非正常变比电压互感器计量误差分析与处理方法

引言：在电力系统中，电压互感器用于将高电压转换为适合测量仪表和继电保护装置使用的低电压信号。理想的电压互感器应具有精确的变比，但在实际应用中，由于制造工艺、安装条件、运行环境等因素的影响，可能会出现变比偏离设计值的情况。这种非正常的变比变化会导致电能计量误差，进而影响电费结算的公平性以及电网的安全稳定运行，需要深入研究非正常变比电压互感器的计量误差及其解决方案[1]。

一、电压互感器的基本原理与分类

（一）工作原理

电压互感器的运行依赖于电磁感应效应，其核心结构由闭合磁路铁芯及绕制其上的主副线圈构成。当系统电压施加于主绕组时，交变电流在铁芯内形成周期性变化的磁场，该磁场通过磁路传导至副绕组产生感应电势。根据法拉第电磁感应定律，主副线圈的电压比等于其绕制匝数比，即满足U1/U2=N1/N2 的数学关系。理想工作状态下，装置应实现能量无损传递，保持稳定的电压转换比例，同时确保二次回路与高压系统实现可靠电气隔离。

（二）分类

依据结构特征和应用场景的差异，电压互感器主要衍生出两大技术分支：电磁感应式（EMVT）与电容分压式（CVT）。前者采用传统电磁耦合方式，适用于中低压配电系统，具有响应快速、相位特性优良的特点；后者则通过电容分压网络与电磁单元组合实现高压测量，特别适用于 110kV及以上超高压电力系统，具备绝缘结构紧凑、制造成本经济等优势。两种技术路线在频率响应特性、暂态过程表现等关键参数上存在显著区别，这些差异将直接影响电能计量装置的测量精度和误差分布特性。例如电磁式产品在中高频段具有更稳定的幅频特性，而电容式设备在承受系统瞬态过电压时表现更优，这些特性差异需要在实际应用中进行针对性补偿和修正[2]

二、非正常变比电压互感器计量误差分析

当电压互感器处于非额定变比运行时，误差特性会显著偏离设计值，主要体现为比差和角差两类误差。

（一）误差来源的核心机理

比差的本质是实际变比与标称变比的偏离。这种偏差可能源自绕组匝数偏差、铁芯材料磁导率波动或磁路设计缺陷。例如，当二次绕组存在局部短路时，有效匝数减少将直接导致输出电压降低，形成正向比差。角差的产生则与电磁能量转换的相位滞后密切相关，铁芯磁化曲线的非线性特征会引发励磁电流畸变，造成输出电压相位相对于输入电压的偏移。

（二）负载效应的动态影响

实际运行中，负载电流变化会引发误差特性的动态波动。当二次回路接入过多仪表设备时，增大的负载电流会加剧绕组阻抗压降。这种压降在空载时可忽略不计，但在 80% 以上额定负载时，可能导致比差增大 0.3%- 0.8% 。更值得关注的是，感性负载会强化铁芯的磁滞效应，使得角差随负载增加呈现非线性增长，在功率因数低于 0.8 时，角差分钟数可能成倍扩大 [3]。

（三）频率敏感性的隐蔽风险

现代电网中新能源并网带来的频率波动（通常 49.5-50.5Hz ）会显著改变铁芯工作点。频率下降时，铁芯趋向饱和区，励磁电流谐波分量增加，导致比差正向偏移；频率上升时，绕组感抗增大，反向影响变比精度。实测数据显示，频率偏离额定值 1Hz 可引起比差变化 0.15% 、角差波动 3-5分钟。这种隐性误差在风电、光伏接入区域尤为突出[4]。

三、处理方法与优化措施

（一）精度校验与调整

（1）标准化校验流程实施：建立三级校验机制：首检采用0.05 级高精度标准互感器进行全参数比对，周期校验结合负载特性曲线制定差异化检测方案。针对运行环境差异，开发温湿度补偿算法，通过红外测温与环境参数采集装置，自动修正环境因素导致的变比漂移。引入激光干涉仪进行二次绕组匝间短路检测，配合数字孪生技术构建互感器健康档案，实现历史数据与实时状态的交叉验证。（2）精密调校技术创新：研发磁分路动态调节装置，通过非晶合金磁芯的饱和特性实现 0.01% 级变比微调。开发激光调阻系统，利用脉冲激光对二次绕组并联电阻进行无损修改，突破传统手工调校的精度瓶颈。建立调校数据库，基于大数据分析不同型号互感器的误差特性曲线，形成专家调校知识图谱，指导现场工程师实施精准修正。

（二）改进设计与制造工艺

（1）新型材料应用突破：设计采用纳米晶合金作为铁芯材料，其磁导率波动范围较传统硅钢片降低 67% ，有效抑制剩磁效应。二次绕组选用高导电率铜合金线材，配合真空压力浸渍工艺，将绕组层间电容偏差控制在2% 以内。绝缘系统采用改性聚酰亚胺薄膜，在-40℃至150℃温区内保持稳定介电性能，显著降低温度系数对变比的影响。（2）智能制造工艺升级：部署六轴机器人绕线系统，通过视觉定位实现绕组间距 0.05mm 级控制。开发在线缺陷检测平台，集成涡流探伤、红外热像等检测模块，实现绕组短路、匝间绝缘等缺陷的实时筛查。

（三）加强维护与管理

（1）预防性维护策略优化：制定 " 三级五类 " 巡检标准，将设备划分为关键、重要、一般三个等级，对应开展红外热像检测、介质损耗测试等五类专项检查。开发移动巡检终端，集成 NFC 芯片识别、AR 辅助诊断功能，实现巡检数据实时上传与异常自动预警。建立设备健康指数模型，综合运行年限、历史故障等参数，动态生成维护优先级清单。（2） 环境适应性防护强化：针对潮湿环境研发自呼吸式密封结构，采用多孔陶瓷透气膜配合分子筛干燥剂，将内部湿度控制在 RH30% 以下。开发防污秽涂层技术，通过纳米二氧化硅颗粒构建疏水表面，使设备表面污秽等级达到 d 级防护标准。在沿海地区试点超声波防盐雾装置，利用高频振动抑制盐晶附着，延长设备使用寿命。

（四）应用智能监测技术

（1）边缘计算节点建设：在变电站部署边缘计算终端，集成高精度ADC 采样模块与 FPGA 数据处理单元，实现 128 次 / 秒的同步采样。开发基于小波变换的谐波分析算法，准确分离基波与谐波分量，消除谐波污染对变比测量的干扰。构建局部放电特征库，通过 PRPD 谱图分析实现绝缘缺陷的早期诊断。（2）云边协同诊断平台：搭建电力物联网平台，通过5G网络实现海量运行数据的实时传输。

结语：

非正常变比电压互感器引起的计量误差是一个复杂的问题，科学合理的分析和有效的处理措施，能够降低计量误差，未来的研究可以探索更先进的检测技术和预防手段，为电力系统的安全高效运行提供保障。

参考文献：

[1] 王之泽 . 电能计量误差与改进措施分析 [J]. 集成电路应用 , 2025, 42(02): 300-301.

[2] 李娜, 刘月骁, 杨广华, 袁铭敏, 李乾, 王梓丞. 基于改进残差网络的电容式电压互感器误差状态在线评估方法 [J]. 电工技术 , 2025, (03): 183-187.

[3] 朱长银, 卢为, 祁峰, 刘鹏, 刘东超, 吴健, 须雷. 主成分分析法在CVT 计量误差状态监测的应用 [J]. 电力设备管理 , 2024, (23): 177-182.

[4] 蒋波 , 常鹏 , 颜雪婷 , 何兆磊 . 电容式电压互感器运行计量性能评估方法研究 [J]. 电力设备管理 , 2024, (18): 50-52.