电气与电子测量技术-电气测量技术

1、电气与电子测量技术电气测量技术第1页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五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）第2页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五高电压的测量第3页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五4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第4页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五5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 Tra

2、nsformer）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第5页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五 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。工作原理第6页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五 电压互感器实物和接线端子箱工作原理第7页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五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

3、计标准，使仪表和继电器的生产标准化。第8页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五9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()0.180120士0.1士5251000.280120士0.2土100.585115士05土2025100185115士1.0士40251003100士30未规定25100第9页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五10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第

4、10页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五11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第11页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五12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。第12页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五13电容式互感器（CVT）电容式电压互感

5、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第13页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五14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

6、不会产生大电流，能可靠阻尼铁磁谐振；第14页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五15电容式互感器（CVT）电容式电压互感器实物图第15页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五电阻分压电阻分压测量交直流高压第16页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五 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第17页，共88页，2022年，5月20日，2

7、3点46分，星期五18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。第18页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五大电流的测量第19页，共88页，2022

8、年，5月20日，23点46分，星期五20交流大电流的测量方法电磁式电流互感器罗哥夫斯基（Rogowski）线圈光学电流传感第20页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五21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 = E2I2E1I1= E2I2 I1W1=I2W2 代入上式得：第21页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五 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

9、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第22页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五23CT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第23页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五24CT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

10、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（）0.1510201001200.40.250.200.100.101510855251000.210201001200.50.350.20201510251000.510201001201.00.750.5060453025100110201001202.01.51.01209060251003501203.0未规定50100第24页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五25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：第25页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，

11、星期五26CT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和相位误差第26页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五27CT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 表示第27页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五28CT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

12、。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。第28页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五29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

13、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。第29页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五30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第30页，共88页，2022年，5月20日，23点46

14、分，星期五31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第31页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五32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。第32页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期

15、五33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。第33页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五34罗哥夫斯基(Ro

16、gowski)线圈罗氏线圈实物图第34页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五35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第35页，共88页，2022年，5月20日，2

17、3点46分，星期五交直流大电流测量分流器分流第36页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五交直流大电流测量霍尔传感器第37页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五交流电气量频率、周期和时间间隔的数字化测量第38页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五频率的计数法测量 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。 第39页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五时间基准的产生 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

18、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。时间基准的产生第40页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五频率的计数法测量原理 第41页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五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。 第42页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，

19、星期五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 第43页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五周期的定义周期 T：指电信号一个循环所需要的时间，它与频率的关系为 周期的计数法测量第44页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五计数法测量周期的原理 n为被测信号的分频系数第45页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五 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第46页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五 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

20、介频率fc中介频率第47页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五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 = kI2 = k(U/Rf)2第71页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五电动系功率表 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。电压线圈电流线圈第72页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五优点：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；

21、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第73页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五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。第74页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五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

22、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。 第75页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五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。第76页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五 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

23、电源的同一极性上。*号表示“电源端”功率表的正确接线第77页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五功率表的错误接线（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第78页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五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 第79页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五单相交流功率的测量 2 用功率表测有功（无功）功率 第80页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五三相交流功率

24、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。第81页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五三相交流功率的测量 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。iAW1W2*iBiCABC两功率表测量三相功率第82页，共88页，2022年，5月20日，23点46分，星期五式中 为uAC和iA之间的相位差。iAW1W2*iBiCABCW1 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