《能源监测与评价》——电工监测技术

第三节 电工监测技术

一、概述

电工测量的对象主要是电流、电压、电功率、电能、相位、频率、功率因数、电阻等。测量各种电量(包括磁量)的仪器仪表，统称为电工测量仪表。电工测量仪表的种类很多，其中最常用的是测量基本电量的仪表。电工测量在电气设备安全、经济、合理运行与故障检修中起着十分重要的作用。

从测量原理上讲，所谓电工测量就是将被测的电量或磁量与同类量进行比较的过程。根据比较方法的不同，测量方法也不一样。电工仪表种类多，有不同的分类方法。除按准确度分类外，还可以按使用方法分为开关板式仪表和可携式仪表;按仪表外形尺寸分则有微型、小型、中型、大型和巨型5种，按仪表的工作原理通常分为磁电系、电磁系和电动系三类。为了表示常用电工仪表的技术性能，在电工仪表的表盘上有许多符号，如被测量单位的符号、工作原理符号、电流种类符号、准确度等级符号、工作位置符号和绝缘强度符号等。

电工仪表的准确度等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共7级，数字越小表示准确度越高。按防御外界磁场或电场干扰的能力可分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4等，其中I等的防御能力最好。按使用条件则分为A、B、C三组，A、B两组用于室内，C组用于室外或船舰、飞机、车辆上。

二、电流和电压的测量

电流、电压一般都采用直接测量方法，即采用直读式模拟或数字的电流、电压表测量。测电流时与被测电路串联，测电压时与被测电路并联，但应注意连接在电路中的位置，即电流表线圈应接在低电位端，电压表接地标志应接在低电位端，如图2-81所示。

(一)直流电流和电压的测量

测量直流电流和电压的仪表多为磁电系仪表。磁电系仪表结构如图2-82所示。它可分为固定部分和可动部分。固定部分包括马蹄形永久磁铁、极掌NS及圆柱形铁芯等。可动部分则有铝框及线圈、两根半轴、螺旋弹簧及指针。极掌与铁芯之间空气隙的长度是均匀的，其中产生均匀的辐射方向的磁场。

磁电系仪表工作原理是可动线圈通电后，由于线圈在磁场中受到电磁力矩的作用使指针产生偏转，当可动线圈稳定后，可认为驱动力矩等于反作永久磁铁用力矩，此时指针偏转的角度与流经线圈的电流成正比。

磁电系仪表可以用于测量直流电压、直流电流及电阻，其优点是刻度均匀、灵敏度和准确度高、阻尼强、消耗电能量小、受外界磁场影响小、工作稳定可靠、易制成多量程仪表;它的缺点是过载能力小、只能测量直流、结构复杂、成本高。

值得注意的是，因为该仪表内部永久磁铁产生的磁场方向恒定，所以只有通人直流电流才能产生稳定的偏转。如果线圈中通入的是交流电流，则由于电流方向不断改变，转动力矩也是在交变，可动的机械部分来不及反应，指针只能在零位附近摆动而得不到正确的读数。所以它只能测量直流电流。

磁电系仪表可以通过分流器扩大其量程，也可以并联若干个电阻，通过更换输入接头，可组成多量程的电流表。分流电阻一般采用电阻率较大、电阻温度系数很小的锰铜制成。目前，国家标准规定外附分流器在通入额定电流时，对应的额定电压为30、45、75、100、150mV和300mV共6种规格。例如，有一磁电式测量机构的电压量程为100mV，要将其改装成100A的电流表，只要选择额定电压为100mV、额定电流为100A的外附分流器与测量机构并联，就能组成100A的电流表，标度尺也按100A来刻度。

磁电系直流电压表是由磁电系测量机构与分压电阻串联组成的，见图2-83，根据欧姆定

律可知，一只内阻为Rc、满刻度电流为Ic的磁电系测量机构，本身就是一只量程为UC=IcRc的直流电压表，只是其电压量程太小。如果需要测量更高的电压，就必须扩大其电压量程，即串联分压电阻。分压电阻的计算方法如下：

设磁电系测量机构的额定电压为Ulc=IcRc，串联适当分压电阻Rv后，可使电压量程扩大为U，此时，通过测量机构的电流仍为Ic，且Ic与被测电压U成正比。所以，可以用仪表指针偏转角的大小来反映被测电压的数值。

上式说明，要使电压表量程扩大m倍，需要串联的分压电阻应是涮量机构内阻Rc的(m-1)倍。

分压电阻一般应采用电阻率大、电阻温度系数小的锰铜丝绕制而成。分压电阻也分为内附式和外附式两种。通常量程低于600V时可采用内附式的，以便安装在表壳内部;量程高于600V时，应采用外附式的。外附式分压电阻是单独制造的，并且要与仪表配套使用。

多量程直流电压表由磁电系测量机构与不同阻值的分压电阻串联组成。通常采用共用式分压电路。这种电路的优点是高量程分压电阻共用了低量程的分压电阻，达到了节约材料的目的;缺点是一旦低量程分压电阻损坏，高量程电压挡就不能使用。

(二)交流电流和电压的测量

测量交流电压和交流电流最常用的是电磁系仪表，它具有结构简单、过载能力强、价格便宜、可以交直流两用等一系列优点，在试验室、工业测量中应用十分广泛。

电磁系仪表的工作原理是被测电流通过一固定线圈，线圈产生的磁场磁化铁芯，铁芯与线圈或者铁芯与铁芯相互作用而产生转矩。它和磁电系测量仪表的区别是，它的磁场由被测电流通过固定线圈产生，而磁电系测量机构的磁场是由永久磁铁产生的。

电磁系仪表结构有吸引型、推斥型和吸引一推斥型三种形式(见图2-84)。吸引型的驱动力矩是利用线圈通电后，对可动铁芯产生吸引力.使指针偏转。推斥型则靠线圈同时对固定、可动铁芯进行磁化，由于磁化的极性相同，产生互斥而形成驱动力矩。显然驱动力矩与通过线圈的电流大小有关，因此根据仪表指针偏转角的大小即可得到电流值。但由于指针偏转角与被测电流的平方成正比，因此标尺呈平方律特性，前密后疏。另外，电磁系仪表的固定线圈有感抗，铁片有涡流，这些都随频率而改变，使读数产生误差。所以电磁系仪表一般只适用于工频测量。

虽然电磁系仪表结构简单、价格低廉、过载能力强，但由于存在磁滞现象，准确度低，最高为0.5级。因为线圈需要足够的电流来产生磁场，故其灵敏度低;又由于本身磁场较弱，抗干扰能力差。

电磁系测量机构本身就是电流表，只要将被测电流接入固定线圈中即可。被测电流通过固定线圈，不通过可动部分，固定线圈的线径较粗，可以流人大电流，因而一般不需分流器，可以直接用这种测量机构去测量较大的电流。量限小于30A时，线圈用绝缘导线，量限大时可用粗铜条绕制。一般测量机构本身可测量的最大电流为200A，大于200A以上的电流表采用电流互感器扩大量限。

为改变量程，一般是将固定线圈分段，利用各段线圈的串联或并联来改变电流量程。当构成多量程电流表时，不宜采用分流器。通常是将固定线圈分段绕制，采用线圈串并联结合的方法改变量程。

电磁系仪表与被测电路并联即可作为电压表测量电压，若要扩大量程，可采用由固定线圈串联附加电阻。但是附加电阻不宜过大，否则通过固定线圈的电流很小，需要增加固定线圈的匝数，使误差增大。

对于交流精密测量，通常采用电动系仪表，即所谓交流标准表。与电磁系仪表的区别是：由可动线圈代替可动铁芯。这样可以消除磁滞和涡流的影响，使测量的准确度提高。此外，电动系仪表具有固定和可动两套线圈，可以测量功率、电能。

三、电功率和电能的测量

测量电功率通常使用功率表。功率表是电动系仪表，其结构如图2-85所示。固定线圈分为两段，目的是获得较均匀的磁场分布，也便于改换电流量程。可动部分包括可动线圈、指针、阻尼翼片等。它们均固定在转轴上。游丝既作为产生反作用力矩，又作为引导电流的元件。阻尼力矩由空气阻尼装置产生。固定线圈导线较粗，匝数较少，它与负载串联。可动线圈为电压线圈，导线较细，匝数较多，且串联附加电阻，它与负载并联。

电动系仪表的工作原理如图2-86所示。固定线圈通人直流电I1，产生磁场，磁感应强度为B，可动线圈通入直流电I2，可动线圈在磁场中受到电磁力F作用，并产生偏转。作为功率表使用，指针偏转角正比于被测功率。

值得注意的是，电动系功率表既可测量直流功率，也可测量交流功率。若电动系仪表作为电流或电压表使用，如果两线圈通以同一电流，或被测电流的一部分，且互感变化率为常数，则指针偏转角与被测电流平方或被测电压平方成正比，或与交流电流或电压有效值平方成正比。

用来计量用电设备消耗电能的仪表称为电能表，俗称电度表、火表。电能表按结构可分为电气机械式电能表、电子式电能表和机电一体式电能表。根据相数分，则有单相和三相电能表。目前，家庭用户基本是单相表，工业动力用户通常是三相表。

按接人电源性质，电能表又可分为有功电能表和无功电能表。众所周知，电能可以转换成各种能量。例如，通过电炉转换成热能、通过电动机转换成机械能、通过电灯转换成光能等。在这些转换中所消耗的电能为有功电能。而记录这神电能的电表为有功电能表。

有些电气装置在能量转换时先得建立一种转换的环境，如电动机、变压器等要先建立一个磁场才能做能量转换，还有些电气装置是要先建立一个电场才能做能量转换。而建立磁场和电场所需的电能都是无功电能。而记录这种电能的电表为无功电能表。无功电能在电气装置本身中是不消耗能量的，但会在电气线路中产生无功电流，该电流在线路中将产生一定的损耗。无功电能表是专门记录这一损耗的，一般只有较大的用电单位才安装这种无功电能表。在各种电能表中，电气机械式感应电能表结构简单、工作可靠、价格便宜，是目前应用最广的一种电能表。其工作原理为：当把电能表接人被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通;交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流;涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩(主动力矩)而转动。负载消耗的功率越大，通过电流线圈的电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩就越大，即转矩的大小与负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方向相反;制动力短的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，从而把所消耗的电能指示出来。

电子式电能表运用模拟或数字电路得到电压和电流向量的乘积，然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能。

四、相位和频率的测量

在电气测量中，相位和频率都是很重要的测量参数。目前比较典型的相位检测方法有：

(1)模拟测相位方法，如相乘器法、矢量法。相乘器法依据2个同频率的正弦信号通过乘法器、滤波电路得到直流电压，由直流电压表测量显示;矢量法依据2个同频率等幅的正弦信号相减后得到与相位成正比的矢量差的模再求得相位差值，这些方法电路复杂，而且对元器件要求高。

(2)数值取样法。它的基本原理是对正弦信号以At为间隔连续采样3点，通过计算即可求出频率，为了进行两信号相位差的测量，仅需要对2路信号分别进行5个点的采样，即可计算出相位。该方法从原理上不存在测量误差，对信号的采样间隔没有特殊要求，采样点少，计算量小，但软件实现方面要求高，且时间间隔的控制比较繁杂。

(3)过零检相法，又称时间重合法。它通过对两信号过零点时间的测量间接获得它们的相位差，利用汁数脉冲对相位差脉宽进行填充，然后计算计数脉冲个数，再取平均值求相位。过零检相法用得较普遍。

在电气监测的相位测量中常采用快速、方便的直读式相位表来测量。这类相位表形式很多，有数字或非数字的双钳相位伏安表、双钳相位表、钳形相位表、钳形相位伏安表、低压伏安相位检测表等，其中数字双钳相位伏安表是一种具有多种电量测量功能的便携式仪表。该表最大的特点是可以测量两路电压之间、两路电流之间及电压与电流之间的相位和工频频率。

测量频率的方法也很多，如示波器测量法、电子计数器测量法、倍频和差频测量法等。

其中电子计数器测量法在电气监测中应用最为普遍。图2-87所示为计数器测量频率的原理。从图中可以看出，它是由以下几部分组成：①输入通道，一般由通道放大电路和整形电路组成;②时间基准电路，通常采用石英晶体振荡器经整形和一系列分频电路构成时间基准;③控制电路，用来使主闸门在所选择的基准时间内打开，使整形后的被测脉冲信号通过并送往计数器计数;④计数和显示电路。