZb，Zb为互感器二次额定负载阻抗。接入互感器的二次负载容量S2应满足0.25S2eS2S2e。 由于电流互感器二次额定电流I2e已标准化，一般为5A。所以二次负载容量的计算主要决定于负载阻抗Zb的计算。Zb包括表计阻抗Zm、接头的接触电阻Rk（一般取0.010.5）以及导线电阻。 负载阻抗中前二者为确定值，唯有导线电阻为不定值。导线的计算长度决定于测量仪

25、表与电流互感器的电气距离和电流互感器的连接方式。 1）分相连接时，二次负载阻抗的计算。分相连接（如图4-9所示）可按单相接线来计算。设每根导线电阻值为RL，二次回路负载阻抗为 （4-7）导线电阻RL前面的系数K称为接线系数，在这里K2。图4-9 分相接线图2）二相星形连接时二次负载阻抗的计算。从图4-6中看出，A相电流互感器的二次电压为所以电流互感器二次负载为 （4-8）其中K。从上式得出，当电流互感器按二相星形连接时，二次导线电阻变为RL。这也相当于导线长度增加到L，即所谓计算长度为L。 3）三相星形连接时二次负载阻抗的计算。同理分析，可得到 ZbZmRLRK （4-9）其中K1，设三相电流

26、平衡，所以IN0。2使用互感器应注意的问题 为了达到安全和准确测量的目的，必须注意以下事项： （1）运行中的电流互感器二次绕组不许开路。根据磁动势平衡方程，二次绕组开路，磁动势为零，则，一次电流完全成为励磁电流，致使铁芯磁通急剧增加，磁通密度由正常时的0.060.IT急剧增加达1.41.8T，于是感应电动势很高。此时二次绕组将会出现峰值达数千伏的高电压，危及人身安全，损坏仪表和破坏互感器的绝缘。此外，磁通密度的增大，使铁芯损耗增加，铁芯和绕组将因过热而损坏。 （2）电流互感器绕组应按减极性连接。（3）电流互感器二次侧应可靠接地，防止一次侧的高压窜入二次侧，但只允许有一个接地点，在就近电流互感器

27、端子箱内，经端子接地。 六、各种类型的电流互感器 现介绍几种常用的电流互感器。 1LFC10型多匝穿墙式电流互感器如图4-10所示，其一次绕组穿过瓷绝缘套管1，并固定在法兰盘2上，两端附有接头盒3，一次绕组引出端接线板4与配电装置母线连接。二次绕组装在封闭的外壳6内，二次绕组由接线端子5引出。 图4-10 LFC10型电流互感器 图4-11 LDC10电流互感器1-瓷绝缘套管；2-法兰盘；3-接头盒； 1-一次绕组；2-瓷套管；3-法兰盘；4-接线板；5-二次绕组接线端子；6-外壳 4-外壳；5-二次绕组接线端子 2LDC10单匝穿墙式电流互感器这种系列的电流互感器如图4-11所示，一次绕组为

28、贯穿于瓷件中的一根紫铜棒，一次绕组和瓷件贯穿在铁芯中，固定在法兰盘3上，二次绕组装在封闭外壳4内，二次绕组由引出端子5引出。 3LQJ10型环氧树脂浇注电流互感器该型电流互感器如图4-12所示，一次和二次绕组由环氧树脂浇注，一次绕组由引出端1引出，二次绕组5由接线端3引出。其主要优点是体积小，重量轻，电气绝缘性能好。目前用于10kV及以下配电装置。4LMC10母线型穿墙式电流互感器它的一次绕组为母线，穿过瓷套管1，瓷套管又贯穿在铁芯中，瓷套管两端有瓷套帽和夹板，为夹紧母线之用，如图4-13所示。 图4-12 LQJ10电流互感器 图4-13 LMC10电流互感器1-一次接线瑞；2-一次绕组环氧

29、树脂浇注； 1-瓷套管3-二次接线端；4-铁芯；5-二次绕组；6-警告牌（上写“二次绕组不得开路”等字样）第二节 电压互感器的结构和工作原理一、电压互感器的主要技术数据 （）电压互感器的分类目前，电压互感器的分类按不同情况划分如下： 1按用途分类 测量用电压互感器和保护用电压互感器，这两种电压互感器，又可分为单相电压互感器和三相电压互感器。 2根据安装地点分类 户内型电压互感器和户外型电压互感器。 3根据电压变换原理分类 （1）电容式电压互感器，以电容分压来变换电压； （2）光电式电压互感器，以光电元件来变换电压； （3）电磁式电压互感器，以电磁感应来变换电压。 电磁式电压互感器是本书重点介绍

30、的电压互感器，以后凡是未加特殊说明的电压互感器，均指电磁式电压互感器。 4根据结构不同分类 （l）单级式电压互感器，一次绕组和二次绕组均绕在同一个铁芯柱上。（2）串级式电压互感器，一次绕组分成匝数相同的几段，各段串联起来，一端子连接高压电路，另一端子接地。（二）电压互感器的型号规定目前，国产电压互感器型号编排方法如下： 电压互感器型号中的字母，都用汉语拼音字母表示，字母排列顺序及其对应符号含义如表4-4所示。电压互感器在特殊使用环境的代号，主要有以下几种：CY一船舶用；GY一高原地区用；W一污秽地区用；AT干热带地区用；TH一湿热带地区用。表4-4 电压互解器型号字母的含义及排列顺序序号类别含

31、义代表字母1名称电压互感器J2相数单相三相DS3绕组外的绝缘介质变压器油空气(干式的)浇注成固体形气体GZQ4结构特征带备用电压绕组三柱芯带补偿绕组五柱芯每相三绕组串级式带备用电压绕组XBWC （一）电压互感器的主要参数 1绕组的额定电压 额定一次电压是指可以长期加在一次绕组上的电压，并在此基准下确定其各项性能；根据其接入电路的情况，可以是线电压，也可以是相电压。其值应与我国电力系统规定的“额定电压”系列相一致。 额定二次电压，我国规定接在三相系统中相与相之间的单相电压互感器为100V，对于接在三相系统相与地间的单相电压互感器，为V。 2额定电压变比额定电压变比为额定一次电压与额定二次电压之比

32、，一般用不约分的分数形式表示为 3额定二次负载 电压互感器的额定二次负载，为确定准确度等级所依据的二次负载导纳（或阻抗）值。额定输出容量为在二次回路接有规定功率因数的额定负载，并在额定电压下所输出的容量，通常用视在功率（单位VA）表示。 实际测试中，电压互感器的二次负载常以测出的导纳表示，负载导纳与输出容量的关系为 由于U2的额定值为100V，故常可用SY104来计算。4准确度等级由于电压互感器存在着一定的误差，因此根据电压互感器允许误差划分互感器的准确度等级。国产电压互感器的准确度等级有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、3.0、5.0级。 0.1级以上电压互感器，

33、主要用于试验室进行精密测量，或者作为标准用来检验低等级的互感器，也可以与标准仪表配合，用来检验仪表，所以也叫作标准电压互感器。用户电能计量装置通常采用0.2级和0.5级电压互感器， 制造厂在铭牌上标明准确度等级时，必须同时标明确定该准确度等级的二次输出容量，如0.5级、50VA。5极性标志为了保证测量及校验工作的接线正确，电压互感器一次及二次绕组的端子应标明极性标志。电压互感器一次绕组接线端子用大写字母A、B、C、N表示，二次绕组接线端子用小写字母、b、c、n表示。 二、工作原理和误差特性 （一）工作原理 电压互感器的工作原理、结构和接线方式与电力变压器相似，同样是由相互绝缘的一次、二次绕组绕

34、在公共的闭合铁芯上组成的，如图4-14所示。其主要区别是二者容量不同，且电压互感器是在接近空载的状态下工作的。（） （b）图4-14 电压互感器的原理结构图和接线图 （）原理结构图；（b）接线图电压互感器将高电压变为低电压供电给仪表，所以它的一次匝数N1多，二次匝数N2少。一次绕组与被测电压并联，二次绕组与各种测量仪表或继电器的电压线圈相并联。电压互感器的二次侧应装设熔断器，以保护自身不因二次绕组短路而损坏；在有可能的情况下，一次侧也应装设熔断器，以保护高压电网不因互感器一次绕组或引线故障危及一次系统安全。电压互感器在电气图中文字符号用TV表示。 当一次绕组加上电压时，铁芯内有交变主磁通通过，

35、一、二次绕组分别有感应电动势和。将电压互感器二次绕组阻抗折算到一次侧后，可以得到如图4-15和图4-16所示的T形等值电路图和相量图。从等值电路图中得到式中 R1、X1一次绕组的电阻和阻抗； R2、X2二次绕组折算到一次侧的电阻和阻抗。若忽略励磁电流和负载电流在一、二次绕组中产生的压降，得到，则 (4-10)这就是理想电压互感器的电压变比，称为额定变比，即理想电压互感器一次绕组电压U1与二次绕组电压U2的比值是个常数，等于一次绕组和二次绕组的匝数比。图4-15 电压互感器T形等值电路图 图4-16电压互感器相量图 实际上，电压互感器是有铁损和铜损的，绕组中有阻抗压降。从相量图4-16中看出，二

36、次电压旋转180o以后（）与一次电压大小不等，且有相位差，就是说电压互感器存在着比差和角差。比差用fU表示，它等于 （4-11）式中 U1实际一次电压有效值； U2实际二次电压有效值； 实际电压互感器变比，； KU额定电压互感器变比，。 相角差简称角差，是指一次电压与旋转180o后二次电压相量间的相位差，用U表示，单位为“”（分）。当旋转后的二次电压超前于一次电压相量时，角差为正值；反之，角差为负值。（二）误差特性 1电压互感器的负载特性 电压互感器二次负载电流的大小和性质，对比差和角差均有影响。图4-17为一次电压不变时，比差、角差随二次电流的变化关系。图中空载（I20）时，比差为负，角差为

37、正。空载时的比差和角差是由互感器的结构和空载电流决定的，空载电流越大，则比差向负的方向增加，角差向正的方向增加。图4-17 电压互感器的负载特性 随着负载电流的增加，比差要在空载的基础上继续向负的方向增加，且功率因数越低，向负的方向增加得越多。而角差在功率因数较低时，随负载电流的增加总是向正的方向增加的；当功率因数较高时，则先由正值变为零再向负的方向增加。 由于二次负载对比差、角差产生影响，是二次电流在绕组中产生的电压降所致。因此，限制绕组导线的电流密度，减小绕组的漏磁以降低漏抗，是提高电压互感器准确度的有效措施。 2电压互感器的电压特性电压特性就是电压互感器的比差和角差与一次电压的关系，其变

38、化趋势如图4-18所示。一次电压对比差和角差的影响，可由铁芯的磁化曲线得到解释。如图4-19所示，由于铁芯的导磁率和损耗角均为非线性，所以，对同样的磁场强度增量H，对应磁化曲线不同部分的磁感应强度增量B是各不相同的。当一次电压较低时，由于导磁率较低，所需励磁电流I0较大，故空载时的比差f0和角差0均较大。随着电压的增加，导磁率增加，铁芯工作在磁化曲线的平直部分，所以，比差和角差开始减小并逐渐趋于平稳。可见，应使电压互感器一次侧工作于额定电压下。 图4-18 电压互感器的电压特性 图4-19 铁芯磁化曲线（三）电压互感器误差的补偿方法如上所述，空载电流和负载电流在电压互感器一、二次绕组阻抗上，特

39、别是在电阻上产生的电压降，是引起比差和角差的主要原因。I0越大，则空载误差（也称固有误差）越大。内部参数（R1、R2、X1、X2）越大，负载电流增加时会引起较大的电压降，使误差增加。此外，R1、R2与X1、X2比值的变化，对角差也要产生影响。因此，为提高电压互感器的准确度，从设计方面可采取以下措施。 （1）铁芯选用导磁率较高的材料，如单晶冷轧硅钢片，含镍50的坡莫合金等。 （2）适当增加绕组导线截面积，以减小电阻。（3）绕组装配尽量紧凑、均匀，以减小漏抗。以上措施必然会增加制造成本。为此，还可以采取以下几种误差补偿方法。1匝数补偿法 由于电压互感器一、二次电压与绕组的匝数成正比，故适当地增加或

40、减少绕组的匝数，电压也将相应地增加或减小。例如，二次绕组适当增加，则二次电压增加，当一次电压不变时，则实际变比KU有所下降。若适当减少二次绕组匝数，则比差要向负的方向变化，使比差特性变坏。改变一次绕组匝数对比差的影响效果与改变二次绕组匝数恰好相反。 为使调整幅度不致过大，可将二次绕组用双股或多股导线绕制。当用双股或n股导线增加（或减少）匝数，便可收到1/2或1/n匝的补偿效果。在实际调整中，为获得所需要的比差特性，一般是在50额定负载时，把比差调到零。这样，当负载较小时比差为正，当负载较大时比差为负。因此，比差特性可得到改善。 应指出，匝数补偿法只能改善比差特性，而不能改善角差特性。 2附加绕

41、组补偿法 如图4-20（a）所示，将一个附加绕组（又称补偿绕组）NK经电阻R并联于二次绕组N2上。令NK比N2少一匝或几匝，于是它们产生的感应电动势，但两个电动势的相位是相同的。二者差电动势为，在的作用下产生一平衡电流，如图4-20（b）所示，的大小和相位由电阻R和两个绕组NK和N2的内阻抗决定。因此，改变电阻R和NK、N2的匝数，便可改变的大小和相位，从而可改变二次电压的大小和相位，于是比差fU和角差U随之改变。只要适当选择NK和N2的匝数及R的数值，便可将fU和U补偿到满意的程度。（） （b）图4-20 并联附加绕组的补偿原理图（）原理接线图；（b）相量图 3二次绕组并联外阻抗补偿法一般是

42、采用并联电容器进行补偿，如图4-21所示。并联电容C以后，二次绕组中要产生超前其二次电压90o的电容电流。根据磁动势平衡原理，在一次绕组中必然增加一个电流以便与相平衡。和分别流过一、二次绕组时要产生阻抗电压降和，因此，要引起附加误差。如果将折算到一次侧变为，并以复数误差表示电容电流引起的附加误差，则有如图4-21（b）所示，的水平分量为附加比差，它对有补偿作用；的垂直分量为附加角差，它对无补偿作用。补偿的数值与一、二次绕组的内阻抗及电容电流的大小成正比而与二次负载无关，故并联电容器补偿法实际上只相当补偿了空载误差。（） （b）图4-21 并联外加阻抗的补偿原理（）原理接线图；（b）复数误差相量

43、图 三、电压互感器的正确使用 1电压互感器的选择 （l）额定电压的选择。电压互感器的额定电压是指加在三相电压互感器一次绕组上的线电压，是绕组能够长期工作的电压，有 6、10、35、60、110、220、330、500kV等；接于三相系统与地之间的单相电压互感器，其一次额定电压为上述一次额定电压的1。选择时，电压互感器一次绕组额定电压应大于接入的被测电压的0.9倍，小于被测电压的1.1倍。即 （2）准确度等级的选择。电压互感器的准确度等级选择与电流互感器的准确度等级选择相同。 （3）接线方式的选择。电压互感器的接线方式有多种，计量有功电能和无功电能时，常用图4-22和图4-23两种接线方式。（4

44、）额定容量的选择。按照二次负载取用的总视在功率S选择电压互感器的额定容量Se，公式为S电压互感器每相的二次负载并不一定相等，因此应按最大一相取用的负载功率来考虑选择。二次负载取用的总视在功率可按下式粗略计算 （4-12）式中 P各仪表消耗的有功功率；Q各仪表消耗的无功功率。制造厂铭牌标定的额定二次负载通常用额定容量表示，其输出标准值有10、15、 25、30、50、75、100、150、200、250、300、400、500、1000VA。 对于三相电压互感器，由于互感器和负载接线方式不同，其二次负载容量的计算方法就不同，这将在下文中专门讨论。 2使用电压互感器应注意的问题 为了达到安全和准确

45、测量的目的，使用电压互感器必须注意以下事项： （1）按要求的相序进行接线，防止接错极性，否则将引起某一相电压升高倍。 （2）电压互感器二次侧应可靠接地，以保证人身及仪表的安全。（3）电压互感器二次侧严禁短路。 图4-22 电压互感器V形接线 图4-23 电压互感器Y形接线 四、电压互感器二次负载的计算 电压互感器二次负载对比差和角差的影响是很大的。所以，合理地选择其容量或配置适当的二次负载是提高准确度的重要条件。为此，应首先计算出二次负载。电压互感器二次侧所接仪表消耗的总视在功率按下式计算 （4-13）式中 S二次侧各个仪表电压线圈消耗的视在功率，VA； Pm二次侧各个仪表电压线圈消耗的有功功

46、率，W； Qm二次侧各个仪表电压线圈消耗的无功功率，var。二次负载还可以用二次负载导纳表示为 （S） （4-14）式中 U2e电压互感器二次侧额定线电压，V。应指出，用式（4-13）和式（4-14）求得的负载视在功率S和负载导纳Y，应被理解为三台电压互感器组的每一台绕组或三相电压互感器的每一相绕组所承担的负载视在功率和负载导纳。另外，在运用式（4-13）和式（4-14）时，还需根据电压互感器及其二次负载的不同接线方式，经过具体分析后才能进行计算，下面举例说明。 1电压互感器为V，v接线，负载为三角形接线如图4-24所示，设接于、b间电压互感器分担的总负载视在功率为S1，且S1由Sb和Sc构成。流过它们的电流分别为和。又设电压互感器二次额定线电压为U2e，且UbUcbUcU2e，设流过、b间电压互感器的总电流为I1，则 （VA） （4-15）（） （b）图4-24 电压互感器为V，v接线图（）接线图；（b）相量图为了求出I1，可将图4-24(b)中的和分别向投影，先求出I1的有功分量和无功分量，即 （4-16） （4-17） （4-18） 将式（4-18）代入式（4-15）便可求出第一台互感器承担的总负载视在功率。如果将式（4-16）和式（4-17）等号两边同乘以二次侧额定电压U2e，可得第一台互感器