什么是电压互感器极性

电压互感器极性是电力系统中一个至关重要却常被忽视的基础概念，它直接关系到计量、保护与控制系统的准确性与可靠性。本文将从极性定义的本质出发，深入剖析其物理原理与判定方法，系统阐述极性错误在继电保护、电能计量等领域可能引发的严重后果，并详细介绍现场常用的多种检验方法与注意事项。通过结合标准规范与实际案例，旨在为从业人员提供一份全面、深入且极具实用价值的参考指南。

       在错综复杂、精密运行的电力系统中，电压互感器扮演着“感知器官”的角色，它将电网中的高电压按比例转换为可供测量仪表和保护装置使用的低电压。然而，这个转换过程并非简单的数值缩放，其输出信号与原始信号之间必须保持严格的相位关系。这个决定相位关系正确与否的关键属性，就是电压互感器的“极性”。理解极性，是确保整个二次系统“所见即所得”的基石，一旦基石不稳，后续所有的测量、控制和保护都将建立在错误的信息之上，其后果可能是灾难性的。

       一、 极性概念的物理本质与定义

       要理解极性，我们必须回归到电磁感应的基本原理。电压互感器的核心是一个变压器。当一次绕组施加交流电压时，会在铁芯中产生交变磁通，这个交变磁通又在二次绕组中感应出电动势。极性，描述的就是在一次绕组和二次绕组的同名端之间，感应电动势瞬时方向的关系。简单来说，它规定了当我们标记一次绕组的一个端子为“正”时，二次绕组哪一个端子在同一瞬间与之对应也为“正”。

       国际电工委员会（IEC）标准及我国的国家标准（GB）均采用“减极性”标注原则。这意味着，当一次电流从标有“L1”（或“A”）的端子流入，二次电流从标有“K1”（或“a”）的端子流出时，它们在铁芯中产生的磁通方向是相减的。从电压角度看，在任意瞬时，一次绕组“L1”端与二次绕组“K1”端具有相同的电位变化趋势，即它们是“同名端”。这种标注方式使得在正常接线情况下，二次电压的相位能够真实反映一次电压的相位，对于三相系统，则能正确反映相序和相位差。

       二、 极性在继电保护系统中的核心地位

       继电保护装置的动作逻辑严重依赖于电压、电流信号的相位关系。极性错误会直接导致相位关系颠倒，从而使保护误判系统状态。

       例如，在方向过流保护中，保护需要判断故障功率的方向。其判据基于电流与电压之间的相位角。如果接入的电压互感器二次极性接反，那么计算得到的相位角将产生180度的偏差，导致本该动作保护线路故障的保护拒动，而本该不动的保护误动，完全失去方向判别能力。

       在距离保护中，装置通过测量故障时的电压与电流比值来计算故障点距离。电压极性的错误会直接导致测量阻抗的相角发生巨大变化，使得阻抗特性圆在复平面上发生旋转或偏移。其后果可能是保护范围严重缩水，失去后备保护作用；或者保护区异常伸长，造成越级跳闸，扩大停电范围。

       对于更为复杂的差动保护，如母线差动保护或变压器差动保护，要求流入保护装置的电流矢量和（即差流）在正常运行时接近于零。这就需要各支路电流互感器、电压互感器的极性配合绝对正确。一个电压量的极性接反，会在正常运行时产生巨大的差流，导致保护误动作，造成整个母线或主变压器无故障停电，对电网稳定构成严重威胁。

       三、 极性对电能计量的直接影响

       在电能计量领域，极性正确与否直接关系到贸易结算的公平与准确。现代智能电能表通过测量电压与电流的瞬时值，计算有功功率和无功功率。功率的计算公式中包含电压与电流相位角的余弦值。

       若单相电能表的电压回路极性接反，会导致电压相位反转180度。对于纯阻性负载，这相当于功率计算公式中角度余弦值不变，表计似乎仍正常计量。但实际上，这会影响到与电压相位相关的其他功能，如失压记录等。更重要的是，在三相三线或三相四线计量系统中，任何一相电压极性接反，都会破坏对称分量关系，导致功率计算出现根本性错误。

       具体而言，在三相三线两元件计量接线中，如果B相电压（通常为公共相）极性接反，将会导致计量的有功功率和无功功率公式发生本质变化。在负载功率因数不为1的情况下，会带来显著的计量误差，这种误差可能是正向的也可能是反向的，造成供电方或用电方的经济损失。这种错误在现场往往具有隐蔽性，因为表计可能仍在“走字”，但走的快慢对错却已失控。

       四、 极性的标识与图纸表示

       规范的标识是防止极性错误的第一道防线。在电压互感器本体上，一次绕组端子通常标有“L1”、“L2”（或“A”、“X”），二次绕组端子标有“K1”、“K2”（或“a”、“x”、“1a”、“1n”等）。其中“L1”与“K1”为同名端，“L2”与“K2”为同名端。

       在电气原理图和安装接线图中，极性也有明确的表示方法。最常见的是使用“点标记法”。即在绕组图形符号的一端（通常为起始端）标注一个实心圆点。所有带点的端子互为同名端。例如，一次绕组带点的端子为L1，二次绕组带点的端子为K1。在阅读图纸进行接线时，必须确保现场设备端子与图纸上的点标记一一对应。

       此外，在展开图中，还会通过箭头方向或文字说明来表示电压的参考方向。施工和调试人员必须熟练掌握这些图形语言，才能将设计意图准确地转化为物理连接。

       五、 直流法检验极性：原理与操作

       直流法，又称干电池法或点极性法，是现场最常用、最直观的极性检验方法。其原理基于电磁感应的暂态过程：当闭合直流回路使一次绕组电流突然增加时，根据楞次定律，二次绕组会感应出一个阻碍磁通变化的电动势。

       具体操作步骤如下：将一节1.5伏的干电池正极通过一个开关接到电压互感器一次绕组的L1端，负极接L2端。将一个指针式直流毫伏表（或万用表直流毫伏档）的正表笔接二次绕组的K1端，负表笔接K2端。在合上开关的瞬间，观察毫伏表指针的偏转方向。如果指针正向摆动（向右），则说明L1与K1为同名端，即极性为减极性。这是因为合闸瞬间，一次电流从L1流入、L2流出，产生的磁通增加，二次感应电动势企图产生电流阻碍此磁通增加，该电流应从K2流入、K1流出（在二次绕组内部），因此K1端电位瞬时高于K2端，使接在K1端的正表笔电位更高，导致指针正偏。

       操作中需特别注意：必须观察合闸瞬间的指针偏转，断开瞬间的偏转方向相反，可作为辅助判断；务必使用指针式仪表，数字表反应慢，难以捕捉瞬态信号；测试前应确保二次绕组不开路，以防产生高压；对于三相电压互感器，需要分别对每一相进行测试。

       六、 交流法（比较法）检验极性

       当电压互感器已经安装，或需要在不拆除引线的情况下进行校验时，交流比较法是更安全、更常用的方法。其核心思想是将被测电压互感器与一个已知极性的标准电压互感器或另一相已知正确极性的电压互感器进行比较。

       一种典型接线是：将一次绕组并联接入同一交流电源（如220伏市电），然后将两个电压互感器的二次绕组按“首-尾”相连，即A相的K2端与B相的K1端短接。最后用电压表测量两个二次绕组剩下的两个端子（即A相的K1与B相的K2）之间的电压。

       如果测得的电压值约为两个二次绕组额定电压之差（对于同变比的互感器，近似为零），则说明这两个接在一起的端子（A相K2与B相K1）为异名端，进而推断出A相和B相的L1与K1均为同名端，即极性正确。如果测得的电压值约为两个二次绕组额定电压之和，则说明接在一起的端子为同名端，即其中一相的极性反了。这种方法直观地体现了“极性相同则电压相减，极性相反则电压相加”的矢量关系。

       七、 相位表法检验极性

       对于运行中的系统或需要进行精确相位测量的场合，可以使用相位伏安表直接测量。这种方法不仅能判断极性，还能直接读出电压之间的相位差角，信息更为全面。

       操作时，将相位表的电压通道U1接入系统一次电压（通常通过已有的测量回路或经高精度分压器），将电压通道U2接入待测电压互感器的二次电压。设置相位表测量U1与U2之间的相位角。在理想情况下，对于减极性接线的单相电压互感器，一次电压与二次电压的相位角应该接近0度（考虑负载和互感器角差，通常在±30分以内）。如果测得的相位角接近180度，则表明二次极性接反。

       在三相系统中，可以分别测量二次侧线电压与对应一次侧线电压的相位差。正确的接线下，对应的线电压相位差也应接近于0度，并且三相的相位关系（120度间隔）应得到保持。相位表法综合性强，是验收和故障排查中的有效手段。

       八、 二次回路通电模拟法

       在继电保护系统投运前，为了验证整个回路的正确性，包括极性、相序、接地点等，经常会采用二次回路通电模拟试验。这种方法不从一次侧施加电压，而是直接在电压互感器二次绕组的端子排处，加入一个低电压、低频率的模拟信号。

       例如，使用便携式测试仪，在端子排的A相与N相之间注入57.7伏、50赫兹的电压，模拟一次系统A相对地电压。然后，在保护装置、测量仪表等设备的显示界面，检查A相电压是否正常显示，并且相位角是否为0度。依次注入B相、C相电压，检查显示是否正确。最后，还可以注入三相对称电压，检查线电压值、相序是否正确。

       通过观察保护装置采集到的电压幅值、相位，并与注入量对比，可以全面验证从电压互感器端子到装置采集元件的整个回路的正确性。这种方法安全、可控，能有效发现接线错误、开路、短路等问题。

       九、 极性错误导致的典型故障案例分析

       理论上的后果令人警醒，现实中的案例则更为深刻。某110千伏变电站新扩建间隔投运后，当进行线路带负荷测试时，发现线路保护装置显示的有功功率、无功功率符号与实际情况相反，且功率因数角异常。经排查，发现该线路电压互感器二次绕组的三相引出线在端子箱内接错，导致接入保护装置的电压相序为逆序，且A相电压极性接反。这种复合错误使得保护装置计算出的功率方向完全颠倒，若非及时发现，一旦区外故障，方向保护将可能误动跳闸。

       另一个案例发生在发电厂的电能计量点。结算用高压电能表长期存在微小负误差，一直未查明原因。在一次全面校验中，通过仔细检查电压回路，发现B相电压互感器至电能表的电缆芯线在端子排处被错误地接到了相反极性的端子上，导致B相电压反相。这种错误在三相平衡负载下误差不明显，但在负载波动、三相不平衡时，就会产生随机的计量偏差，给电厂造成了长期的经济损失。这两个案例充分说明了极性校验不可或缺的重要性。

       十、 极性检验的标准化作业流程与安全措施

       极性检验必须作为标准作业流程严格执行，并纳入工作票和验收规范。流程应至少包括：工作前核对设备编号与图纸；确认一次设备已可靠隔离并接地；检查二次回路无短路风险；根据工作环境选择合适的检验方法（直流法、交流法等）；详细记录测试数据、接线方式及结果；工作结束后恢复接线，并由另一人进行复核。

       安全是重中之重。进行直流法测试时，必须确认二次回路没有连接任何脆弱的电子设备（如保护装置CPU板），以防感应电压冲击损坏设备。进行交流法测试时，施加的电压不应超过互感器额定二次电压，防止铁芯饱和或绝缘损坏。在任何情况下，都必须防止电压互感器二次侧短路或接地不良，因为开路会产生危险高压，而短路则会产生大电流烧毁绕组。

       十一、 三相电压互感器与组合式互感器的极性特点

       三相电压互感器通常有三相五柱式或三个单相组式等结构。其极性判定需逐相进行，同时还要关注相序问题。每相内部的极性判定方法与单相互感器相同。在连接成星形或开口三角形接线时，必须确保各相二次绕组的同名端（如K1）连接在一起形成中性点或按设计要求连接。

       组合式互感器则将电压互感器和电流互感器集成在一个油箱内，常用于10千伏及以下的计量柜。其电压互感器部分的极性校验需要特别注意与电流互感器部分的隔离。通常，电压和电流绕组的端子分别位于不同的接线盒区域，校验时应只针对电压部分进行操作，避免误碰电流回路，影响计量精度或造成开路。

       十二、 数字式继电保护装置与极性

       现代数字式微机型保护装置通过模拟量输入模块将二次电压信号转换为数字量。装置软件中可以设置“电压极性”或“电压接入方向”等参数。理论上，如果现场二次接线将极性接反，可以通过修改装置的这个软件参数来进行补偿，使其计算恢复正常。

       然而，这绝对不应成为简化现场接线工艺的借口。首先，软件补偿只适用于纯幅值反转（180度相移）的情况，对于复杂的接线错误（如相序错）无能为力。其次，软件参数的修改增加了逻辑的复杂性，容易在后续维护、装置更换时被遗忘或设错，埋下隐患。最根本的原则是：必须保证物理接线的绝对正确，软件参数应保持出厂默认设置。极性正确是硬件基础，不容妥协。

       十三、 极性在电压并列与切换回路中的考量

       在双母线或单母线分段接线中，为了保障测量和保护的连续性，设计了电压并列和切换回路。当一段母线上的电压互感器退出运行时，通过操作，可以将另一段母线的电压互感器二次电压引至本段母线的所有设备。

       在这个回路中，极性一致是并列或切换的前提。如果两段母线的电压互感器极性不一致，或者二次电缆在引入并列装置时相位接错，那么在并列操作时，会在二次回路中形成环流，严重时可能短路，轻则导致电压质量下降，保护测量异常，重则烧毁切换继电器触点或电缆。因此，在安装和定检时，必须校验来自不同电压互感器的二次电压在并列点处的相位和极性是否一致。

       十四、 电容式电压互感器的极性校验特殊性

       电容式电压互感器（CVT）通过电容分压原理获取电压，其结构与电磁式不同，但最终输出仍然是电磁感应产生的二次电压。因此，其极性定义和重要性完全相同。校验方法上，直流法依然适用，但需注意CVT内部有谐振电抗器和中间变压器，直流电阻可能很小，合闸瞬间电流较大，应使用容量较小的电池或串联限流电阻。

       交流法同样适用。需要注意的是，CVT的二次绕组可能不止一组，有用于计量的主二次绕组（1a，1n），也有用于保护的副二次绕组（2a，2n）以及开口三角绕组（da，dn）。校验时必须明确是针对哪一个绕组进行，并确保其他绕组处于安全状态（短路或接有合适负载）。

       十五、 验收与日常维护中的极性核查要点

       新设备投运前的验收是杜绝极性错误的最后一道关口，也是最重要的关口。验收必须包含带负荷向量检查。即在一次设备带上一定负荷后，使用相位表测量并记录所有保护装置、测量仪表、电能表处的电压、电流幅值及相位角，绘制六角图或向量图。通过分析向量图，可以直观地判断电压极性、电流极性、相序等是否正确，这是验证整个交流二次回路完整性的“金标准”。

       在日常维护和定期检验中，虽然不一定每次都需要做带负荷测试，但在进行电压回路作业（如更换端子排、敷设新电缆、更改保护装置）后，必须进行通电模拟试验或简单的电位测量，以验证回路未被误动。建立健全的图纸资料和修改记录，确保图纸与现场实际始终一致，是长期安全运行的基础。

       十六、 总结：极性——电力系统二次安全的生命线

       纵观全文，电压互感器极性绝非一个枯燥的理论概念，而是贯穿于电力系统设计、安装、调试、运行和维护全过程的实践准绳。它是连接一次高压世界与二次低压控制世界的桥梁，这座桥梁的方向必须绝对正确。极性错误如同给系统装上了“颠倒的眼镜”，所有基于电压相位的判断都将失真，轻则导致计量失准、经济受损，重则引发保护误动或拒动，酿成电网事故。

       作为一名负责任的电力从业者，必须深刻理解极性的本质，熟练掌握从直流法到向量分析的各种检验技能，并将严谨、规范的校验流程化为肌肉记忆。在智能化、数字化技术飞速发展的今天，物理接线的正确性依然是不可逾越的底线。唯有筑牢极性正确这块基石，才能确保测量数据的真实、保护动作的精准，从而守护电网的长期安全、稳定、经济运行。