2.1　電壓互感器及其二次回路

電壓互感器和變壓器很相像，都是用來變換電壓，但是變壓器變換電壓的目的是輸送電能，因此容量很大，一般都是以kV·A（千伏·安）或MV·A（兆伏·安）為計算單位，而電壓互感器變換電壓的目的，主要是用來給測量儀表和繼電保護裝置供電，用來測量電壓、功率和電能，或者用來在線路發生故障時保護線路中的貴重設備、電機和變壓器，因此，電壓互感器的容量很小，一般只有幾伏安、幾十伏安，最大也不超過1000V·A。

圖2-1所示為電壓互感器工作原理接線圖，電壓互感器的一次線圈匝數N₁較多，而二次線圈匝數N₂較少。工作時，一次線圈并聯在供電系統的一次回路中，二次線圈并聯測量儀表和繼電器的電壓線圈，由于這些電壓線圈的阻抗很大，所以電壓互感器工作時二次線圈接近于空載狀態。

2.1.1　電壓互感器的基本知識

（1） 電壓互感器的分類

①按工作原理分：電磁式電壓互感器和電容分壓式電壓互感器。

電磁式電壓互感器的原理與基本結構和變壓器完全相似；電容式電壓互感器是由電容分壓器、補償電控器、中間變壓器、阻尼器及載波裝置保護間隙等組成，常在中性點接地系統中作電壓測量、功率測量、繼電保護及載波通信用。

②按相數分：單相電壓互感器和三相電壓互感器。

電壓互感器大多是單相的。由三臺單相電壓互感器可組成三相電壓互感器；三相電壓互感器包括三相三柱式和三相五柱式兩種。

③按絕緣介質分：干式電壓互感器、澆注式電壓互感器、氣體絕緣電壓互感器和油浸式電壓互感器。澆注式適用于35kV及以下的電壓互感器，110kV及以上的電壓互感器主要采用油浸式。

④按繞組數分：雙繞組和多繞組。

雙繞組有一個一次繞組和一個二次繞組，多繞組有一個一次繞組和多個二次繞組。專供測量用的電壓互感器除一次繞組外，只需一個二次繞組給測量儀表供電即可。應用于電力系統的電壓互感器，除要求有一個或兩個二次繞組輸出信號給測量或過電壓保護裝置外，還需要提供接地故障保護所需要的零序電壓信號，這就要求互感器應做成三繞組或四繞組互感器。

⑤按安裝位置分：母線電壓互感器和線路電壓互感器。

（2） 電壓互感器的特點

①電壓互感器二次繞組的額定電壓　當一次繞組電壓為額定值時，二次額定線電壓為100V，額定相電壓為。對三相五柱式電壓互感器輔助二次繞組額定相電壓，用于35kV及以下中性點不直接接地系統為100/3V；用于110kV及以上中性點直接接地系統為100V。

②電壓互感器的變比　如圖2-1所示，若電壓互感器一次繞組為N₁匝，額定相電壓為U_1N；二次繞組為N₂匝，額定相電壓為U_2N，則變比n_TV為

電壓互感器的變比等于一、二次繞組匝數之比，也等于一、二次額定相電壓之比。

對于三相五柱式電壓互感器，為了使開口三角側輸出的最大二次電壓不超過100V，其變比n_TV有兩種情況。

a.用于35kV及以下中性點不直接接地系統，其變比n_TV為

b.用于110kV及以上中性點直接接地系統，其變比n_TV為

③電壓互感器二次側不允許短路　并接在電壓互感器二次繞組上的二次負載，是測量儀表、繼電保護及自動裝置的電壓線圈，電壓線圈導線較細，因此負載阻抗較大，而電壓互感器內阻抗很小，若電壓互感器二次側短路時，會出現危險的過電流，將損壞二次設備和危及人身安全。

（3）電壓互感器的接線

為滿足測量儀表和繼電保護裝置對接入的電壓的不同要求，因此形成了各種不同的電壓互感器接線方式，常用的幾種電壓互感器接線方式如下。

①單相電壓互感器的接線方式

a.圖2-2（a）所示為一臺單相電壓互感器的一次繞組接于相與地之間，適用于110～220kV中性點直接接地系統，用來測量相對地電壓。

b.圖2-2（b）所示為一臺單相電壓互感器的一次繞組接于相與相間，這種接線方式，電壓互感器一次側不能接地，二次繞組一端接地。但是二次繞組接地極不裝設熔斷器。這種接線只能用來測量線電壓，適用于3～35kV中性點不直接接地系統。

c.兩臺單相電壓互感器構成的V-V形接線方式。圖2-2（c）所示為兩臺單相電壓互感器構成V-V形的接線，兩臺互感器分別接在線電壓和上。采用這種接線方式，互感器一次繞組不能接地，二次繞組V相接地。V-V形接線方式適用于中性點非直接接地或經消弧線圈接地的電網中，只能測量線電壓，不能測量相電壓。

d.三臺單相三繞組電壓互感器構成的星形和開口三角形接線方式。圖2-2（d）所示為三臺單相三繞組電壓互感器組成的星形和開口三角形接線方式。電壓互感器的一次繞組和主二次繞組接成星形接線，并且中性點直接接地，主二次繞組引出一根中性線，輔助二次繞組接成開口三角形接線。這種接線方式既可以測量相對地電壓，又可以測量相間電壓以及零序電壓。

②三相電壓互感器的接線方式

a.三相電壓互感器的星形接線。圖2-2（e）所示為三相電壓互感器的星形接線方式。電壓互感器的一次繞組和二次繞組接成星形接線，一次繞組的中性點不接地，二次繞組的中性點直接接地。采用這種接線方式可以測量相間電壓，適用于3～35kV小接地電流系統。

b.三相五柱式電壓互感器的接線方式。圖2-2（f）所示為三相五柱式電壓互感器的接線方式。電壓互感器的一次繞組和主二次繞組接成星形接線，其中性點直接接地，輔助二次繞組接成開口三角形。采用這種接線方式既可以測量線電壓，也可以測量相電壓，同時還可以測量零序電壓，廣泛用于330kV及以上系統中。

（4） 電壓互感器的誤差

在理想的電壓互感器中，一次電壓與二次電壓之比完全等于其匝數之比，相位也完全相同（二次電壓旋轉180°之后）。但是，在實際的電壓互感器中，由于勵磁電流的存在以及繞組阻抗的影響，均會產生電壓幅值誤差（簡稱變比誤差或比差）和相位角誤差（簡稱角差）。電壓互感器的比差ΔU%為

　　（2-1）

式中　K——電壓互感器的變比；

U₁——一次電壓的實際值，V；

U₂——二次電壓的實測值，V。

電壓互感器的相位角誤差是指其二次電壓相量旋轉180°以后與一次電壓相量間的夾角δ，并且規定二次電壓相量超前于一次電壓相量時，角差δ為正，反之為負。

（5）電壓互感器的準確度等級和容量

①電壓互感器的準確度等級　電壓互感器的準確度等級，是指在規定的一次電壓和二次負荷變化范圍內，負荷功率因數為額定值時，電壓誤差的最大值。我國電壓互感器的準確度等級通常分為0.2、0.5、1、3四個等級。每一等級就是指電壓互感器比差所具有的最大百分值。例如準確度等級為0.5級，則表示該電壓互感器的比差為0.5%。一般情況下，準確等級為0.2級的電壓互感器主要用于精密的實驗室測量；0.5級及1級的電壓互感器通常用于發電廠、變電所內配電盤上的儀表及繼電保護裝置中；對計算電能用的電度表應采用0.5級電壓互感器；3級的電壓互感器用于一般的測量和某些繼電保護。電壓互感器的準確度等級和誤差極限見表2-1。

電壓互感器的每個準確度，都規定有對應的二次負荷的額定容量S_2N（V·A）。當實際的二次負荷超過了規定的額定容量時，電壓互感器的準確度等級就要降低。要使電壓互感器能在選定的準確度等級下工作，二次所接負荷的總容量S_2∑必須小于該準確度等級所規定的額定容量S_2N，電壓互感器準確度等級與對應的額定容量，可從有關電壓互感器技術數據中查取。

②電壓互感器的額定容量　由于電壓互感器的誤差隨其負荷而改變，故同一臺電壓互感器在不同準確度等級使用時，會有不同的容量。所謂電壓互感器的額定容量，是指對應于最高準確度等級的容量。如果降低準確度等級，互感器的容量可以相應增大。

電壓互感器除了規定其額定容量外，還按照電壓互感器的長期發熱條件，規定了最大（極限）容量。在只供給信號燈、跳閘線圈或其誤差不影響測量儀表和繼電器正常工作時，才允許電壓互感器在最大容量下使用。

3～35kV電壓互感器一般經隔離開關和熔斷器接入高壓電網。在110kV及以上配電裝置中，考慮到電壓互感器很少發生故障，且高壓熔斷器制造比較困難，價格昂貴，故電壓互感器經過隔離開關再與高壓電網連接。在380V、500V的低壓裝置中，電壓互感器可直接經熔斷器與電網連接。為了防止電壓互感器的超載，通常在互感器低壓側裝設熔斷器。

（6） 選擇電壓互感器時應滿足的要求

①應滿足一次回路額定電壓的要求。

②容量和準確度等級（包括電壓互感器剩余繞組）應滿足測量儀表、保護裝置和自動裝置的要求。

③對中性點非直接接地系統，需要檢查和監視一次回路單相接地時，應選用三相五柱式或三個單相式電壓互感器。

④500kV電壓互感器應具有三個二次繞組，其暫態特性和鐵磁諧振特性應滿足繼電保護的要求。

2.1.2　電壓互感器的二次回路

電壓互感器有母線電壓互感器和線路電壓互感器，母線電壓互感器的一次側經隔離開關或熔斷器連接到高壓母線上，一般每段高壓母線只裝設一組電壓互感器。而電壓互感器的二次繞組與連接到這段母線上所有設備的測量和保護裝置的電壓線圈連接，電壓互感器二次繞組與電壓線圈相互連接構成的電路就是電壓互感器的二次回路。

電壓互感器二次回路應滿足如下要求：①電壓互感器的接線方式應滿足測量儀表、遠動裝置、繼電保護和自動裝置測量回路的要求；②由于電壓互感器二次側不允許短路，所以應裝設短路保護裝置，短路保護裝置有熔斷器和低壓斷路器兩種；③為防止電壓互感器高低壓繞組間絕緣擊穿時造成設備和人身事故，每一組二次繞組應有一個可靠的接地點，這種接地方式通常稱為安全接地或保護接地；④為保證在檢修互感器時二次側不會向一次回路反饋電壓，應采取防止從二次回路向一次回路反饋電壓的措施；⑤對于雙母線上的電壓互感器，應有可靠的二次切換回路。

（1） 電壓互感器二次繞組不同接地方式對應的二次回路

電壓互感器二次側接地是保護接地，作用是防止因互感器絕緣損壞時，高電壓將侵入二次回路，危及人身和設備安全。電壓互感器二次繞組接地方式與保護裝置、測量表計及同步電壓回路有關，接地方式有V相接地和中性點接地兩種。

在中性點非直接接地系統中，通常采用V相接地方式，這是因為當發生單相接地時，中性點位移，此時同步電壓不能用相電壓，必須用線電壓。當電壓互感器二次側采用V相接地時，如果同步點兩側均為V相接地，同步開關擋數減少（如采用綜保，則接線更為簡單），同步接線簡單，同時由于中性點非直接接地系統一般不裝設距離保護，V相接地對保護影響較小。

在中性點直接接地系統中，一般要裝設距離保護，而且同步電壓可用輔助二次繞組的相電壓，因此電壓互感器二次側采用中性點接地對保護較為有利。下面分別介紹兩種接地方式的電壓互感器二次回路。

①V相接地的電壓互感器二次回路　圖2-3所示為V相接地的電壓互感器二次回路。左側部分是電壓互感器為三個繞組的接線回路，其中一個一次繞組，星形接線，接于一次母線的U、V、W三相上，中性點接地；一個主二次繞組，星形接線，TV·U、TV·V、TV·W各相引出端經熔斷器FU1～FU3和隔離開關QS1L輔助接點分別接于電壓小母線L1-630、L2-600、L3-630，中性線經QS1接至N-630，中性點經擊穿保險F接地；一個二次輔助繞組，開口三角形接線，開口處接絕緣監察繼電器KE線圈；右側部分為信號回路，KS為信號繼電器，KE為絕緣監察繼電器的常開觸點，H1為光字牌，M709、M710為預告音響小母線，M703、M716為信號未復歸光字牌小母線。

由于電壓互感器二次回路不允許短路，V相接地的電壓互感器二次回路防止短路的措施是接入熔斷器，因為V相接地適用于中性點非直接接地系統中，此系統一般不裝設距離保護，因此即便在交流電壓二次回路末端短路時，也不會因熔斷器熔斷較慢而造成距離保護誤動作的問題，所以對于6～35kV的電壓互感器，可以在主二次繞組TV·U、TV·V、TV·W各相引出端裝設熔斷器（見圖中FU1～FU3）作短路保護用。在選擇熔斷器時要選擇熔體的熔斷時間不大于繼電保護動作時間的熔斷器，同時熔體的額定電流應整定為二次最大負載電流的1.5倍，對于雙母線系統，還需考慮當一組母線停止運行時，所有電壓回路的負載全部切換至另一組電壓互感器上的情況。對于輔助二次繞組，因在正常運行時，其輸出端沒有電壓或只有很小的不平衡電壓，熔斷器很難監視，即便在開口三角形外導線間發生短路，也不會使熔斷器熔斷。并且熔斷器熔斷未被發現，在發生接地故障時反而影響絕緣監察繼電器KE的正確動作。所以輔助二次繞組回路中不裝設熔斷器。

二次繞組的安全接地點設在FU2之后，保證在電壓互感器二次側中性線發生接地故障時，FU2對V相繞組起保護作用。為了防止當熔斷器FU2熔斷后，電壓互感器二次繞組將失去安全接地點，在二次側中性點與地之間裝設一個擊穿保險器F。擊穿保險器實際上是一個放電間隙，當二次側中性點對地電壓超過一定數值后，間隙被擊穿，變為一個新的安全接地點。電壓值恢復正常后，擊穿保險器自動復歸，處于開路狀態。正常運行時中性點對地電壓等于零（或很小），擊穿保險器處于開路狀態，對電壓互感器二次回路的工作無任何影響。

為了防止在電壓互感器停用或檢修時，由二次向一次反饋電壓，造成人身和設備事故，在主二次繞組中除V相外，接入隔離開關QS1的輔助動合觸點，這樣當電壓互感器停電檢修時，在斷開其隔離開關QS1的同時，二次回路也自動斷開。由于隔離開關的輔助觸點有接觸不良的可能，而在中性線的觸點接觸不良又難以發現，所以，在中性線采用了兩對輔助觸點QS1并聯，以提高其可靠性。

母線上的電壓互感器是接在同一母線上的所有電氣元件（發電機、變壓器、線路等）的公用設備。為了減少聯系電纜，采用了電壓小母線L1-630、L2-600、L3-630、N-630和L-630（“630”代表Ⅰ組母線，“L1、L2、L3、N和L”代表相別和零序）。電壓互感器二次引出端最終接在電壓小母線上。根據具體情況，電壓小母線可布置在配電裝置內或布置在保護和控制屏頂部。接在同一組一次母線上的各電氣元件的測量儀表、遠動裝置、繼電保護及自動裝置所需的二次電壓均可從這組一次母線上的電壓互感器所對應的電壓小母線上取得。

輔助二次繞組TV·U'、TV·V'、TV·W'接成開口三角形。正常三相電壓對稱，三相電壓之和等于零，此時，開口三角引出端子上沒有電壓。當系統發生接地故障時，三相零序電壓疊加，在引出端子上有三倍零序電壓出現。接于開口三角形引出端子的電壓繼電器KE是絕緣監察繼電器，當一次系統發生單相接地時，在開口三角形引出端子上出現3倍零序電壓，當此電壓大于KE的啟動電壓（一般整定為15V）時，KE動作，其動合觸點閉合，點亮光字牌H1，顯示“第Ⅰ組母線接地”字樣，并發出預告音響信號，還啟動信號繼電器KS，KS動作后掉牌落下，將KE動作記錄下來，同時通過小母線M703、M716點亮“掉牌未復歸”光字信號，提醒運行人員KE動作及KS的掉牌還沒有復歸。

為了判別哪相接地，可在電壓小母線上引出三相線接三只絕緣監察電壓表來判斷。發生接地時，接地相對應的電壓表讀數為零。這三只電壓表可通過開關切換進行選測而全廠共用。

②中性點接地的電壓互感器二次回路　圖2-4所示為中性點接地的電壓互感器二次回路。QA1～QA3為三相自動開關；C為電容器；SM為LW2-5、 5/F4-X型切換開關，其觸點圖表見表2-2。PV為電壓表；FU為熔斷器；QS1為隔離開關輔助接點。

中性點接地的電壓互感器二次回路中的短路保護與V相接地的短路保護有所不同，因為中性點接地的電壓互感器二次回路適用于110kV及以上中性點直接接地的電力系統，而在110kV及以上中性點直接接地的電力系統中，電力線路一般裝設距離保護，如果選用熔斷器作為短路保護元件，那么在電壓互感器二次回路末端發生短路故障時，由于二次回路阻抗較大，短路電流較小，則熔斷器不能快速熔斷，而短路點附近電壓比較低或接近于零，則可能引起距離保護誤動作。所以對于110kV及以上的電壓互感器，應在主二次繞組三相引出端裝設快速自動開關（見圖2-4中QA1～QA3）作短路保護用。自動開關脫扣器動作電流應整定為二次最大負載電流的1.5～2.0倍，當電壓互感器運行電壓為90%額定電壓時，在二次回路末端經過渡電阻發生兩相短路，而加在線圈上的電壓低于70%額定電壓時，自動開關應能瞬時動作于跳閘；自動開關脫扣器的斷開時間不應大于0.02s。由于正常運行時，輔助二次繞組中的電壓為零或接近于零，其二次回路末端短路時，短路電流很小，自動開關很難自動切斷該回路，所以在輔助二次繞組回路中不裝設自動開關。

由于一次系統中性點直接接地，則不需裝設絕緣監察裝置，而是通過轉換開關SM，選測U_UV、U_VW、U_WU三種線電壓。

如果將控制開關SM切至相間電壓“UV”位置，開關觸點2和3、6和7通，電壓表PV接至二次電壓小母線L1-630、L2-630上，測得UV相間電壓。將控制開關SM切至相間電壓“VW”位置，開關觸點1和2、5和6通；電壓表PV接至二次電壓小母線L2-630、L3-630上，測得VW相間電壓。將控制開關SM切至相間電壓“WU”位置，開關觸點1和4、5和8通；電壓表PV接至二次電壓小母線L1-630、L3-630上，測得WU相間電壓。若三相相間電壓相等，為母線的線電壓，說明系統正常運行，三相對稱；若三相相間電壓不相等，母線電壓互感器二次回路可能斷線或一次系統發生短路故障。

為了給零序功率方向保護提供電壓，在輔助二次繞組輸出端設有零序電壓小母線L-630；為了便于利用負載電流檢查零序功率方向元件的接線是否正確，由輔助二次繞組TV·W'相的正極性端引出一個試驗小母線L3-630（試），其抽取的試驗電壓為。其他小母線的設置與V相接地的方式相同。

防止二次側向一次側回饋電壓，其各相（除中性線）引出端都經電壓互感器隔離開關QS1的輔助觸點引出。

（2） 電壓互感器二次回路斷線信號裝置

由于電壓互感器二次輸出裝有短路保護，故當短路保護動作或二次回路斷線時，與其相連的距離保護可能誤動作。雖然距離保護裝置本身的振蕩閉鎖回路可兼作電壓回路斷線閉鎖之用，但是為了避免在電壓回路斷線的情況下，又發生外部故障造成距離保護無選擇性動作，或者使其他繼電保護和自動裝置不正確動作，一般還需要裝設電壓回路斷線信號裝置，當熔斷器或自動開關斷開或二次回路斷線時，發出斷線信號，以便運行人員及時發現并處理。

電壓回路斷線信號裝置的類型很多。目前多采用按零序電壓原理構成的電壓回路斷線信號裝置，其電路如圖2-5所示。該裝置由星形連接的三個等值電容器C₁、C₂、C₃，斷線信號繼電器K，電容器C'及電阻R'組成。斷線信號繼電器K有兩組線圈，其工作線圈L1接于電容器中性點N'和二次回路中性點N回路中，另一線圈L2經C'、R'接于電壓互感器輔助二次繞組回路。

在正常運行時，由于N'與N等電位，輔助二次回路電壓也等于零，所以斷線信號繼電器K不動作。

當電力系統發生接地故障時，電壓互感器的輔助二次繞組有零序電壓，使斷線信號繼電器線圈L2帶電；同時，C₁、C₂ 、C₃組成的零序電壓濾過器也有零序電壓，使線圈L1帶電。斷線信號繼電器K兩組線圈L1和L2都帶電，兩組線圈L1和L2所產生的零序磁勢大小相等，方向相反，合成磁通等于零，所以斷線信號繼電器K不動作。

當電壓互感器二次回路發生一相或二相斷線時，輔助二次繞組回路無零序電壓，線圈L2不帶電；而C₁、C₂ 、C₃組成的零序電壓濾過器有零序電壓輸出，使線圈L1帶電，斷線信號繼電器K動作，發出斷線信號。

當電壓互感器二次回路發生三相斷線（熔斷器或自動開關三相同時斷開）時，在N'與N之間無零序電壓出現，斷線信號繼電器K將拒絕動作，不發斷線信號，這是不允許。為此，在三相自動開關的任一相上并聯一電容器C（見圖2-4）。這樣，當三相同時斷開時，電容器C仍串接在一相電路中，則N'與N之間仍有電壓，可使斷線信號繼電器K動作，仍能發出“二次回路斷線” 信號。

（3） 雙母線系統電壓互感器的二次切換回路

對于雙母線上所連接的各電氣設備，其測量儀表、遠動裝置、繼電保護及自動裝置的電壓回路，應隨同一次回路一起進行切換，即一次設備連接在哪段母線上，其二次電壓也應由該段母線上的電壓互感器提供。否則，當母線聯絡（以下簡稱母聯）斷路器斷開，兩段母線分開運行時，可能出現一次回路與二次回路不對應的情況，則儀表可能測量不準確，遠動裝置、繼電保護和自動裝置可能發生誤動作或拒絕動作。所以，必須具有二次電壓切換回路。

①雙母線上電氣元件二次電壓的切換　圖2-6所示為利用隔離開關的輔助觸點和中間繼電器觸點進行自動切換的電壓回路。圖中，L1-630、L2-630、L3-630、N-630和L1-640、L2-640、L3-640、N-640分別為第Ⅰ組和第Ⅱ組母線電壓互感器對應的二次電壓小母線；TV1、TV2分別為第Ⅰ組和第Ⅱ組母線上的電壓互感器；QS1、QS2分別為與第Ⅰ組和第Ⅱ組母線相連的隔離開關；QF1為線路斷路器；K1、K2為分別與第Ⅰ組和第Ⅱ組電壓小母線連接的二次電壓切換繼電器；“+”、“-”為直流電壓小母線。

饋線的二次電壓是利用中間繼電器K1、K2的觸點進行切換。當饋線運行在Ⅰ組母線上時，隔離開關QS1閉合，由其輔助動合觸點啟動中間繼電器K1，K1的動合觸點閉合，將Ⅰ組母線對應的電壓小母線上的電壓引至饋線的保護及儀表的電壓回路。

②互為備用的電壓互感器二次電壓切換　對于6kV及以上電壓等級的雙母線系統，兩組母線的電壓互感器應具有互為備用的切換回路，以便其中一組母線上的電壓互感器停用時，保證其二次電壓小母線上的電壓不間斷。其切換電路如圖2-7示。

切換操作是利用手動開關S和中間繼電器K實現的。由于這種切換只有當母聯斷路器在閉合狀態下才能進行，因此，中間繼電器K的負電源是由母聯隔離開關操作閉鎖小母線M880供給。例如：Ⅰ組母線上的電壓互感器TV1需要停用時，停用前雙母線需并聯運行（即合上母聯斷路器），使母聯隔離開關操作閉鎖小母線M880與電源負極接通，然后再接通手動開關S，啟動中間繼電器K，K動作后，其動合觸點閉合，一對使兩組小母線各相分別相連，另一對點亮光字牌H1，顯示“電壓互感器切換”字樣，最后斷開Ⅰ組母線電壓互感器TV1的隔離開關，使TV1的電壓小母線由TV2供電。