第5章电气测量技术 博观而约取，厚积而薄发。 一一苏轼 本章主要介绍交流电气量的测量技术，包括电力系统中常用的交流高电压和大电流的 测量方法，以及频率、周期、相位的数字化测量技术，对传统的磁电系、电磁系及电动系电 工仪表的工作原理、电磁机构及其特点进行详细说明，最后介绍电力设备几个主要的绝缘性 能指标及测试方法。 5.1高电压的测量 高电压测量的方法主要是将高电压变换成方便测量的小电压信号，用电压表或数字测 量仪器进行测量。高电压转换为低电压的设备主要是各种类型的互感器。传统的电磁式电压 互感器由于存在铁磁谐振，目前只在66kV及以下电网中使用较多，而66kV及以上电压等 级的电网中，电容式电压互感器CVT已经被越来越多地使用。随着传感技术、光纤技术和 数字化变电站的发展，适合数字化信号采集的电子式电压互感器(Electronic Voltage Transformer,EVT)未来将逐步取代传统的互感器。电子式电压互感器主要包括电容式电压 互感器、光电式互感器两类。 5.1.1电磁式电压互感器12) 电磁式电压互感器简称PT(Potential Transformer)或TV,其工作原理和变压器相同， 运用电磁感应原理原副边磁耦合将交流高压变为低电压。电压互感器实际相当于降压变压 器，电压互感器的二次侧负荷比较恒定，所接测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，因此， 在正常运行时，电压互感器接近于空载状态。 1.电磁式电压互感器的工作原理 额定电压为3~10kV的电压互感器有单相、三相三芯柱、三相五芯柱三种，额定电压 为35kV及以上的电压互感器均制成单相式。无论单相还是三相，它们的基本工作原理相同， 完全可以用一个单相电压互感器来说明。 电压互感器的工作原理可以参考等值电路（图5-1）来说明。当电压互感器一次绕组加 上交流电压心时，绕组中流过电流，，铁芯内就有交变主磁通攻与一次绕组、二次绕组交 链，一、二次绕组上感应的电动势分别为 E=4.44jW×10-8(V)
第 5 章 电气测量技术 博观而约取，厚积而薄发。 ——苏轼 本章主要介绍交流电气量的测量技术，包括电力系统中常用的交流高电压和大电流的 测量方法，以及频率、周期、相位的数字化测量技术，对传统的磁电系、电磁系及电动系电 工仪表的工作原理、电磁机构及其特点进行详细说明，最后介绍电力设备几个主要的绝缘性 能指标及测试方法。 5.1 高电压的测量 高电压测量的方法主要是将高电压变换成方便测量的小电压信号，用电压表或数字测 量仪器进行测量。高电压转换为低电压的设备主要是各种类型的互感器。传统的电磁式电压 互感器由于存在铁磁谐振，目前只在 66kV 及以下电网中使用较多，而 66kV 及以上电压等 级的电网中，电容式电压互感器 CVT 已经被越来越多地使用。随着传感技术、光纤技术和 数字化变电站的发展，适合数字化信号采集的电子式电压互感器（Electronic Voltage Transformer，EVT）未来将逐步取代传统的互感器。电子式电压互感器主要包括电容式电压 互感器、光电式互感器两类。 5.1.1 电磁式电压互感器[12] 电磁式电压互感器简称 PT（Potential Transformer）或 TV，其工作原理和变压器相同， 运用电磁感应原理原副边磁耦合将交流高压变为低电压。电压互感器实际相当于降压变压 器，电压互感器的二次侧负荷比较恒定，所接测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，因此， 在正常运行时，电压互感器接近于空载状态。 1．电磁式电压互感器的工作原理 额定电压为 3～10kV 的电压互感器有单相、三相三芯柱、三相五芯柱三种，额定电压 为 35kV 及以上的电压互感器均制成单相式。无论单相还是三相，它们的基本工作原理相同， 完全可以用一个单相电压互感器来说明。 电压互感器的工作原理可以参考等值电路（图 5-1）来说明。当电压互感器一次绕组加 上交流电压 U1 时，绕组中流过电流 1 I ，铁芯内就有交变主磁通 0 与一次绕组、二次绕组交 链，一、二次绕组上感应的电动势分别为 8 1 1 0 E fW 4.44 10 (V)
·134· 电气及电子测量技术 E2=4.44fW×10-8(V) (5-1) 将以上两式相除得额定电压比Ku为： K=点 (5-2) E2W2 这就表明，电压互感器一、二次绕组感应电动势之比等于匝数之比。 如果电压互感器是理想电压互感器，即无功率损失的电压互感器，忽略很小的空载电流 和负载电流在一、二次绕组产生的电压降时，UN=E1,U2=E2,故实际电压比K为： K==马-=K (5-3) U2N E2 W2 式中，一次线圈额定电压U1N是电网的额定电压（如10kV、35kV、110kV、220kV、 330kV、500kV、1000kV等)，二次电压U2w的输出范围统一为0~100（或100/1.732、100/3） V,所以Kn也标准化。 理想电压互感器一次绕组电压U与二次绕组电压U2的比值是个常数，等于一次和二 次绕组的匝数比，称为电压互感器的额定电压比。被测电压实际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。 形，一一次绕组匝数：形一二次绕组匝数 图5-1电压互感器接入电路原理图 2.电磁式电压互感器技术参数 (1)绕组的额定电压及额定变比 电压互感器铭牌上分别标明了一次绕组、二次绕组、零序电压绕组的额定电压值。 绕组额定电压是指加于三相电压互感器或三相系统线间用的单相电压互感器的一次绕 组上的线电压，是绕组能够长期工作的电压，是电网的额定电压（如10kV、35kV、110kV、 220kV、330kV、500kV、1000kV等)：接于三相系统线与地之间的单相电压互感器的额定一
·134· 电气及电子测量技术 8 2 2 0 E fW 4.44 10 (V) （5-1） 将以上两式相除得额定电压比 KU为： 1 1 U 2 2 E W K E W （5-2） 这就表明，电压互感器一、二次绕组感应电动势之比等于匝数之比。 如果电压互感器是理想电压互感器，即无功率损失的电压互感器，忽略很小的空载电流 和负载电流在一、二次绕组产生的电压降时，U1N=E1，U2N=E2，故实际电压比 K 为： 1N 1 1 U 2N 2 2 U E W K K U E W （5-3） 式中，一次线圈额定电压 U1N 是电网的额定电压（如 10kV、35kV、110kV、220kV、 330kV、500kV、1000kV 等），二次电压 U2N的输出范围统一为 0～100（或 100/1.732、100/3） V，所以 Kn也标准化。 理想电压互感器一次绕组电压 U1 与二次绕组电压 U2 的比值是个常数，等于一次和二 次绕组的匝数比，称为电压互感器的额定电压比。被测电压实际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。 W1—一次绕组匝数；W2—二次绕组匝数 图 5-1 电压互感器接入电路原理图 2．电磁式电压互感器技术参数 （1）绕组的额定电压及额定变比 电压互感器铭牌上分别标明了一次绕组、二次绕组、零序电压绕组的额定电压值。 绕组额定电压是指加于三相电压互感器或三相系统线间用的单相电压互感器的一次绕 组上的线电压，是绕组能够长期工作的电压，是电网的额定电压（如 10kV、35kV、110kV、 220kV、330kV、500kV、1000kV 等）；接于三相系统线与地之间的单相电压互感器的额定一
第5章电气测量技术 ·135· 次电压位为上述额定电医的方备如音·片·清v家 二次额定电压是指三相电压互感器和供三相系统线间用的单相电压互感器二次绕组的 长期工作电压，二次电压U2N的输出范围统一为0~100（或100/1.732,100/3）V:供三相 系统线与地之间用的单相电压互感器的二次额定电压规定为0~10心V。 保护用电压互感器一般设有零序电压绕组，供接地故障产生零序电压用。零序绕组接成 开口三角形，一旦有某一相故障，出现电压不平衡时，开口处的电压值就会有所变化。零序 电压绕组的额定电压是指供大电流接地系统用的电压互感器的零序电压绕组能长期工作的 电压，规定为0~00V:供小电流接地系统用的电压互感器，其零序电压绕组的二次额定电 压为0100V。 3 (2)准确度等级 电压互感器的准确度等级就是对电压互感器所指定的误差等级。在规定的使用条件下， 电压互感器的误差应在规定的限度之内。 电力系统中应用的电压互感器按用途分为两大类：一类为测量用电压互感器，另一类为 继电保护用电压互感器。按照GB1207一1975《电压互感器》和JJG314一1983《测量用互 感器试行检定规程》的规定，测量用电压互感器准确度等级分为0.1、0.2、0.5、1、3级， 其所容许的误差极限值见表5-1。继电保护用的电压互感器准确等级一般以3P、6P等符号 表示，表示在5%额定电压到额定电压因数（中性点接地系统为1.2和1.5，中性点不接地系 统为1.2和1.9)相对应电压范围内最大允许电压误差的极限分别为3%和6%。零序电压绕 组的准确等级一般为6P。 表5-1电压互感器容许的误差极限值 一次绕组电压为一次 误差限值 二次负载为额定 准确度等级 额定电压的百分数(%) 比差(%) 角差(') 负载的百分数(%) 0.1 80-120 ±0.1 ±5 25-100 0.2 80-120 ±02 ±10 0.5 85-115 ±05 ±20 25~100 85～115 ±1.0 ±40 25-100 3 100 ±3.0 未规定 25-100 (3)额定负载 电压互感器的额定负载也叫额定容量，是按照其准确度等级制造的容量，是当二次电压 为额定值时，规定允许接入的负载，通常用视在功率表示。在额定二次负载下，电压互感器 的误差应符合其准确度等级的规定。 3.电磁式电压互感器稳态测量误差分析
第 5 章 电气测量技术 ·135· 次电压应为上述额定电压的 1 3 倍，如 6 3 、 10 3 、 35 3 kV 等。 二次额定电压是指三相电压互感器和供三相系统线间用的单相电压互感器二次绕组的 长期工作电压，二次电压 U2N的输出范围统一为 0～100（或 100/1.732，100/3）V；供三相 系统线与地之间用的单相电压互感器的二次额定电压规定为 0～ 100 3 V。 保护用电压互感器一般设有零序电压绕组，供接地故障产生零序电压用。零序绕组接成 开口三角形，一旦有某一相故障，出现电压不平衡时，开口处的电压值就会有所变化。零序 电压绕组的额定电压是指供大电流接地系统用的电压互感器的零序电压绕组能长期工作的 电压，规定为 0～l00V；供小电流接地系统用的电压互感器，其零序电压绕组的二次额定电 压为 0～ 100 3 V。 （2）准确度等级 电压互感器的准确度等级就是对电压互感器所指定的误差等级。在规定的使用条件下， 电压互感器的误差应在规定的限度之内。 电力系统中应用的电压互感器按用途分为两大类：一类为测量用电压互感器，另一类为 继电保护用电压互感器。按照 GB 1207—1975《电压互感器》和 JJG 314—1983《测量用互 感器试行检定规程》的规定，测量用电压互感器准确度等级分为 0.1、0.2、0.5、1、3 级， 其所容许的误差极限值见表 5-1。继电保护用的电压互感器准确等级一般以 3P、6P 等符号 表示，表示在 5%额定电压到额定电压因数（中性点接地系统为 1.2 和 1.5，中性点不接地系 统为 1.2 和 1.9）相对应电压范围内最大允许电压误差的极限分别为 3%和 6%。零序电压绕 组的准确等级一般为 6P。 表 5-1 电压互感器容许的误差极限值 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（′） 0.1 80～120 ±0.1 ±5 25～100 0.2 80～120 ±0.2 ±10 0.5 85～115 ±05 ±20 25～100 1 85～115 ±1.0 ±40 25～100 3 100 ±3.0 未规定 25～100 （3）额定负载 电压互感器的额定负载也叫额定容量，是按照其准确度等级制造的容量，是当二次电压 为额定值时，规定允许接入的负载，通常用视在功率表示。在额定二次负载下，电压互感器 的误差应符合其准确度等级的规定。 3．电磁式电压互感器稳态测量误差分析
·136· 电气及电子测量技术 实际的电压互感器有能量损耗，绕组中有电压降，即U≠E,U2≠E2,U1和U2的比值 不是一个常数，而是随不同的条件而稍有变化的。影响电压互感器U1与2比值的参数表示 在等值电路（图5-2）中
·136· 电气及电子测量技术 实际的电压互感器有能量损耗，绕组中有电压降，即 U1≠E，U2≠E2，U1和 U2的比值 不是一个常数，而是随不同的条件而稍有变化的。影响电压互感器 U1与 U2比值的参数表示 在等值电路（图 5-2）中
第5章电气测量技术 ·137· 。凸 C. =E, 图5-2电压互感器的等值电路图 图5-2中，U为一次绕组端电压，为一次电流，i。为空载电流即励磁电流，它包含 铁损电流分量i和磁化电流分量i,n为一次绕组电阻，x1为一次绕组漏抗，n为二次绕组 电阻，2为二次绕组漏抗，1，为二次电流，U,为二次绕组端电压，b为励磁电纳，E,为 一次绕组感应电动势，E,为二次绕组感应电动势，g0为励磁电导。 各参数之间关系为： Z1=n+jxi,Z2=r2+jx2,ZL=Ri+jxi 01=11(m1+jx1)-E1 03=3-(r2+jx2)=i(R+jx) lo lor lox lor =-goE1 lox jboE 根据等效电路及上述关系式作相量图，如图5-3所示。从图5-3看出，电压互感器运 行时，由于受励磁电流。、一次、二次绕组内的电压降（均随二次负载变化）等影响，使按 额定电压比折算至一次侧并旋转180°后的二次电压（图5-3中为-；）与一次电压0，大小 不等，则电压互感器存在比差：如相位不重合，则电压互感器存在角差
第 5 章 电气测量技术 ·137· 图 5-2 电压互感器的等值电路图 图 5-2 中， U1 为一次绕组端电压， 1 I 为一次电流， 0 I 为空载电流即励磁电流，它包含 铁损电流分量𝐼 ̇ 0r和磁化电流分量𝐼 ̇ 0x，r1 为一次绕组电阻，x1 为一次绕组漏抗，r2为二次绕组 电阻，x2 为二次绕组漏抗， 2 I 为二次电流， U2 为二次绕组端电压，b0 为励磁电纳， E1 为 一次绕组感应电动势， E2 为二次绕组感应电动势，g0为励磁电导。 各参数之间关系为： 𝑍1 = 𝑟1 + 𝑗𝑥1，𝑍2 ′ = 𝑟2 ′ + 𝑗𝑥2 ′，𝑍𝐿 ′ = 𝑅𝐿 ′ + 𝑗𝑥𝐿 ′ ， 𝑈̇ 1 = 𝐼 ̇ 1 (𝑟1 + 𝑗𝑥1 ) − 𝐸̇ 1 𝑈̇ 2 ′ = 𝐸̇ 2 ′ − 𝐼 ̇ 2 ′ (𝑟2 ′ + 𝑗𝑥2 ′ ) = 𝐼 ̇ 2 ′ (𝑅𝐿 ′ + 𝑗𝑥𝐿 ′ ) 𝐼 ̇ 0 = 𝐼 ̇ 0𝑟 + 𝐼 ̇ 0𝑥 𝐼 ̇ 0𝑟 = −𝑔0𝐸̇ 1 𝐼 ̇ 0𝑥 = 𝑗𝑏0𝐸̇ 1 根据等效电路及上述关系式作相量图，如图 5-3 所示。从图 5-3 看出，电压互感器运 行时，由于受励磁电流 0 I 、一次、二次绕组内的电压降(均随二次负载变化)等影响，使按 额定电压比折算至一次侧并旋转 180°后的二次电压（图 5-3 中为𝑈̇ 2 ′）与一次电压 U1 大小 不等，则电压互感器存在比差；如相位不重合，则电压互感器存在角差。 𝑈̇ 1 𝐼 ̇ 1 𝑈̇ 2 𝐸̇ 1 = 𝐸̇ 2 𝐼 ̇ 0 𝐼 ̇ 0𝑟 𝐼 ̇ 0𝑥 𝐼 ̇ 2 ′ 𝑟2 ′ 𝑥2 ′ 𝑅𝐿 ′ 𝑥𝐿 ′ 𝑟1 𝑥1 𝑔0 𝑏0