西安交大现测课件第4章 电气量测量技术

4.4 电力系统中交变电流的测量
电磁式电流互感器的特点 一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此， 一次线圈中的电流完全取决于被测电路的电流， 而与二次电流无关；
电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线 圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在 近于短路状态下运行。
4.4 电力系统中交变电流的测量
第4章 电气量测量技术
4.1 概述
电气工程领域常涉及电压、电流、电阻、电感、磁场等电 磁学量和一些常见非电量的测量。
随着我国电网电压等级的提高和容量的不断扩大，对传感
器的响应速度、响应范围、抗电磁干扰、环境耐受性、温度稳 定性等方面都提出了更高更严格的要求。 本章结合工程实际，重点讲述电气工程领域常涉及的电磁 学量及非电量的测量方法及其发展现状。
4.4 电力系统中交变电流的测量
按原理分类 电磁式电流互感器：根据电磁感应原理实现电流变 换的电流互感器。 光电式电流互感器：通过光电变换原理以实现电流 变换的电流互感器。 电磁式电流互感器原理
一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流线路中； 二次绕组匝数较多，串接在测量仪表和保护回路中 ，近似短路。 我国规定电流互感器的二次额定为5A或1A。
uAB =RaiR
缺点：没有电气隔离措施
4.4 电力系统中交变电流的测量
4.4.1 互感器型电流传感器 电流互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等二 次设备获取电气一次回路电流信息的传感器。在测量 线路电流的过程中，电流互感器起到变流和电气隔离 作用。 按用途分类 测量用电流互感器：用于计量（计费）和测量运行设 备电流的； 保护用电流互感器：主要与继电装置配合，在线路发 生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障 电路，以保护供电系统安全。
则交流电桥的平衡条件为
4.3.1 电桥法
RX LX CW R3 (a) R4 R3 (b) CX R2 LX RX R4 CW R3 CW (c) (d) R4 R3 R2 RX R2 CX RX CW R4 R2
图(a)、(b)电路：
LX = R2 R3CW
R3 RL = R2 R4
R4 图(c)、(d)电路： CX = CW R2
U0 U R R Zx R
U0 U R R Rx jX R
X
U R sin UR
为U0和UR的相差。
4.3.4 测量实例：交流电桥在氧化锌避雷器 阻性电流测量中的应用
金属氧化物避雷器(MOA)是一种重要的电力设备。在长期的 运行中。系统电压的波动（过压、冲击等）以及各种外界环 境因素（污浊、潮湿等）都会导致避雷器的老化。 老化的主要表现是其泄漏电流中的阻性分量明显增大，监测 阻性电流分量的变化是诊断避雷器运行状况的一个重要因素。
如果满足rP1 << R1 ，rP4<<R2，rP2<<R3，rP3<<R4，当IG=0时， 则回路中电流：I1= I2，I3= I4，IX=IN，Ir= IX-I3，整理上式得：
Rx I X I 3 R3 I1 R1 RN I X I 4 R4 I1 R2 I R R ( I I )r 4 X 3 3 3
R3 RX = R2 R4
4.3.2 谐振法（同步分离法）
信号发生器：频率为ω的激励信号U0及相差90°的信号U1：
U 0 um sin(t ) U1 um sin(t 90 )
4.3.2 谐振法（同步分离法）
U0作为阻抗/电压变换电路的激励信号。假设被测阻抗为：
R0为标准电阻，且R0>>Rx，在Rx两端产生则为：
ux (t ) um Rx sin(0t ) R0
4.2 电阻的测量
将u0(t)和ux(t)同时送入锁相放大电路。由于两信号同频同相， 因此根据锁相放大器的工作原理，其输出直流信号VDC正比于 信号ux(t)的幅值即：
VDC
2 um k Rx R0
(k为锁相放大器的放大倍数)
4.2.2. 大电阻的测量
大电阻测量一般采用积分运算器法，测量范围可达到109～ 1014 ，测量准确度可达0.1%。 原理：
4.2 电阻的测量
S · RS · U0 ·
上下电平 比较器
t1 Ua Biblioteka bt2ΔUC
ΔT
开门时间
· -A +
Ua Ub
t1 Ua
基准电压
4.2 电阻的测量
4.2.1 小电阻的测量
应用：电机线圈或变压器绕组的直流电阻、分流器电阻、电力
电缆电阻、继电器触头电阻、GIS断路器回路电阻等都涉及到
毫欧甚至微欧级电阻的测量。 难点： 如何消除测量线路中各样噪声干扰，有效提取微小电阻 的信息，是微小电阻测量研究中的难点。 测量方法：直流双电桥、脉冲法和恒流源法等三种。
= VHdl
0
L
式中，V是与物质性质、光的频率有 关的常数，叫做费尔德常数。
4.4 电力系统中交变电流的测量
根据马吕斯定律，平面偏振光通过磁场中的介质和检偏器后的出
射光强为：
当φ取45º 时
I0 I I 0 cos ( ) [1 cos(2 2 )] 2 I0 I0 I (1 sin 2 ) (1 2 ) 2 2
4.3.3 采样法
令被测混合阻抗
同理，将Uz和U1送入乘法器2，并滤去输出Ub中的高频分量得：
1 U x k z um sin 2
UR和Ux分别于被测阻抗Z的实部和虚部成正比，由此可求出R 与X数值。
令: 可知: 于是：
Rx U R cos R UR
4.3.3 采样法
Z x Rx jX
UN
时标脉冲 发生器
计数门 计数器
t2
ΔU
Ub
ΔT
开门时间
UN DU = iDT RsC
U N NTc Rs U 0C
4.3 电容和电感的测量
4.3.1 电桥法
将阻抗写成：
Z = Z e jj
ì ï Z1 Z 4 = Z 2 Z3 í ï îj1 + j 4 = j 2 + j 3
（幅值条件） （相位条件）
4.2 电阻的测量
(4) 低频交流电流测量小电阻
原理:使一个已知频率的低频交流信号流过被测小电阻，采用锁相放大技 术准确提取电阻两端电压信号，消除噪声影响，进而获得被测电阻阻值。 锁相放大器技术是依据互相关原理实现的一种处理微弱信号的方法。
由信号源产生电压：
可测最小电阻 达到微欧级。
u0 (t ) um sin(0t )
4.2 电阻的测量
6 1 10 ； 可测电阻的最小阻值低于 当流过检流计两端电压相等时： UD=UF , IG=0，电桥平衡，此时有:
Rx I x I 3 rp 2 R3 I1 rp1 R1 RN I N I 4 rp 3 R4 I 2 rp 4 R2 I 3 rp 2 R3 I 4 rp 3 R4 I r r
4.4.2 霍尔电流传感器
1.工作原理
两横侧间的霍尔电压： UH＝KH· B· i
KH－霍尔片的灵敏度，与 材料的性质、形状有关。
4.4 电力系统中交变电流的测量
4.4 电力系统中交变电流的测量
2. 霍尔直测式电流传感器
由：
I P HL H B/ U H KH BI s
UH L IP KH Is
4.2 电阻的测量
（1）四端接线法
接触电阻：两个金属导体在接触面上 产生的附加电阻；与导体接触面面积、 接触面的平整度、导体材料有关。同 时，在接触面在空气中可能形成一层 导电性能较差的养护膜附着在接触面 上，这也会加大接触电阻的阻值。通 常人们把这种接触电阻叫做膜电阻。
HS、LS——电流端 HF、LF——电压端 r1~r4——引线和接触电阻之和；
Z X RX jX
变换电路输出为：
式中：
U z kz sin(t )
um Z X R
kz
tan 1
X RX
变换电路输出为将Uz和U0送入乘法器1，其输出Ua为：
1 1 U a k z um cos(2t ) k z um cos 2 2
滤去Ua信号中的高频分量，取直流分量： 1 U R k z um cos 2
避雷器等效电路模型图
高压电容电桥的电路原理
4.3.4 测量实例：交流电桥在氧化锌避雷器阻 性电流测量中的应用
高压臂：MOA与高压标准电容器Cr并联； 低压臂：电阻Ra、Rb构成，且要求Ra和Rb的值相对高压臂的 阻抗足够小。于是流过两个高压臂的电流分别为：
du i iR iC iR C dt du iCr Cr dt
于是： uAB iRa iC Rb
r
du du Ra iR Ra C RbCr dt dt du Ra iR ( Ra C RbCr ) dt
4.3.4 测量实例：交流电桥在氧化锌避雷器 阻性电流测量中的应用
调整低压臂的电阻Ra和Rb使：
RaC RbCr
则UAB为流过避雷器的阻性电流：
结论：被测电阻的四端接线方式可有效降低测量回路中引线电阻和接触电
阻的影响，从而提高微小电阻阻值的测量准确度。为保证测量准确度，实 际应用中必须尽量降低RX、RN电压端的引线和接触电阻的阻值。
4.2 电阻的测量
(3)大脉冲电流测量小电阻
测量微小电阻时，为提高信号的信噪比，可提高流过电阻的电流。但为避 免电阻的温度效应，往往采用脉冲大电流法测量微小电阻。 从理论上来说，电流应越大越好，脉宽越小越好。但在实际中电流太大， 对测量装置要求就越高；脉宽太小，实现起来就越困难，所以要根据实际情 况综合考虑电流的大小及脉宽。 举例： 测量1µ Ω电阻选用： 电流脉冲宽度≤300µ s；测试电流：100A时； 产生的电阻最大温升 ：ΔT=3.2×10-9K, 电阻阻值变化率 ΔR/R=3.2×10-12 可使用最小量程为0.2V、分辨率为10µ V、准确度为0.05％的电压表做表 头即可测量出该电阻阻值，测量不确定度约为：？。