电气与电子测量技术电气测量技术.pptx
高电压的测量第1页/共87页交流高电压交流高电压的测量方法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2页/共87页工作原理81104.4410EfW 82204.4410EfW 一、二次绕组上分别感应的电动势为：1122UEWKEW理想电压互感器变比为：111222NUNUEWKKUEW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第3页/共87页 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。111222UUEWKUEW工作原理1122WWUU第4页/共87页 电压互感器实物和接线端子箱工作原理第5页/共87页用途和特点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：1.1.与一次设备隔离，保证安全。2.2.降低表耗。3.3.节省设备投资。4.4.统一设计标准，使仪表和继电器的生产标准化。第6页/共87页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准确度等级一次绕组电压为一次一次绕组电压为一次额定电压的百分数额定电压的百分数(%)误差限值误差限值二次负载为额定二次负载为额定负载的百分数负载的百分数(%)比差比差(%)角差角差()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7页/共87页电磁式电压互感器测量误差分析111ZRjx222ZRjxbbbZRjx110III11111UEI Rjx22()bbUIRjx 电压互感器的等值电路图第8页/共87页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2UK U 与一次电压1U大小不等，相位不重合，电压互感器存在比差与角差 122111100100(%)UUuUUUKK UUfUUK12UKU100(%)UuKKfK比差fu以百分数来表示角差第9页/共87页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10页/共87页电容式互感器（CVT）112CoiCUUC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第11页/共87页电容式互感器（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；第12页/共87页电容式互感器（CVT）电容式电压互感器实物图第13页/共87页电阻分压电阻分压212oiRUURR测量交直流高压第14页/共87页222111222212111)(RCjRRCjRRCjRZZZjW112212211CRjCRjRRR 当R R2 2C C2 2=R=R1 1C C1 1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15页/共87页光学电压传感器（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16页/共87页大电流的测量第17页/共87页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18页/共87页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=E2I28114.4410mEfB SW8224.4410mEfB SW I1W1=I2W2 1221IWIW代入上式得：第19页/共87页 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1221NNIIKI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12IIK I第20页/共87页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112NNIKI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S2N2222NNNSIZ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21页/共87页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（）0.1510201001200.40.250.200.100.101510855251000.210201001200.50.350.20201510251000.510201001201.00.750.5060453025100110201001202.01.51.01209060251003501203.0未规定未规定50100第22页/共87页电流互感器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：2212IKI 2212UK U 11111()UIRjxE22222()UEIRjx第23页/共87页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I第24页/共87页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2111 21111/100100%/IIIKK IIfIKI12IKI100%IIKKfK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I第25页/共87页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。第26页/共87页罗哥夫斯基(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。第27页/共87页罗哥夫斯基(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10()()()()issdi tdiu tMLR i tu tdtdt00()()()sdu tu ti tCdtRNSMul线圈的互感第28页/共87页罗哥夫斯基(Rogowski)线圈0()()ssdiLR i tu tdt当sSLRR即上式可略去最右边一项，变为1()()sdi tdi tMLdtdt0()()u ti tR两边同时对t积分得1()()osRu tMi tL输出电压与被测电流成比例关系ssLRR称为罗氏线圈的自积分条件第29页/共87页罗哥夫斯基(Rogowski)线圈外积分式工作方式当()()ssdiRi tLR i tdt即ssRLRRogowski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10()()diu te tMdt 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30页/共87页罗哥夫斯基(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31页/共87页罗哥夫斯基(Rogowski)线圈罗氏线圈实物图第32页/共87页光学电流传感（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33页/共87页交直流大电流测量分流器分流pggpRRIIR第34页/共87页交直流大电流测量霍尔传感器SPSPNIIN第35页/共87页交流电气量频率、周期和时间间隔的数字化测量第36页/共87页频率的计数法测量 频率的定义频率：单位时间内被测信号重复出现的次数。ff被测信号的频率；NN电振动次数或脉冲个数；tt产生N N次电振动或N N个电脉冲所需的时间。tNf 第37页/共87页时间基准的产生l 欲准确地测量频率，必须要确定一个准确的时间间隔。l 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00TN T第38页/共87页频率的计数法测量原理频率的计数法测量原理 xNfT第39页/共87页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=1dN=1。xxdfdNdTfNTmax()()xxdfdNdTfNT dNN00dfdTTf 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。m a x1()()xxd fGfN 第40页/共87页频率的计数法适于高频信号的测量max11()()()xxxdfGGfNf T 计数法测量频率的误差分析 第41页/共87页周期的定义周期 T T：指电信号一个循环所需要的时间，它与频率的关系为 fT1周期的计数法测量第42页/共87页计数法测量周期的原理计数法测量周期的原理 0 xNTnn为被测信号的分频系数第43页/共87页 周期计数法的测量误差：0max01()()()xxdTddNGTNN 适于低频信号的测量计数法测量周期的测量误差0()xGnT 第44页/共87页 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f fc c0()xxxdTGTnT 1()xxxdfGff T xxxxdTdfTf0 xcnffT中介频率第45页/共87页中介频率的物理意义中介频率的物理意义当信号频率 时选用频率计数法0f当信号频率 第69页/共87页电动系功率表电动系功率表 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:1 2PadUKI IKIK PR1 2 cos PPK i iK U IK 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。第70页/共87页优点：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第71页/共87页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72页/共87页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。第73页/共87页功率和电能的测量方法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74页/共87页 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”功率表的正确接线第75页/共87页功率表的错误接线（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76页/共87页单相交流功率的测量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用电压表，电流表，相位表间接测交流功率 PUIcosQUIsinSUI有功功率有功功率 无功功率无功功率 视在功率视在功率 第77页/共87页单相交流功率的测量单相交流功率的测量 2 用功率表测有功（无功）功率用功率表测有功（无功）功率 第78页/共87页三相交流功率的测量三相交流功率的测量 1 用单相功率表测三相功率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。PP3第79页/共87页三相交流功率的测量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。AZiABZCZiBiC第80页/共87页ACAcos 1PUIAZiABZCZiBiCBCBcos 2PUI三相交流功率的测量三相交流功率的测量第81页/共87页AUCUBIAICIBUACUBCU P1=UAC IA cos =Ul Il cos(30 )P2=UBC IB cos =Ul Il cos(30+)l 由相量图可知，两功率表的读数为：l两功率表读数之和为 P=P1+P2 =Ul Il cos(30 )+Ul Il cos(30+)cosIUll3 可见，采用两表法可测量三相功率。当 60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三相交流功率的测量第82页/共87页 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321PPPP三相交流功率的测量三相交流功率的测量第83页/共87页 4 有功表跨相90度联接测无功功率和电能：一表1cos(90)sinsinBCABCAllQUIUIU I三相交流功率的测量三相交流功率的测量13sin()3llQU IQ二表三表123()2QQQ1233()3QQQQ第84页/共87页5 测量有功二表法线路测无功功率三相交流功率的测量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(30 )Ul Il cos(30+)llU I sin第85页/共87页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）第86页/共87页感谢您的观看！第87页/共87页
