1、第第5章章 電氣量的測量電氣量的測量電流的測量電壓的測量概述序電能的測量功率的測量電阻的測量電感和電容的測量5.0 序電量和電參數(shù)的測量是電氣測量的基礎。本章主要介紹電壓、電流，功率和電能等電參數(shù)的測試方法。本章重點： 交流電壓的測量方法，高電壓測量的方法，交流電路中功率的測量，高電壓系統(tǒng)功率的測量方法5.1 概 述 電壓和電流是反映電路和設備工作狀態(tài)的重要特征量，是電量測量的主要對象。u電測量中，許多電量的測量可以轉(zhuǎn)化為電壓測量a.表征電信號能量的三個基本參數(shù)：電壓、電流、功率其中：電流、功率電壓，再進行測量b.電路工作狀態(tài)：飽和與截止，線性度、失真度電壓表征u非電測量中，物理量電壓信號，再

2、進行測量如：溫度、壓力、振動、(加)速度測量電流的最常用的方法是用電流表進行直接測量。 測量電壓的最常用的方法是用電壓表進行直接測量。 用于測量電壓的直讀式測量指示儀表直讀式的電測量指示儀表測量誤差為2.5%0.1%。使用這一類的測量電壓和電流，已能滿足一般工程和實驗的需要。5.2 儀用互感器在電氣工程測量中，經(jīng)常需要測量高電壓(如110kV)和大電流(如1000A)，由于儀表的量限不能無限制的擴大，使得我們不能用一般儀表直接去測量。這時就需要使用一種能按比例變換被測交流電壓或電流的儀器，稱為互感器。其中變換交流電壓的稱為電壓互感器，變換交流電流的稱為電流互感器?；ジ衅骷仁请娏ο到y(tǒng)中一次系統(tǒng)與

3、二次系統(tǒng)間的聯(lián)絡元件，同時也是隔離元件。他們將一次側(cè)的高電壓、大電流變成二次側(cè)標準的低電壓和小電流，分別用以向測量儀表、繼電器的電壓線圈和電流線圈等供電，供測量、監(jiān)視、控制及繼電保護使用。5.2.1 電流互感器 一、電流互感器的工作原理與工作特性電流互感器的工作原理與變壓器類似，其一次繞組N1串聯(lián)接入一次電路，二次繞組與負載串聯(lián)。工作時，二次回路始終是閉合的，由于二次繞組所接的負載阻抗很小，正常工作狀態(tài)接近短路，并且電流互感器一次電流的大小與二次回路阻抗無關。其原理圖如下：(一)工作原理電流互感器接線圖(二)工作特性(1)一次電流的大小決定于一次側(cè)負載，與二次側(cè)負載無關；二次側(cè)電流在理想情況下

4、僅取決于一次側(cè)電流(2)正常運行時，二次側(cè)繞組近似短路工作狀態(tài)(3)二次回路不允許開路(4)一次電流變化范圍很大(5)一次繞組匝數(shù)N1很少，二次側(cè)匝數(shù)N2較多二、電流互感器運行工況對誤差的影響1、一次側(cè)電流I1的影響電流互感器的一次側(cè)電流I1對鐵心導磁率有很大影響，鐵心的磁場強度H和磁感應強度B之間為非線性關系。I1減小，導磁率減小，誤差增大，當I1倍于其額定值時，鐵心開始飽和，值下降，誤差增加。2、二次側(cè)負載阻抗對誤差的影響實際上，當I1不變時， I1隨二次側(cè)負載阻抗的增大而減小，因而使勵磁電流I1增大，誤差也隨之增大。3、電流互感器二次側(cè)繞組不允許開路三、電流互感器的接線方式及注意事項1、

5、電流互感器的極性2、電流互感器的接線方式(a)一相式接線(b)兩相V型接線3、電流互感器使用注意點(c)三相星形接線5.2.2 電壓互感器 一、電壓互感器的工作原理與工作特性電壓互感器(TV)是將高電壓變成低電壓的設備，分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器兩種，電磁式電壓互感器原理與變壓器相同。(1)與測量電路并聯(lián)(2)一次側(cè)電壓不受電壓互感器二次側(cè)負載的影響(3)二次側(cè)繞組近似工作在開路狀態(tài)(4)二次側(cè)繞組不允許短路(二)工作特性(一)工作原理一、電壓互感器接線在三相電力系統(tǒng)中，通常需要測量的電壓有線電壓、相對地電壓和發(fā)生單相接地故障時的零序電壓。a) V-V 接線b) 三相三柱電壓互感器

6、 接線V-V 接線可用來測量線電壓，不可測量相電壓，廣泛應用于35kV以下的電網(wǎng)中；三相三柱電壓互感器 接線只可用來測量線電壓，不可測量相對地電壓。一、電壓測量的特點5.3 電壓測量 各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機噪聲。1 頻率范圍廣：零頻（直流）109Hz低頻：1MHz以下；高頻（射頻)：1MHz以上。2 測量范圍寬微弱信號：心電醫(yī)學信號、地震波等，納伏級(10-9V)超高壓信號：電力系統(tǒng)中，數(shù)百千伏。3 電壓波形的多樣化在多級系統(tǒng)中，輸出級阻抗對下一輸入級有影響4 阻抗匹配直流測量中，輸入阻抗與被測信號源等效內(nèi)阻形成分壓，使測量結(jié)果偏小。交流測量中，輸入阻抗的

7、不匹配引起信號反射。5 測量精度的要求差異很大10-1至10-96 測量速度的要求差異很大p靜態(tài)測量：直流 (慢變化信號),幾次/秒； p動態(tài)測量：高速瞬變信號，數(shù)億次/秒(幾百MHz)精度與速度存在矛盾，應根據(jù)需要而定。7 抗干擾性能工業(yè)現(xiàn)場測試中，存在較大的干擾。二、電壓測量方法的分類高電壓可以進行降壓處理，而低電壓及微小電壓的測量常常采用測量放大器放大，將其變化為中電壓進行測量。直流電壓的測量，相對的說，要簡單一些。測量電壓是測電路中兩點間的電位差。 為了盡可能減小電壓表負載效應電壓表負載效應的影響，電壓表的內(nèi)阻或內(nèi)阻抗(亦稱電壓表的輸入阻抗)應盡可能大。測量時，應將電壓表并聯(lián)在被測對象

8、的兩端。三、 直流電壓的測量測量時，注意極性，電壓表的正端鈕要接在電路中電位較高的一端。1) 磁電系電壓表測量磁電式電壓表可測幾十毫伏至幾千伏的電壓。(一一) 直接測量直接測量2) 數(shù)字電壓表、數(shù)字萬用表測量其準確度比磁電系電壓表高，輸入電阻也比磁電系電壓表高，約為10M。3) 直流電位差計測量直流電位差計是利用補償原理補償原理進行測量的，測量時不從電路取出電流，也無電流注入被測電路，因而，主要用于電壓的精確測量。注：對于直流高壓，采用電阻分壓器測量(二) 間接測量一般不必采用間接法，只是在某些特殊情況下，為了操作方便或其他原因才用間接法測量。n 內(nèi)阻比較大的電源內(nèi)阻比較大的電源，欲測其空載電

9、壓，一般采用間接測量的方式。采用圖示接法。a) b)n高阻值負載電壓的測量先按照圖a)測出電壓U，然后按圖b)串聯(lián)一個電位器R，調(diào)節(jié)R的數(shù)值，使電壓表讀數(shù)U 剛好為U的一半測量方法 其中，Rv電壓表的內(nèi)阻；Ri電源的內(nèi)阻；R串聯(lián)電位器的電阻值；Ux被測電源的空載電壓。vxivRUURR vxivRUURRR (1)(2)12UU根據(jù) 代入(2)并與(1)聯(lián)立可求得： xvRUUR四、交流電壓的測量四、交流電壓的測量測量方案主要有兩種： 1）平均值3）有效值2）峰值 表征交流電壓的基本參量(直流量的概念)：1) 通過交直流變換器，將交流電壓轉(zhuǎn)換成相應的直流電壓進行測量；2) 根據(jù)定義，采用數(shù)字化

10、測量技術進行(一) 交流電壓平均值的測量 平均值 的數(shù)學定義： U01U=( )dTu ttTT是周期。平均值就是交流信號中直流分量的大小。 1. 交流電壓平均值的概念全波： 01U=( ) dTu ttT半波： 01U=( )du ttT交流電壓測量中的平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形。一般若無特指，均為全波整流 2. 交流電壓平均值的測量為了獲得轉(zhuǎn)換精度高、線性度好、頻率范圍寬和動態(tài)過程短的檢波效果。平均值在電路上的實現(xiàn)常用線性檢波器線性檢波器。 (1) 平均值檢波原理通常采用運算放大器的負反饋特性克服二極管檢波的非線性，構(gòu)成線性檢波器，也稱平均值檢波器。反相半波檢波器 半波線性檢波

11、器的輸出特性平均值檢波器提供一個直流輸出，該輸出與已整流的輸入信號平均值成正比。 輸入信號 運放輸出 二極管 檢波器的輸出 ui0， uo0 ,(深度負反饋) D2，D1 uo=0 ui0 D2 ，D1 uo= -R2ui/R1其中，D1為檢波二極管。1. 工作原理工作原理D1的作用：接至運放組成的反相比例放大器的深度負反饋環(huán)內(nèi)，所以有效的克服了非線性。D2的作用：為了防止當ui0時，由于D1截止，造成運算放大器的開環(huán)使用。2. 誤差分析誤差分析1) 非線性誤差 l 輸入阻抗Ri不是無窮大l 開環(huán)放大倍數(shù)Ad不是無窮大l 輸出電阻也并不是零a). 當uiR2R1，所以上式改寫為：221o211

12、()=diDdA R uuRRuRRA R2211112121=11DiiddRRRuuuA RA RRRRRRl第一項為希望得到的線性檢波 ；l第二項為Ad不是無窮大而引起的誤差；l第三項為二極管壓降uD引起的誤差。 當Ad時，后兩項誤差均可忽略。b) 當ui0時，線性檢波電路等效如圖所示。 oo22=LLLdLuRRuuRRA RR 式中，RL為線性檢波器的負載電阻。 只要Ad很大，uo輸出便近似為零。另外此時要求D2的反向電阻必須足夠大。運放二極管D22) 其他誤差一般檢波二極管的工作頻率很高，但集成運放隨著工作頻率增高，開環(huán)放大倍數(shù)下降，從而產(chǎn)生頻率附加誤差。在實際工作中，常需要測量交

13、流電壓的有效值。在測量正弦波信號時，這類檢波器經(jīng)校準顯示的值與真均方根值檢波器相同。測量其它波形時，平均值響應檢波器產(chǎn)生的數(shù)值與真均方根值檢波器不同。因此，除了正弦波信號，在對其它信號進行精確測量時不應使用平均值響應檢波器。二極管D1(二) 交流電壓峰值的測量對于交流電壓或一些脈沖信號常常需要進行峰值的測量。當輸入信號的波峰系數(shù)一定時，將信號的峰值保持一段時間，然后進行測量，該變換電路就成為峰值檢波器或者峰值保持器。因此波峰系數(shù)為：pmrmsUkU對于正弦交流電壓的波峰系數(shù)為： 2mk 峰值在電路上的實現(xiàn)常用峰值檢波器峰值檢波器 。 波峰系數(shù)峰值檢波器原理常見的最基本的峰值檢波器是由一個二極管

14、和一個保持電容組成的，分別串聯(lián)和并聯(lián)兩種，如圖所示?；痉逯禉z波器 串聯(lián)并聯(lián)1. 工作原理工作原理在t=0時刻，ui正向時，經(jīng)二極管D向保持電容C充電，當ui上升到最大值后，由于二極管D的作用使輸出uo保持峰值不變。且要求：maxRCT慢放電 快充電 式中，放電回路的時間常數(shù) d充電回路的時間常數(shù)Tmax被測信號的最大周期 Tmin被測信號的最小周期Rd二極管正向?qū)娮?Rs等效信號源的內(nèi)阻smin()ddRR CT從波形圖可以看出：峰值檢波電路的輸出存在較小的波動。p由于檢波二極管的非線性；p導通時，二極管兩端存在著管壓降；p隨著溫度的變化，給峰值檢波器帶來較大的誤差。2. 誤差分析誤差分

15、析正峰值檢波器正峰值檢波器二極管使用運算放大器的峰值檢波器，可以校正二極管的非線性和改善管壓降對精度的影響。3. 改進改進4 峰值檢波器的實用電路同相型多重反饋峰值檢波電路 其理由是：當ui0時，D2截止，D1導通，A1的輸出經(jīng)R2,D1,R1向電容C充電；Rf組成深度電壓負反饋，減小了二極管D1的非線性誤差；D2是防止ui600 一只功率表反偏 電流線圈接頭調(diào)換 對于測量電源電壓對稱的，任意負載的三相三線制電路的三相功率。 p接法(2) 差接電流二功率表法差接電流二功率表法122“ 線路”測量三相功率最大誤差較用普通二表法測量的誤差小 對于任意負載的三相三線制電路，三相電網(wǎng)中普遍采用三相功率

16、表直接測量。(3) 三相有功功率表三相有功功率表3 三相四線制電路功率的測量任意負載情況下，可以用三只單相功率表測量 三表法 n接線 用三只功率表測量任意負載下三相四線電路的功率四、四、 三相電路無功功率的測量三相電路無功功率的測量三相電路無功功率等于各相無功功率的總和：當三相對稱時：式中，U、I相電壓、相電流； 相電壓與相電流的相位差； U1、I1線電壓、線電流。1，用跨相900接線法測量l三表跨相900接線方式 a) 接線圖 b)相量圖 三表跨相900接線法測量三相無功功率 三只功率表的讀數(shù)之和為：即：三只功率表讀數(shù)的代數(shù)和除以3等于三相無功功率。n使用范圍：電源對稱，負載不對稱的三相三線

17、或四線制的電路。 l一表跨接法電源電壓與負載對稱 三表跨接法 三只功率表讀數(shù)相同 可用一只功率表即可測出三相無功功率 一表跨接法 讀數(shù) 3n使用范圍： 電源對稱，負載對稱的三相三線或四線制的電路。 l兩表跨接900接線法測量法接線方式 假設，接入兩表為A相和C相，其讀數(shù)為：故三相無功功率：電源電壓與負載對稱 2，人工中性點接線法電源電壓對稱，負載不對稱的三相三線系統(tǒng)。 兩表人工中性點接線法測量 p 接線a) 接線圖 b)相量圖兩表人工中性點接線法測量三相無功功率 注意點：注意點：n配置的附加電阻Rad，使得兩只功率表電壓回路的電阻與Rad完全相等，以保證加到功率表電壓回路都是對稱三相電壓。n三

18、只功率表讀數(shù)的代數(shù)和乘以3等于三相無功功率。5.6 電能的測量 一、一、 單相交流電路中電能的測量單相交流電路中電能的測量單相交流電路中常使用 單相感應系電能表測量電能。 u低電壓小電流的單相交流電路 直接接入線路 u量限不能滿足要求 互感器接入 電能是有功功率的隨時間的積累。單相電能表經(jīng)互感器接入電路 有時只需要電流互感器接入，有時需要同時接入電路和電壓互感器。 舉例：測量380V單相負載(例如380V電焊機)的有功電能 兩只單相有功電能表的代數(shù)和就是負載消耗的有功電能。 a) 接線圖 b) 相量圖單相有功電能表計量380V單相負載有功電能二、三相交流電路中電能的測量電力系統(tǒng)中普遍使用三相有

19、功電能表測量三相交流電路中電能。p對于三相三線制電路，采用三相二元件式電能表；p對于三相四線制電路，采用三相三元件式電能表；a) 直接接入 b) 經(jīng)電流互感器接入三、無功電能的測量三相電網(wǎng)中普遍使用三相無功電能表測量電能。 特點：單相、3相3線、3相4線功率測量 交流電壓、交流電流、視在功率、無功功率、電能以及功率 因 素 、 頻 率 等 測量 真有效值測量，在非正弦電流時，能準確地測量有功電流。從測量的角度考慮，一般根據(jù)被測電壓的數(shù)值分為高、中、低三個范圍。電壓測量范圍電壓表的負載效應電壓表的負載效應 如圖所示。由于電壓表有內(nèi)阻Ru，接入電壓表實際相當于并聯(lián)上一個電阻為Ru的“負載”，將改變

20、電路中的電壓、電流值，使測出的電壓值小于未接電壓表時的實際電壓值，造成測量誤差，這種現(xiàn)象叫做電壓表的負載效應。電壓表的負載效應電壓表內(nèi)阻電壓表內(nèi)阻 便攜式電壓表常為多量程的，方法是內(nèi)部附加電阻采用分段抽頭式接線，如圖所示。 多量程便攜式電壓表 第k檔量程(電壓上限值為Uk)，電壓表內(nèi)阻為： KvKKmm1()URUII電壓表在某一檔量程的內(nèi)阻，等于電壓表的每伏歐數(shù)乘以該檔的電壓量程。磁電系電壓表指針式的磁電系直流電壓表p mV級p V級直流電位差計測電源電動勢 試驗方法：測量時調(diào)節(jié)電阻R，用于選定輔助電源Uw供給的工作電流I(亦稱為輔助電流)，轉(zhuǎn)換開關S置于位置N時，標準電壓源En接入，調(diào)節(jié)標

21、準電阻Rn，使檢流計P指為零，此時，標準電壓源的電壓En補償了工作電流I在電阻R1(Rn的一部分)上的電壓降。即： n1ER I再將開關S置于位置x，接入被測電源Ex，保持工作電流I不變，調(diào)節(jié)補償電阻Rc，使得檢流計P指零。同理： x2ER I由以上兩式可得出被測電源電動勢為：2xn1REER原理電路圖 在測量高阻值的電壓時，如果沒有內(nèi)阻合適的電壓表，為避免因電壓表負載效應而產(chǎn)生誤差?？蓪⒑涟脖砘蛭脖砼c足夠大的已知電阻R0串聯(lián)起來代替電壓表，如圖所示，被測電壓U可由毫安表內(nèi)阻Rm、讀數(shù)I0以及已知串聯(lián)電阻R0計算出：高阻值負載電壓的測量 U=I0(Rm+ R0)高阻值負載電壓的測量 半波整流

22、半波整流若輸入交流電為：半波整流電路及其波形圖其相應的平均值（即直流平均值，又稱直流分量）全波整流全波整流若輸入交流電為：全波整流電路及其波形圖其相應直流平均值為：型RC濾波 5.7 電阻的測量(1)歐姆表法(2)電橋法(3)伏安表法一、中值電阻的測量a)電壓表前接b)電壓表后接圖a)接線方式的測量結(jié)果 AxxAxxxRRIRIUIUR%100%100 xAxxxRRRRR如果考慮儀表內(nèi)阻的影響， 測量結(jié)果：相對誤差：圖b)接線方式的測量結(jié)果 如果考慮儀表內(nèi)阻的影響， 測量結(jié)果：VxVxVxxVxxVxxxRRRRRRUIUIIIUIUR 1111相對誤差：%100%100 VxxxxxRRR

23、RRRp 結(jié)果討論 2、 越大，誤差就越大，所以電壓表后接的電路，適用于測量Rx阻值較小的情況。VxxRRR1、顯然， 越大，誤差就越大，所以電壓表前接的電路適用于測量Rx RA ，即測量較大電阻。xARR3、當RA和RV已知時，兩種接法都可以通過計算來消除誤差。4、伏安法的優(yōu)點是能在工作狀態(tài)下測量，這一點對非線性電阻的測量非常重要，另一個優(yōu)點是適用于對大電容變壓器一類具有大電感線圈電阻的測量。二、小阻值電阻的測量三、大阻值電阻的測量四、接地電阻的測量（2）四端鈕結(jié)構(gòu)伏安表法（1）電橋法（3）微歐表法小阻值電阻簡稱小電阻，是指阻值在1以下的電阻大阻值電阻簡稱大電阻，是指阻值在1M以上的電阻可用伏安法、電橋法等，最常用的是采用接地電阻測量儀5.8 電感、電容的測量一、電感的測量 電感的測量包括電感線圈的電阻R、電感量L及品質(zhì)因數(shù)Q的測量。(1)伏安表法伏安表測電感的原理與伏安法測電阻相同。測量結(jié)果：0022,21IURRZfLxxxxU0為直流電壓表讀數(shù)，I0為直流電流表讀數(shù)。(2)三表法三表法即用電