4.电气测量技术（课件）--同步教学《电气测量技术》(人教版第二版)

本章主要内容 高电压的测量 大电流的测量 交流电气量的数字化测量（频率，周期，相位等） 交流电气量的传统指针式仪表测量（有效值、功率等） 高电压的测量 3 交流高电压的测量方法 电磁式电压互感器 电容式互感器 光学电压传感器 4 工作原理 一、二次绕组上分别感应的电动势为： 理想电压互感器变比为： 电磁式电压互感器简称PT（Potential Transformer）或TV，其工作原理运用电磁感应原理原副边磁耦合将交流高压变为低电压 电压互感器相当于空载变压器，与电压表联用，被测电压等于接在二次绕组的电压表读数乘以电压互感器的电压变比。 工作原理 电压互感器实物和接线端子箱 工作原理 用途和特点 测量用电压互感器主要用于交流高压变为低压，扩大交流电压表、功率表和电能表的量程。而且具有如下特点： 1.与一次设备隔离，保证安全。 2.降低表耗。 3.节省设备投资。 4.统一设计标准，使仪表和继电器的生产标准化。 8 电磁式电压互感器技术参数 绕组的额定电压及额定变比(副边额定电压多为100V) 额定负载 准确度等级 准确度等级 一次绕组电压为一次 额定电压的百分数(%) 误差限值 二次负载为额定 负载的百分数(%) 比差(%) 角差(′) 0.1 80～120 士0.1 士5 25～100 0.2 80～120 士0.2 土10 0.5 85～115 士05 土20 25～100 1 85～115 士1.0 士40 25～100 3 100 士30 未规定 25～100 9 电磁式电压互感器测量误差分析 电压互感器的等值电路图 10 电磁式电压互感器测量误差分析 电压互感器变比、相角误差相量图 与一次电压 大小不等，相位不重合， 电压互感器存在比差与角差 比差fu以百分数来表示 角差 11 电磁式电压互感器的安装及使用 电压互感器主要安装方式 图（a）用于单相电压的测量。图（b）用于三相电压的测量，图（c）用于线电压的测量 a) b) c) 电压互感器在使用的时候要注意二次绕组不许短路 另外，副边绕组必需可靠接地。 12 电容式互感器（CVT） 电容式电压互感器原理 电容式电压互感器简称CVT（Capacitor Voltage Transformers）是典型的有源电子互感器，主要利用电容器的分压作用将高电压按比例转换为低电压 13 电容式互感器（CVT） 实际应用CVT主要由电容分压器（包括主电容器C1，分压电容器C2）、中间变压器（T）、补偿电抗器L、保护装置F及阻尼器D等元件组成 CVT组成示意图 CVT优点： 1.体积小、重量轻、造价低（110 kV及以上产品）； 2.不含铁芯，无磁饱和，具备优良的瞬变响应特性等 3.可兼顾电压互感器和电力线路载波耦合装置中的耦合电容器两种设备的功能； 4.短路不会产生大电流，能可靠阻尼铁磁谐振； 14 电容式互感器（CVT） 电容式电压互感器实物图 电阻分压 电阻分压 测量交直流高压 当R2C2=R1C1时，分压器的传递函数与信号频率无关。 此时，即使输入为高频信号，分压器的输出波形也不会发生畸变。克服了在对高频信号进行分压时，由于分布电容的影响所导致的分压电路输出波形畸变。 阻容（脉冲）分压器：交直流电压、脉冲电压 阻容分压器 17 光学电压传感器（OVT） 光学电压互感器（Optical Voltage Transducer：OVT）又称为无源电子式电压传感器，采用的传感机理是晶体的线性电光效应（Pockels效应）。Pockels效应是指晶体在电场作用下，透过晶体的光发生双折射，这一双折射快慢轴之间的相位差与被测电压呈正比关系，将Pockels元件直接连接到被测电压的两端，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。 OVT实现的技术关键是如何提高OVT的温度稳定性、长期运行的可靠性以及测量的精度。 大电流的测量 19 交流大电流的测量方法 电磁式电流互感器 罗哥夫斯基（Rogowski）线圈 光学电流传感 20 电磁式电流互感器 电磁式电流互感器简称CT（Current Transformer）或TA，用于交流大电流变为小电流，扩大交流电流表、功率表和电能表的量程 根据能量守恒定律： U1I1 = E2I2 E1I1= E2I2 I1W1=I2W2 代入上式得： 电流互感器相当于短路的变压器，与电流表联用，被测电流等于接在二次绕组的电流表读数乘以电流互感器电流变比。 电磁式电流互感器 被测电流I1等于接在二次绕组的电流表读数I2乘以电流互感器额定电流变比 22 CT主要技术参数 额定电流比指一次额定电流与二次额定电流之比 额定容量是额定二次电流I2N通过二次额定负载Z2N时所消耗 的视在功率S2N 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)，它应不低于所接线路的额定相电压 23 CT主要技术参数 准确度等级：电流互感器变换电流总是存在着一定的误差， 根据额定工作条件下所产生的变比误差规定了准确度等级 准确度等级 一次电流为额定电流的百分数(%) 误差限值 二次负载为额定负载的百分比数(%) 比值差(士%) 相角值（′） 0.1 5 10 20 100 120 0.4 0.25 0.20 0.10 0.10 15 10 8 5 5 25～100 0.2 10 20 100～120 0.5 0.35 0.20 20 15 10 25～100 0.5 10 20 100～120 1.0 0.75 0.50 60 45 30 25～100 1 10 20 100～120 2.0 1.5 1.0 120 90 60 25～100 3 50～120 3.0 未规定 50～100 24 电流互感器T形等值电路 CT误差分析 换算到一次侧后的二次电流和电压分别为： 25 CT误差分析 电流互感器的相量图 将折算后的二次电流旋转180°后与一次电流相比较两者不但大小不等，而且相位不相重合，即存在两种误差， 称为比值误差fI和相位误差 26 CT误差分析 比值误差简称比差，用fI表示，它等于实际的二次电流与折算到二次侧的一次电流之间的差值，与折算到二次侧的一次电流的比值，以百分数表示 相角误差简称角差，它是旋转180°后的二次电流相量与一次电流相量之间的相位差，用符号 表示 27 CT的安装及使用 图（a）用于单相电流的测量。图（b）用于三相电流的测量。图（c）用于不平衡电流的测量 电磁式电流互感器在使用时二次侧不允许开路 （1）由于磁通饱和，其二次侧将产生数千伏高压，且波形改变，对人身和设备造成危害。 （2）由于铁芯磁通饱和，使铁芯损耗增加，产生高热，会损坏绝缘。 （3）将在铁芯中产生剩磁，使互感器比差和角差增大，失去准确性。 28 罗哥夫斯基(Rogowski)线圈 传统的电磁式电流互感器因其传感机理而出现不可克服的问题： 1.绝缘结构日趋复杂，体积大，造价高； 2.在故障电流下铁芯易饱和，使二次电流数值和波形失真，产 生不能容许的测量误差； 3.充油易爆炸而导致突然失效； 4.若输出端开路，产生高电压对周围设备和人员存在潜在的威胁； 5.易受电磁干扰等。 罗氏线圈又称Rogowski线圈、罗氏线圈、电流测量线圈、微分电流传感器，是均匀密绕在环形非磁性骨架上的空心螺线管，罗氏线圈可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。 29 罗哥夫斯基(Rogowski)线圈 Rogowskiski线圈有两种可能的工作状态：自积分状态和外积分状态.前者是利用Rogowski线圈与取样电阻构成积分回路； 后者是把测量回路本身作为纯电阻网络，另外加了一个积分回路。 自积分式工作方式 回路方程 线圈的互感 30 罗哥夫斯基(Rogowski)线圈 当 即 上式可略去最右边一项，变为 两边同时对t积分得 输出电压与被测电流成比例关系 称为罗氏线圈的自积分条件 31 罗哥夫斯基(Rogowski)线圈 外积分式工作方式 当 即 Rogowski线圈处于开路工作状态，且分布电容的等效阻抗较大，进一步简化得到 取样电阻上的电势即为Rogowski线圈的感应电势，其大小正比于被测电流对时间的微分，为了测得电流的实际大小，需要引入积分电路，因此这种应用方式称为外积分式Rogowski线圈电流互感器。 32 罗哥夫斯基(Rogowski)线圈 与传统电磁式互感器相比，应用Rogowskiski线圈测量大电流的电子式电流互感器主要特点包括： 1）线性度好。线圈不含磁饱和元件，在量程范围内，系统的输出信号与待测电流信号一直是线性的，线性度好使得罗氏线圈非常容易标定； 2）测量范围大。系统的量程大小不是由线性度决定的，而是取决于最大击穿电压。测量交流电流量程从几毫安到几百千安； 3）响应速度快，频响范围宽，适用频率可从从0.1Hz到1MHz； 4）一次侧和二次侧电流无相角差； 5）互感器二次开路不会产生高电压，无二次开路危险。 33 罗哥夫斯基(Rogowski)线圈 罗氏线圈实物图 34 光学电流传感（OCT） 光学电流传感（Optical Current Transducer：OCT）为无源型电子传感器，其高压部分均为光学器件而不采用任何有源器件。OCT的基本原理是利用法拉第磁光效应：一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面会随着平行于光线方向的磁场的大小发生旋转。 无源的OCT目前已经达到实用化的程度，但是还存在一些需要解决的技术难点，如双折射效应对OCT的灵敏度和测量精度的影响以及磁场的干扰、温度的变化引起的测量误差 交直流大电流测量 分流器分流 交直流大电流测量 霍尔传感器 交流电气量 ——频率、周期和时间间隔的数字化测量 频率的计数法测量 频率的定义 频率：单位时间内被测信号重复出现的次数。 f——被测信号的频率； N——电振动次数或脉冲个数； t——产生N次电振动或N个电脉冲所需的时间。 时间基准的产生 欲准确地测量频率，必须要确定一个准确的时间间隔。 由于稳定度良好的石英晶体振荡器产生的信号的频率稳定度可达10-9量级，所以利用石英晶体振荡器产生周期为T0的脉冲，经过一系列分频可得到几种标准的时间基准，例如，10ms, 0.01s, 1s,10s等几种。 时间基准的产生 频率的计数法测量原理 计数法测量频率的误差分析 计数时的误差，量化误差，最大dN=1。 主闸门开启时间的相对误差，取决于晶体振荡器的频率稳定度和整形电路、分频电路以及主闸门的开关速度等，可认为是定值。 频率的计数法 适于高频信号的测量 计数法测量频率的误差分析 周期的定义 周期 T：指电信号一个循环所需要的时间，它与频率的关系为 周期的计数法测量 计数法测量周期的原理 n为被测信号的分频系数 周期计数法的测量误差 ： 适于低频信号的测量 计数法测量周期的测量误差 对于同一信号用直接测量频率和直接测量周期的误差相等时，那么此时信号的输入频率被称为中介频率fc 中介频率 中介频率的物理意义 当信号频率 > 时——选用频率计数法 当信号频率 < 时——选用周期计数法 时间间隔的计数测量 脉冲计数式相位测量原理 用计数法测量相位具有快速、直读和精度高的优点。其原理图见图。 交流电气量的传统指针式仪表测量 ——有效值、功率的的测量 51 电压电流有效值的测量 交流电压和电流有效值和平均值的传统测量方法通常采用基于电磁原理的磁电系仪表、电磁系仪表、电动系仪表和感应系仪表 主要基本原理和技术参数 灵敏度（仪表指针偏转变化量与被测量变化量之比） 准确度等级 消耗功率 阻尼时间 利用仪表中载流线圈（导体）在磁场中受到力，使可动部分受到转矩而发生转动。转动力矩与通入的电流之间关系 直读式仪表测量各种电量的基本原理 T = f ( I ) 主要技术参数 1.产生转动力矩T的部分：使仪表可动部分受到转矩而发生转动。（利用电磁力的有磁电式、电磁式、电动式、感应式等；利用电荷作用力的有静电式等。） 2.产生反作用力矩Tc的部分：当反作用力矩Tc等于转动转矩T 时，仪表可动部分平衡在一定的位置。（主要有游丝、悬丝等）。 3.产生阻尼转矩的部分：能产生制动力（阻尼力）的装置，使仪表可动部分能迅速静止在平衡位置。（可以利用电磁阻尼、空气阻尼、油阻尼等。） 直读式仪表的基本组成部分 磁电系仪表 磁电系仪表结构 (1) 固定部分 马蹄形永久磁铁、极掌NS及圆柱形铁心等。 (2) 可动部分 铝框及线圈，两根半轴，游丝（螺旋弹簧）及指针。 永久磁铁的磁场和载流线圈相互作用产生转动力矩的原理而制作的。 磁电系仪表基本原理 54 1.磁电系仪表的驱动力矩是由可动线圈在磁场中受电磁力矩的作用产生的。反作用力矩由指针摆动时扭转游丝产生。 阻尼力矩则是利用可动线圈的铝框架在磁场中运动时所产生的涡流产生阻力矩。 2.近年来磁电系仪表趋向于采用内磁式,因为内磁式,用材较少.但工作原理完全相同. 磁电系仪表工作原理 (1) 转动转矩T 的产生 (2）反作用转矩TC的产生 在线圈和指针转动时，螺旋弹簧被扭紧而产生反作用力矩TC。 F S N F 线圈通入电流 I 电磁力 F 线圈受到转矩 T 线圈和指针转动，线圈受到的转矩 T = k1I 弹簧的TC与指针的偏转角成正比， 即 TC= k2 当弹簧反作用力矩与转动力矩达到平衡即TC= T 时，可转动部分便停止转动， T = k1I ， TC= k2 。 即指针的偏转角： 结论: 指针偏转的角度与流经线圈的电流成正比。 磁电系仪表工作原理 （3） 阻尼作用的产生 当线圈通入电流而发生偏转时，铝框切割磁通，在框内感应出电流，其电流再与磁场作用，产生与转动方向相反的制动力，于是可转动部分受到阻尼作用，快速停止在平衡位置。 主要优点： 灵敏度高。 准确度高。 表耗功率低。 均匀等分的刻度。 磁电系仪表技术性能 主要缺点：结构复杂，成本较高；不能承受较大过载；不加变换器只能测量直流 。 用途： 测量直流电压、直流电流及电阻。 磁电系电流表可以通过分流电阻扩大其量程。按分流器的电路结构，被测电流只有一部分通过电流表线圈，其余则通过分流电阻，可以证明通过电流表线圈的电流与被测电流的关系为： k ＝I/Ig称为分流系数。 k代表电流表并联分流电阻之后的量程扩大倍数。将上式移项，可推出按要求的量程扩大倍数 k ，求分流器电阻值的关系式。即 磁电系电流表及分流电阻 磁电系电流表及分流器 【例】 有一磁电式电流表，当无分流电阻时，表头的满标值电流为5mA，表头电阻为20 。今欲使其量程（满标值）为1A，问分流器的电阻应为多大？ 切换量程 测量直流电流的原理电路 RA1 R RA2 RA3 RA4 RA5 500mA 50mA 5mA 0.5mA 50A A + - + - RA1~ RA5是分流器电阻，改变转换开关的位置，就改变了分流器的电阻，从而改变了电流的量程。量程愈大，分流器电阻愈小。 磁电系欧姆表 接入待测Rx： Rx＝0： 磁电式仪表只能测量直流，如果要测量交流，需加整流元件。 经过桥式整流后通过微安表的是半波电流，读数应为该电流的平均值。为此，加一交流调整电位器用来改变表盘刻度, 指示读数被折换为正弦电压有效值。 磁电系交流测量仪表 电磁系仪表 电磁系仪表的结构 电磁系仪表结构有吸引型和推斥型两种形式 吸引型 推斥型 仪表的转动转矩 T = k1 I ² 弹簧的反作用转矩 TC = k2 弹簧的反作用转矩TC与指针的偏转角  成正比，即 当 T = TC 时，可动部分停止转动， 即指针的偏转角 结论: 指针偏转的角度与直流电流或交流电流有效值的平方成正比。 线圈通入电流 i 磁场 固定和可动铁片均被磁化(同一端的极性是相同的) 可动片因受斥力而带动指针转动。 电磁系仪表的工作原理 推斥型 优点： 构造简单；价格低廉；可用于交直流(共用同一标尺)；能测量较大的电流；允许较大的过载。 缺点： 刻度不均匀；易受外界磁场及铁片中磁滞和涡流（测量交流时）的影响，因此准确度不高。 电磁系仪表的技术性能 用途: 测量交直流电压、电流，工业测量用得较多。 电磁系仪表的技术性能 电动系仪表 电动系仪表的结构 有两个线圈：固定线圈和可动线圈。可动线圈与指针及空气阻尼器的活塞都固定在轴上。 电动系仪表工作原理 F F 可动线圈 固定线圈 固定线圈中的电流 i1  磁场 可动线圈中的电流 i2 与磁场相互作用电磁力 F 线圈受到转矩 T 线圈和指针转动 仪表的转动转矩: 通入直流时，T=kI1I2 通入交流时 i1和i2的有效值 i1和i2之间 的相位差 弹簧的反作用力矩 TC = k2 弹簧的反作用力矩 TC与指针的偏转角  成正比，即 当 T = TC 时，可动部分停止转动， 即指针的偏转角 结论: 指针偏转的角度与两个电流(对交流为有效值及相位差的余弦)的乘积成正比。  = KI1I2 （直流） 电动系仪表工作原理 电压表原理：固定线圈和活动线圈串联再附加电阻Rf 电流表原理：固定线圈和活动线圈串联。 电动系电流表和电压表 I=I1=I2 －> = kI2  = k(U/Rf)2 电动系功率表 工作原理 固定线圈与负载串联，反映负载电流 I 可动线圈与负载并联，其电流与负载电压 U 成正比。 可动线圈的偏转角正比于负载功率P: 如果U、I 为交流同样可推出可动线 圈的偏转角正比于负载功率P。 电压线圈 电流线圈 优点：可用于交直流；准确度较高。 缺点：受外界磁场影响大；不能承受较大过载；刻度不均匀；内阻小，功耗大。 用途：测量交直流电压、电流及功率。 电动系仪表的技术性能 感应系仪表 感应系仪表的结构 有两个部分：固定部分是由硅钢片叠成的电磁铁铁心，线圈上有电压和电流激磁绕组; 活动部分是一个铝盘。 工作原理： 利用电压和电流线圈在铝盘上产生的感应涡流与交变磁通相互作用产生电磁力，产生转动力矩使铝盘转动。 转动力矩与负载功率成正比，同时引入制动力矩，制动力矩与转速成正比，使铝盘转速与负载功率成正比。 感应系仪表的技术性能 感应系仪表的应用 主要应用为交流电度表 铝盘转动快慢（转动力矩）与功率成正比，由计度器计算出转盘转数而测定出电能。 电表常数 指计量每单位电能值（度或千瓦•小时）时对应铝盘转过的圈数，单位是转/千瓦•小时。 功率和电能的测量方法 功率测量方法 1.直接法：测量功率可直接用电动系功率表、数字功率表或三相功率表，测量三相功率还可以用单相功率表接成两表法或三表法。 2.间接法：直流可通过测量电压、电流间接求得功率。交流则需要通过电压、电流和功率因数求得功率。 75 电动系电能表相当一台直流电动机,它的转速与负载消耗的功率成正比,可动线圈不装指针,而是连接到积算机构,可累计负载消耗的电能。 功率表正确接线应遵守“电源端”守则，即接线时应将“电源端”接在电源的同一极性上。 *号表示“电源端” 功率表的正确接线 功率表的错误接线 （a）和（b) 电流线圈与电压线圈电源端*不接同一极性，功率表转反 （b） 和（c）可动线圈与固定线圈间存在电位差的错误 单相交流功率的测量 1 用电压表，电流表，相位表间接测交流功率 有功功率 无功功率 视在功率 单相交流功率的测量 2 用功率表测有功（无功）功率 三相交流功率的测量 1 用单相功率表测三相功率 一表法： 适用于电压、负载对称的系统。三相负载的总功率，等于功率表读数的三倍。 三相交流功率的测量 2 在三相三线制中，广泛采用两功率表来测量三相功率。 通过电流线圈的电流为线电流，加在电压线圈上的电压为线电压，三相总功率等于两表读数之和。 iA W1 W2 * * * * iB iC A B C 两功率表测量三相功率 式中 为uAC和iA之间的相位差。 iA W1 W2 * * * * iB iC A B C W1 的读数为： W2 的读数为： 式中 为uBC和iB之间的相位差。 两功率表读数之和为 P = P1+ P2 = UAC IA cos + UBC IB cos  三相交流功率的测量 30º     P1 = UAC IA cos = Ul Il cos (30º–  ) P2 = UBC IB cos  = Ul Il cos (30º+  ) 由相量图可知，两功率表的读数为： 两功率表读数之和为 P = P1+ P2 = Ul Il cos (30º–  )+ Ul Il cos (30º+  ) 可见，采用两表法可测量三相功率。 当 < 60º时，P1和P2 均为正值，P = P1读数+P2读数 当 > 60º时，P1为正值，P2为负值，反转，P = P1读数– P2读数 三相功率应是两个功率表读数的代数和，其中任意一个功率表的读数是无意义的。 三相交流功率的测量 P = P1+P2 =UAC IA cos + UBC IB cos  3 三表法： 适用于三相四线制，电压、负载不对称的系统，被测三相总功率为三表读数之和，即 三相交流功率的测量 4 有功表跨相90度联接测无功功率和电能： 一表 三相交流功率的测量 二表 三表 5 测量有功二表法线路测无功功率 三相交流功率的测量 两有功功率表读数之差 ： Q = P1－ P2 = Ul Il cos (30º–  )－ Ul Il cos (30º+  ) 本章小结 高电压的测量 PT、CVT的原理 大电流的测量 CT，罗氏线圈（自积分、外积分）的原理 频率、周期的数字化测量 频率、周期数字化测量方法；误差来源；中介频率 直读式电气测量仪表 电磁系、磁电系、电动系仪表原理及性能特点，功率的测量方法（两表法、三表法） V � V V + - + - � 220/ kV N X 接载波装置 F L 1a 1n 2a 2n D da dn T 文本� � � � $$