2.1　电压互感器及其二次回路

电压互感器和变压器很相像，都是用来变换电压，但是变压器变换电压的目的是输送电能，因此容量很大，一般都是以kV·A（千伏·安）或MV·A（兆伏·安）为计算单位，而电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器，因此，电压互感器的容量很小，一般只有几伏安、几十伏安，最大也不超过1000V·A。

图2-1所示为电压互感器工作原理接线图，电压互感器的一次线圈匝数N₁较多，而二次线圈匝数N₂较少。工作时，一次线圈并联在供电系统的一次回路中，二次线圈并联测量仪表和继电器的电压线圈，由于这些电压线圈的阻抗很大，所以电压互感器工作时二次线圈接近于空载状态。

2.1.1　电压互感器的基本知识

（1） 电压互感器的分类

①按工作原理分：电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器。

电磁式电压互感器的原理与基本结构和变压器完全相似；电容式电压互感器是由电容分压器、补偿电控器、中间变压器、阻尼器及载波装置保护间隙等组成，常在中性点接地系统中作电压测量、功率测量、继电保护及载波通信用。

②按相数分：单相电压互感器和三相电压互感器。

电压互感器大多是单相的。由三台单相电压互感器可组成三相电压互感器；三相电压互感器包括三相三柱式和三相五柱式两种。

③按绝缘介质分：干式电压互感器、浇注式电压互感器、气体绝缘电压互感器和油浸式电压互感器。浇注式适用于35kV及以下的电压互感器，110kV及以上的电压互感器主要采用油浸式。

④按绕组数分：双绕组和多绕组。

双绕组有一个一次绕组和一个二次绕组，多绕组有一个一次绕组和多个二次绕组。专供测量用的电压互感器除一次绕组外，只需一个二次绕组给测量仪表供电即可。应用于电力系统的电压互感器，除要求有一个或两个二次绕组输出信号给测量或过电压保护装置外，还需要提供接地故障保护所需要的零序电压信号，这就要求互感器应做成三绕组或四绕组互感器。

⑤按安装位置分：母线电压互感器和线路电压互感器。

（2） 电压互感器的特点

①电压互感器二次绕组的额定电压　当一次绕组电压为额定值时，二次额定线电压为100V，额定相电压为。对三相五柱式电压互感器辅助二次绕组额定相电压，用于35kV及以下中性点不直接接地系统为100/3V；用于110kV及以上中性点直接接地系统为100V。

②电压互感器的变比　如图2-1所示，若电压互感器一次绕组为N₁匝，额定相电压为U_1N；二次绕组为N₂匝，额定相电压为U_2N，则变比n_TV为

电压互感器的变比等于一、二次绕组匝数之比，也等于一、二次额定相电压之比。

对于三相五柱式电压互感器，为了使开口三角侧输出的最大二次电压不超过100V，其变比n_TV有两种情况。

a.用于35kV及以下中性点不直接接地系统，其变比n_TV为

b.用于110kV及以上中性点直接接地系统，其变比n_TV为

③电压互感器二次侧不允许短路　并接在电压互感器二次绕组上的二次负载，是测量仪表、继电保护及自动装置的电压线圈，电压线圈导线较细，因此负载阻抗较大，而电压互感器内阻抗很小，若电压互感器二次侧短路时，会出现危险的过电流，将损坏二次设备和危及人身安全。

（3）电压互感器的接线

为满足测量仪表和继电保护装置对接入的电压的不同要求，因此形成了各种不同的电压互感器接线方式，常用的几种电压互感器接线方式如下。

①单相电压互感器的接线方式

a.图2-2（a）所示为一台单相电压互感器的一次绕组接于相与地之间，适用于110～220kV中性点直接接地系统，用来测量相对地电压。

b.图2-2（b）所示为一台单相电压互感器的一次绕组接于相与相间，这种接线方式，电压互感器一次侧不能接地，二次绕组一端接地。但是二次绕组接地极不装设熔断器。这种接线只能用来测量线电压，适用于3～35kV中性点不直接接地系统。

c.两台单相电压互感器构成的V-V形接线方式。图2-2（c）所示为两台单相电压互感器构成V-V形的接线，两台互感器分别接在线电压和上。采用这种接线方式，互感器一次绕组不能接地，二次绕组V相接地。V-V形接线方式适用于中性点非直接接地或经消弧线圈接地的电网中，只能测量线电压，不能测量相电压。

d.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。图2-2（d）所示为三台单相三绕组电压互感器组成的星形和开口三角形接线方式。电压互感器的一次绕组和主二次绕组接成星形接线，并且中性点直接接地，主二次绕组引出一根中性线，辅助二次绕组接成开口三角形接线。这种接线方式既可以测量相对地电压，又可以测量相间电压以及零序电压。

②三相电压互感器的接线方式

a.三相电压互感器的星形接线。图2-2（e）所示为三相电压互感器的星形接线方式。电压互感器的一次绕组和二次绕组接成星形接线，一次绕组的中性点不接地，二次绕组的中性点直接接地。采用这种接线方式可以测量相间电压，适用于3～35kV小接地电流系统。

b.三相五柱式电压互感器的接线方式。图2-2（f）所示为三相五柱式电压互感器的接线方式。电压互感器的一次绕组和主二次绕组接成星形接线，其中性点直接接地，辅助二次绕组接成开口三角形。采用这种接线方式既可以测量线电压，也可以测量相电压，同时还可以测量零序电压，广泛用于330kV及以上系统中。

（4） 电压互感器的误差

在理想的电压互感器中，一次电压与二次电压之比完全等于其匝数之比，相位也完全相同（二次电压旋转180°之后）。但是，在实际的电压互感器中，由于励磁电流的存在以及绕组阻抗的影响，均会产生电压幅值误差（简称变比误差或比差）和相位角误差（简称角差）。电压互感器的比差ΔU%为

　　（2-1）

式中　K——电压互感器的变比；

U₁——一次电压的实际值，V；

U₂——二次电压的实测值，V。

电压互感器的相位角误差是指其二次电压相量旋转180°以后与一次电压相量间的夹角δ，并且规定二次电压相量超前于一次电压相量时，角差δ为正，反之为负。

（5）电压互感器的准确度等级和容量

①电压互感器的准确度等级　电压互感器的准确度等级，是指在规定的一次电压和二次负荷变化范围内，负荷功率因数为额定值时，电压误差的最大值。我国电压互感器的准确度等级通常分为0.2、0.5、1、3四个等级。每一等级就是指电压互感器比差所具有的最大百分值。例如准确度等级为0.5级，则表示该电压互感器的比差为0.5%。一般情况下，准确等级为0.2级的电压互感器主要用于精密的实验室测量；0.5级及1级的电压互感器通常用于发电厂、变电所内配电盘上的仪表及继电保护装置中；对计算电能用的电度表应采用0.5级电压互感器；3级的电压互感器用于一般的测量和某些继电保护。电压互感器的准确度等级和误差极限见表2-1。

电压互感器的每个准确度，都规定有对应的二次负荷的额定容量S_2N（V·A）。当实际的二次负荷超过了规定的额定容量时，电压互感器的准确度等级就要降低。要使电压互感器能在选定的准确度等级下工作，二次所接负荷的总容量S_2∑必须小于该准确度等级所规定的额定容量S_2N，电压互感器准确度等级与对应的额定容量，可从有关电压互感器技术数据中查取。

②电压互感器的额定容量　由于电压互感器的误差随其负荷而改变，故同一台电压互感器在不同准确度等级使用时，会有不同的容量。所谓电压互感器的额定容量，是指对应于最高准确度等级的容量。如果降低准确度等级，互感器的容量可以相应增大。

电压互感器除了规定其额定容量外，还按照电压互感器的长期发热条件，规定了最大（极限）容量。在只供给信号灯、跳闸线圈或其误差不影响测量仪表和继电器正常工作时，才允许电压互感器在最大容量下使用。

3～35kV电压互感器一般经隔离开关和熔断器接入高压电网。在110kV及以上配电装置中，考虑到电压互感器很少发生故障，且高压熔断器制造比较困难，价格昂贵，故电压互感器经过隔离开关再与高压电网连接。在380V、500V的低压装置中，电压互感器可直接经熔断器与电网连接。为了防止电压互感器的超载，通常在互感器低压侧装设熔断器。

（6） 选择电压互感器时应满足的要求

①应满足一次回路额定电压的要求。

②容量和准确度等级（包括电压互感器剩余绕组）应满足测量仪表、保护装置和自动装置的要求。

③对中性点非直接接地系统，需要检查和监视一次回路单相接地时，应选用三相五柱式或三个单相式电压互感器。

④500kV电压互感器应具有三个二次绕组，其暂态特性和铁磁谐振特性应满足继电保护的要求。

2.1.2　电压互感器的二次回路

电压互感器有母线电压互感器和线路电压互感器，母线电压互感器的一次侧经隔离开关或熔断器连接到高压母线上，一般每段高压母线只装设一组电压互感器。而电压互感器的二次绕组与连接到这段母线上所有设备的测量和保护装置的电压线圈连接，电压互感器二次绕组与电压线圈相互连接构成的电路就是电压互感器的二次回路。

电压互感器二次回路应满足如下要求：①电压互感器的接线方式应满足测量仪表、远动装置、继电保护和自动装置测量回路的要求；②由于电压互感器二次侧不允许短路，所以应装设短路保护装置，短路保护装置有熔断器和低压断路器两种；③为防止电压互感器高低压绕组间绝缘击穿时造成设备和人身事故，每一组二次绕组应有一个可靠的接地点，这种接地方式通常称为安全接地或保护接地；④为保证在检修互感器时二次侧不会向一次回路反馈电压，应采取防止从二次回路向一次回路反馈电压的措施；⑤对于双母线上的电压互感器，应有可靠的二次切换回路。

（1） 电压互感器二次绕组不同接地方式对应的二次回路

电压互感器二次侧接地是保护接地，作用是防止因互感器绝缘损坏时，高电压将侵入二次回路，危及人身和设备安全。电压互感器二次绕组接地方式与保护装置、测量表计及同步电压回路有关，接地方式有V相接地和中性点接地两种。

在中性点非直接接地系统中，通常采用V相接地方式，这是因为当发生单相接地时，中性点位移，此时同步电压不能用相电压，必须用线电压。当电压互感器二次侧采用V相接地时，如果同步点两侧均为V相接地，同步开关挡数减少（如采用综保，则接线更为简单），同步接线简单，同时由于中性点非直接接地系统一般不装设距离保护，V相接地对保护影响较小。

在中性点直接接地系统中，一般要装设距离保护，而且同步电压可用辅助二次绕组的相电压，因此电压互感器二次侧采用中性点接地对保护较为有利。下面分别介绍两种接地方式的电压互感器二次回路。

①V相接地的电压互感器二次回路　图2-3所示为V相接地的电压互感器二次回路。左侧部分是电压互感器为三个绕组的接线回路，其中一个一次绕组，星形接线，接于一次母线的U、V、W三相上，中性点接地；一个主二次绕组，星形接线，TV·U、TV·V、TV·W各相引出端经熔断器FU1～FU3和隔离开关QS1L辅助接点分别接于电压小母线L1-630、L2-600、L3-630，中性线经QS1接至N-630，中性点经击穿保险F接地；一个二次辅助绕组，开口三角形接线，开口处接绝缘监察继电器KE线圈；右侧部分为信号回路，KS为信号继电器，KE为绝缘监察继电器的常开触点，H1为光字牌，M709、M710为预告音响小母线，M703、M716为信号未复归光字牌小母线。

由于电压互感器二次回路不允许短路，V相接地的电压互感器二次回路防止短路的措施是接入熔断器，因为V相接地适用于中性点非直接接地系统中，此系统一般不装设距离保护，因此即便在交流电压二次回路末端短路时，也不会因熔断器熔断较慢而造成距离保护误动作的问题，所以对于6～35kV的电压互感器，可以在主二次绕组TV·U、TV·V、TV·W各相引出端装设熔断器（见图中FU1～FU3）作短路保护用。在选择熔断器时要选择熔体的熔断时间不大于继电保护动作时间的熔断器，同时熔体的额定电流应整定为二次最大负载电流的1.5倍，对于双母线系统，还需考虑当一组母线停止运行时，所有电压回路的负载全部切换至另一组电压互感器上的情况。对于辅助二次绕组，因在正常运行时，其输出端没有电压或只有很小的不平衡电压，熔断器很难监视，即便在开口三角形外导线间发生短路，也不会使熔断器熔断。并且熔断器熔断未被发现，在发生接地故障时反而影响绝缘监察继电器KE的正确动作。所以辅助二次绕组回路中不装设熔断器。

二次绕组的安全接地点设在FU2之后，保证在电压互感器二次侧中性线发生接地故障时，FU2对V相绕组起保护作用。为了防止当熔断器FU2熔断后，电压互感器二次绕组将失去安全接地点，在二次侧中性点与地之间装设一个击穿保险器F。击穿保险器实际上是一个放电间隙，当二次侧中性点对地电压超过一定数值后，间隙被击穿，变为一个新的安全接地点。电压值恢复正常后，击穿保险器自动复归，处于开路状态。正常运行时中性点对地电压等于零（或很小），击穿保险器处于开路状态，对电压互感器二次回路的工作无任何影响。

为了防止在电压互感器停用或检修时，由二次向一次反馈电压，造成人身和设备事故，在主二次绕组中除V相外，接入隔离开关QS1的辅助动合触点，这样当电压互感器停电检修时，在断开其隔离开关QS1的同时，二次回路也自动断开。由于隔离开关的辅助触点有接触不良的可能，而在中性线的触点接触不良又难以发现，所以，在中性线采用了两对辅助触点QS1并联，以提高其可靠性。

母线上的电压互感器是接在同一母线上的所有电气元件（发电机、变压器、线路等）的公用设备。为了减少联系电缆，采用了电压小母线L1-630、L2-600、L3-630、N-630和L-630（“630”代表Ⅰ组母线，“L1、L2、L3、N和L”代表相别和零序）。电压互感器二次引出端最终接在电压小母线上。根据具体情况，电压小母线可布置在配电装置内或布置在保护和控制屏顶部。接在同一组一次母线上的各电气元件的测量仪表、远动装置、继电保护及自动装置所需的二次电压均可从这组一次母线上的电压互感器所对应的电压小母线上取得。

辅助二次绕组TV·U'、TV·V'、TV·W'接成开口三角形。正常三相电压对称，三相电压之和等于零，此时，开口三角引出端子上没有电压。当系统发生接地故障时，三相零序电压叠加，在引出端子上有三倍零序电压出现。接于开口三角形引出端子的电压继电器KE是绝缘监察继电器，当一次系统发生单相接地时，在开口三角形引出端子上出现3倍零序电压，当此电压大于KE的启动电压（一般整定为15V）时，KE动作，其动合触点闭合，点亮光字牌H1，显示“第Ⅰ组母线接地”字样，并发出预告音响信号，还启动信号继电器KS，KS动作后掉牌落下，将KE动作记录下来，同时通过小母线M703、M716点亮“掉牌未复归”光字信号，提醒运行人员KE动作及KS的掉牌还没有复归。

为了判别哪相接地，可在电压小母线上引出三相线接三只绝缘监察电压表来判断。发生接地时，接地相对应的电压表读数为零。这三只电压表可通过开关切换进行选测而全厂共用。

②中性点接地的电压互感器二次回路　图2-4所示为中性点接地的电压互感器二次回路。QA1～QA3为三相自动开关；C为电容器；SM为LW2-5、 5/F4-X型切换开关，其触点图表见表2-2。PV为电压表；FU为熔断器；QS1为隔离开关辅助接点。

中性点接地的电压互感器二次回路中的短路保护与V相接地的短路保护有所不同，因为中性点接地的电压互感器二次回路适用于110kV及以上中性点直接接地的电力系统，而在110kV及以上中性点直接接地的电力系统中，电力线路一般装设距离保护，如果选用熔断器作为短路保护元件，那么在电压互感器二次回路末端发生短路故障时，由于二次回路阻抗较大，短路电流较小，则熔断器不能快速熔断，而短路点附近电压比较低或接近于零，则可能引起距离保护误动作。所以对于110kV及以上的电压互感器，应在主二次绕组三相引出端装设快速自动开关（见图2-4中QA1～QA3）作短路保护用。自动开关脱扣器动作电流应整定为二次最大负载电流的1.5～2.0倍，当电压互感器运行电压为90%额定电压时，在二次回路末端经过渡电阻发生两相短路，而加在线圈上的电压低于70%额定电压时，自动开关应能瞬时动作于跳闸；自动开关脱扣器的断开时间不应大于0.02s。由于正常运行时，辅助二次绕组中的电压为零或接近于零，其二次回路末端短路时，短路电流很小，自动开关很难自动切断该回路，所以在辅助二次绕组回路中不装设自动开关。

由于一次系统中性点直接接地，则不需装设绝缘监察装置，而是通过转换开关SM，选测U_UV、U_VW、U_WU三种线电压。

如果将控制开关SM切至相间电压“UV”位置，开关触点2和3、6和7通，电压表PV接至二次电压小母线L1-630、L2-630上，测得UV相间电压。将控制开关SM切至相间电压“VW”位置，开关触点1和2、5和6通；电压表PV接至二次电压小母线L2-630、L3-630上，测得VW相间电压。将控制开关SM切至相间电压“WU”位置，开关触点1和4、5和8通；电压表PV接至二次电压小母线L1-630、L3-630上，测得WU相间电压。若三相相间电压相等，为母线的线电压，说明系统正常运行，三相对称；若三相相间电压不相等，母线电压互感器二次回路可能断线或一次系统发生短路故障。

为了给零序功率方向保护提供电压，在辅助二次绕组输出端设有零序电压小母线L-630；为了便于利用负载电流检查零序功率方向元件的接线是否正确，由辅助二次绕组TV·W'相的正极性端引出一个试验小母线L3-630（试），其抽取的试验电压为。其他小母线的设置与V相接地的方式相同。

防止二次侧向一次侧回馈电压，其各相（除中性线）引出端都经电压互感器隔离开关QS1的辅助触点引出。

（2） 电压互感器二次回路断线信号装置

由于电压互感器二次输出装有短路保护，故当短路保护动作或二次回路断线时，与其相连的距离保护可能误动作。虽然距离保护装置本身的振荡闭锁回路可兼作电压回路断线闭锁之用，但是为了避免在电压回路断线的情况下，又发生外部故障造成距离保护无选择性动作，或者使其他继电保护和自动装置不正确动作，一般还需要装设电压回路断线信号装置，当熔断器或自动开关断开或二次回路断线时，发出断线信号，以便运行人员及时发现并处理。

电压回路断线信号装置的类型很多。目前多采用按零序电压原理构成的电压回路断线信号装置，其电路如图2-5所示。该装置由星形连接的三个等值电容器C₁、C₂、C₃，断线信号继电器K，电容器C'及电阻R'组成。断线信号继电器K有两组线圈，其工作线圈L1接于电容器中性点N'和二次回路中性点N回路中，另一线圈L2经C'、R'接于电压互感器辅助二次绕组回路。

在正常运行时，由于N'与N等电位，辅助二次回路电压也等于零，所以断线信号继电器K不动作。

当电力系统发生接地故障时，电压互感器的辅助二次绕组有零序电压，使断线信号继电器线圈L2带电；同时，C₁、C₂ 、C₃组成的零序电压滤过器也有零序电压，使线圈L1带电。断线信号继电器K两组线圈L1和L2都带电，两组线圈L1和L2所产生的零序磁势大小相等，方向相反，合成磁通等于零，所以断线信号继电器K不动作。

当电压互感器二次回路发生一相或二相断线时，辅助二次绕组回路无零序电压，线圈L2不带电；而C₁、C₂ 、C₃组成的零序电压滤过器有零序电压输出，使线圈L1带电，断线信号继电器K动作，发出断线信号。

当电压互感器二次回路发生三相断线（熔断器或自动开关三相同时断开）时，在N'与N之间无零序电压出现，断线信号继电器K将拒绝动作，不发断线信号，这是不允许。为此，在三相自动开关的任一相上并联一电容器C（见图2-4）。这样，当三相同时断开时，电容器C仍串接在一相电路中，则N'与N之间仍有电压，可使断线信号继电器K动作，仍能发出“二次回路断线” 信号。

（3） 双母线系统电压互感器的二次切换回路

对于双母线上所连接的各电气设备，其测量仪表、远动装置、继电保护及自动装置的电压回路，应随同一次回路一起进行切换，即一次设备连接在哪段母线上，其二次电压也应由该段母线上的电压互感器提供。否则，当母线联络（以下简称母联）断路器断开，两段母线分开运行时，可能出现一次回路与二次回路不对应的情况，则仪表可能测量不准确，远动装置、继电保护和自动装置可能发生误动作或拒绝动作。所以，必须具有二次电压切换回路。

①双母线上电气元件二次电压的切换　图2-6所示为利用隔离开关的辅助触点和中间继电器触点进行自动切换的电压回路。图中，L1-630、L2-630、L3-630、N-630和L1-640、L2-640、L3-640、N-640分别为第Ⅰ组和第Ⅱ组母线电压互感器对应的二次电压小母线；TV1、TV2分别为第Ⅰ组和第Ⅱ组母线上的电压互感器；QS1、QS2分别为与第Ⅰ组和第Ⅱ组母线相连的隔离开关；QF1为线路断路器；K1、K2为分别与第Ⅰ组和第Ⅱ组电压小母线连接的二次电压切换继电器；“+”、“-”为直流电压小母线。

馈线的二次电压是利用中间继电器K1、K2的触点进行切换。当馈线运行在Ⅰ组母线上时，隔离开关QS1闭合，由其辅助动合触点启动中间继电器K1，K1的动合触点闭合，将Ⅰ组母线对应的电压小母线上的电压引至馈线的保护及仪表的电压回路。

②互为备用的电压互感器二次电压切换　对于6kV及以上电压等级的双母线系统，两组母线的电压互感器应具有互为备用的切换回路，以便其中一组母线上的电压互感器停用时，保证其二次电压小母线上的电压不间断。其切换电路如图2-7示。

切换操作是利用手动开关S和中间继电器K实现的。由于这种切换只有当母联断路器在闭合状态下才能进行，因此，中间继电器K的负电源是由母联隔离开关操作闭锁小母线M880供给。例如：Ⅰ组母线上的电压互感器TV1需要停用时，停用前双母线需并联运行（即合上母联断路器），使母联隔离开关操作闭锁小母线M880与电源负极接通，然后再接通手动开关S，启动中间继电器K，K动作后，其动合触点闭合，一对使两组小母线各相分别相连，另一对点亮光字牌H1，显示“电压互感器切换”字样，最后断开Ⅰ组母线电压互感器TV1的隔离开关，使TV1的电压小母线由TV2供电。