第十七章电工仪表.docx
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第十七章电工仪表
目录
第十七章：
电工仪表1
一第一节：
电工仪表的基本知识1
第二节：
电工仪表的运行检查维护9
第十七章：
电工仪表
一第一节：
电工仪表的基本知识
在电能的生产、传输、分配和使用等各个环节中，都需要通过电工仪表对系统的运行状态（如电能质量、负荷情况等）加以监测，从而保证系统安全而又经济地运行，所以人们常把电工仪表和测量称作电力工业的眼睛和脉搏。
电工仪表和测量技术是从事电气工作的技术人员必须掌握的一门学科。
本章主要介绍电工仪表及测量的基本知识。
1.电工仪表的基本原理与组成
进行电量或磁量测量所需的仪器仪表，统称电工仪表。
1.1电工仪表的分类
电工仪表仪器种类繁多，按其结构、原理和用途大致可分为下而几类。
1.1.1电测量指示仪表
电测量指示仪表又称为直读仪表。
这种仪表的特点是先将被测量转换为可动部分的角位移，然后通过可动部分的指示器在标尺上的位置直接读出被测量的值，如交直流电压表、电流表、功率表都属于这种仪表。
指示仪表又可分为以下几种类型:
（1）按仪表工作原理，可分为磁电系、电磁系、电动系、感应系、静电系、热电系、整流系、电子系等。
（2）按用途，可分为电流表、电压表、功率表、电能表、功率因数表、频率表、相位表、欧姆表、兆欧表及万用表等。
（3）按被测电流的种类，可分为直流表、交流表及交直流两用表等。
（4）按使用环境条件，可分为A、A1、B、B1、C5个组。
其中C组环境条件最差。
（5）按使用方式，可分为安装式、便携式等。
（6）按防御外界电场或磁场的性能，可分为I、Ⅱ、Ⅲ、IV4个等级。
I级仪表在外磁场或外电场的影响下，允许其指示值改变±0.5%；II级仪表允许改变±1.0%；Ⅲ级仪表允许改变±2.5%；IV级仪表允许改变±5.0%。
除上述分类法外，还有其他的分类方法。
1.1.2比较仪器
比较仪器用于比较测量，它包括各类交直流电桥、交直流补偿式测量仪器。
比较仪器测量准确度比较高，但操作过程复杂，测量速度较慢。
1.1.3数宇仪表
数字仪表也是一种直读式仪表，它的特点是将被测量转换成数字量，再以数字方式显示出测量结果。
数字仪表的准确度高，读数方便，有些仪表还具有自动量程切换和编码输出，便于用计算机进行处理，容易实现自动测量。
1.1.4记录仪表
用来记录被测盘随时间的变化情况，如示波器、X—Y记录仪；
1.1.5扩大量程装置和变换器
扩大量程的装置有分流器、附加电阻.电流互感器、电压互感器等。
变换器是用来实现不同电量之间的变换，或将非电量转换为电量的装置。
1.2电测指示仪表的组成和基本原理
1.2.1电测量指示仪表通常都是由测量电路和测量机构两部分构成.其组成方框图如图17-1所示：
图17-1电测量指示仪表的组成
（1）测量电路。
测量电路的作用是把被测量二转换为测量机构可以接受的过渡量y，如电压表的附加电阻、电流表的分流电阻都是测量电路。
测量电路通常由电阻、电感.电容或电子元件组成，不同仪表的测量电路是不同的。
（2）测量机构。
测量机构（表头）是仪表的核心部件，各种系列仪表的测量机构都是由固定部分及活动部分组成，其作用是将接受到的过渡量y变换为活动部分的角位移即偏转角α。
由于测量电路中的x和y与测量机构中的y和α能够严格保持一定的函数关系，所以根据偏转角的大小.就可确定被测量的数值。
1.2.2机构的工作原理
为使测量机构的活动部分，按接收到的被测量的大小，偏转到某一相应的稳定位置，电测量指示仪表的测量机构工作时都具有三种力矩，即转动力矩、反作用力矩和阻尼力矩。
（1）转动力矩。
在被测量的作用下，使活动部分产生角位移的力矩称为转动力矩，用M表示。
该力矩可以由电磁力、电动力、电场力或其他力来产生。
产生转动力矩的方式原理不同，就构成磁电系、电磁系、电动系、感应系等不同系列的电测量指示仪表。
但不论哪种系列的仪表，其转动力矩M的大小都与被测量成一定比例关系；
（2）反作用力矩。
在转动力矩的作用下，测量机构的活动部分发生偏转，如果没有反作用力矩与之平衡，则不论被测量有多大，活动部分都要偏转到极限位置，就像一杆不挂称陀的称，不论被测量多大，称杆总是向上翘起，这样只能反映出有无被测量，而不能测出被测量的大小。
为了使仪表能测出被测量的数值，活动部分偏转角的大小应与被测量大小有确定的关系。
为此，需要一个方向总是和转动力矩相反，大小随活动部分的偏转角大小变化的力矩，这个力矩称为反作用力矩，用从表示。
在一般仪表中，反作用力矩通常由游丝（即螺旋弹簧）产生；在灵敏度较高的仪表中，反作用力矩由张丝或吊丝产生。
此时，反作用力矩Mα与活动部分的偏转角成正比，即
（1-1）
式中α——偏转角
D——常数，取决于游丝、吊丝或张丝的材料与尺寸。
在转动力矩的作用下，活动部分开始偏转，使游丝扭紧.因而反作用力矩随之增加，当转动力矩和反作用力矩相等时，活动部分将处于平衡状态.偏转角达到一稳定数值。
这时可见，由于转动力矩M与被测量值成一定的比例关系，因而偏转角。
与被测量值也成一定比例，所以偏转角的大小可表示被测量值的大小。
除了用游丝、张丝及吊丝产生反作用力矩外，也可用电磁力产生反作用力矩，如比率型仪表。
（3）阻尼力矩。
从理论上来讲，当转动力矩与反作用力矩相等时，仪表指针应静止在某一平衡位置，但由于活动部分具有惯性，它不能立刻停止下来，而是要围绕这个平衡位置左右摆动，需要经过较长时间才能稳定在平衡位置，因此不能尽快读数。
为了缩短摆动时间，电测量指示仪表的测量机构通常都装有产生阻尼力矩的装置，用以吸收摆动能量，使活动部分能迅速地在平衡位置稳定下来。
阻尼力矩由阻尼器来产生，常用的阻尼器有空气式和电磁感应式两种，如图1-2所示。
空气阻尼器是利用一个与转轴相连的薄片在封闭的扇形阻尼盒内运动时，薄片因受到空气的阻力而产生阻尼力矩的，如图1-2（a）所示；电磁感应阻尼器是利用一个与转轴相连的铝片在永久磁铁气隙中运动时，铝片中产生的涡流与磁场作用而产生阻尼力矩的，如图1-2所示。
图1-2（c）也是电磁感应式阻尼器，它是利用铝框架在强磁场中运动产生阻尼力矩的。
应当注意，阻尼力矩是一种动态力矩，它只在活动部分运动时才产生，其方向总是和活动部分的运动方向相反，大小与活动部分的运动速度成正比，当活动部分静止时，阻尼力矩为零.因而阻尼力矩的存在对仪表的指示值没有任何影响。
除以上三种力矩外，用轴承支持活动部分的仪表，不可避免地会存在摩擦而产生的摩擦力矩，它会在不同程度上阻碍活动部分的运动，使活动部分停在偏离真实平衡位置的地方，致使仪表指示产生误差。
1.3电测量指示仪表的一般机构
电测量指示仪表种类繁多，结构各不相同，除具有产生转动力矩、反作用力矩、阻尼力矩的装置外，大部分仪表还有下面一些主要部件。
1.3.1外壳
外壳通常由铁、水、塑料等材料制成，用来保护仪表内部的结构
1.3.2指示装置
仪表指示装置如图1-3所示，由以下零件组成。
（1）标度尺。
标度尺是表盘上一系列数字和分度线的总称:
通常情况下，准确度等级较高（1.4级以上）的仪表采用镜子标尺，即在标度尺下有一条弧形镜面，读数时应使指针与镜面反映出的指针像重合，以保证读数的准确。
（2）指针。
有刀形、矛形等指针。
灵敏度高的仪表有的采用光标影像指针，如图1-4所示。
（3）限动器。
限制指针的最大活动范围。
（4）平衡锤。
防止在指针偏转时，由于重心不正而带来误差。
1.3.3轴和轴承
用来支持活动部分转动，为减小摩擦，轴尖用钢制成二轴承材料有多种，如青铜、玻璃、蓝宝石等。
新型电能表为了减少磨损，延长使用寿命，采用磁推轴承，它是利用两块圆柱形磁钢同极性相斥的原理，把两块磁钢装在下轴套内，利用推斥力支撑电能表转动部分的重量，使之悬浮起来，其上下两端均用不锈钢销针与石墨尼龙衬套作为导向，以制止水平方向的运动。
1.3.4调零装置
用来微调游丝或张丝的固定端，以改变初始力矩.从而使仪表的机械零位与适当的分度线（零位）相索合，如图1-3所示。
2.仪表的误差及准确度
2.1仪表误差的分类
用任何仪表进行测量，仪表的指示值与被测量的真实值之间总有差异，这个差异称为仪表的误差。
根据误差产生的原因，仪表误差可分为两大类。
2.1.1基本误差
基本误差是指仪表在规定的工作条件下，即在规定的温度、湿度、放置方式、没有外电场和磁场干扰等条件下，由于仪表本身结构和工艺等方面不够完善而产生的误差。
如由于仪表活动部分存在摩擦、零件装配不当、标尺刻度不准等所引起的误差都属于基本误差，这种误差是仪表本身所固有的。
2.1.2附加误差
附加误差是指因偏离规定的工作条件而使用所造成的误差。
如温度过高、波形非正弦、外界电磁场的影响等所引起的误差都属于附加误差。
因此，仪表离开规定的工作条件所形成的总误差中，除了基本误差之外，还包含有附加误差。
2.2误差的表示方法
2.2.1绝对误差△
仪表的指示值Ax与被测量的真值山之问的差值，称为绝对误差△，即
△=Ax一A0（1-3}
由式（1-3}可以看出，△是有大小、正负、单位的数值。
其大小和符号表示了测a值偏离真值的程度和方向。
由于被测量的真值A0很难确定，所以实际测量中，通常把准确度等级高的标准表所测得的数值或通过理论计算得出的数值作为真值。
【例17-1】某电路中的电流为10A，用甲电流表量时的读数为9.8A，用乙电流表测量时的读数为10.4A。
试求两次测量的绝对误差。
解：
由式（1-3）可知
甲表测量的绝对误差为△1=Ix-I0=9.8-10=-0.2（A）
乙表测量的绝对误差为△2=Ix-I0=10.4-10=0.4（A）
由上述结果可知，甲表的读数比乙表更为准确。
因此，在测量同一个量时，绝对误差乙的绝对值越小，测量结果就越准确。
2.2.2相对误差
当测量不同量时，用绝对误差有时很难准确判断测量结果的准确程度。
例如用一个电压表测量200V电压.绝对误差为+1V，而用另一个电压表测量20V电压，绝对误差为+0.5V。
前者的绝对误差大于后者，但前者的误差只占被测量的0.5%，而后者的误差却占被测量的2.5%，因而，后者误差对测量结果的影响大于前者。
所以在工程上常采用相对误差来表示测量结果的准确程度。
绝对误差A与被测量的真值A0的比值，称为相对误差γ用百分数表示，即
（1-4）
与前述同理，实际测量中通常用标准表所测得的数值或通过理论计算得出的数值作为被测量的真值。
另外，在要求不太高的工程测量中，相对误差常用绝对误差与仪表指示值之比的百分数来表示，即
（1-5）
【例17-2】
由计算结果可知，虽然甲表的绝对误差比乙表大，但其相对误差却比乙表小，故甲表比乙表的侧量准确度程度高。
2.2.3引用误差
相对误差虽可以表示测量结果的准确程度，但不能全面表征仪表本身的准确度。
同一只仪表，在测量不同的被测量Ax时，其绝对误差△变化不大，但由式（1-5）可看出，随被测量Ax二不同，相对误差变化较大，也就是说仪表在全限范围内各点的相对误差是不相同的，因此相对误差不能反映仪表的准确程度.为此工程上采用引用误差来确定仪表的准确程度。
绝对误差与规定的基准值比值的百分数，称为引用误差，用人表示。
不同类型标度尺的电测量指示仪表，其基准值不同，引用误差分别为：
（1）对于大量使用的单向标度尺仪表，基准值为量程，引用误差为绝对误差Δ与仪表上量限Am比值的百分数，即
（1-6）
（2）对于双向标度尺仪表，其基准值仍是量程，引用误差为绝对误差与正负两个量限绝对值之和的比值的百分数，即
（1-7）
（3）对于无零位标度尺仪表，引用误差为绝对值误差与上、下量限A1m、A2m奋之差的比值的百分数，即
（1-8）
（4）对于标度尺为对数、双曲线或指数为3及3以上的仪表，或标度尺上限为无穷大（如万用表欧姆档）的仪表，基准值为标度尺长，引用误差为用长度表示的绝对误差Δ1与标度尺工作部分长度lm比值的百分数，即
（1-9）
2.3仪表的准确度
仪表的准确度是表征其指示值对真值接近程度的量。
2.3.1电测量指示仪表的准确度
对于电测量指示仪表，工程上规定用最大引用误差来表示仪表的准确度，即当仪表在规定的条件下工作时，在整个刻度范围内出现的最大绝对误差△m与仪表的上量限f1m比值的百分数，称为仪表的准确度，即
（1-10）
式中K-仪表的准确度等级（指数）。
显然，仪表的准确度表明了基本误差的最大允许范围;例如准确度为0.1级的仪表，其基本误差极限（即允许的最大引用误差）为士0.1%。
仪表的准确度等级越高，则其基本误差越小。
我国对不同的电表，规定了不同的准确度等级，如电流表和电压表准确度等级分为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1、1.5、2、2.5、3、5等11级；功率表和无功功率表分为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1、1.5、2、2.5、3.5等10级；相位表和功率因数表分为0.1,0.2,0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、5.0等10级；电阻表（阻抗表）分为。
.05、0.1、0.2,0.5、1、1.5、2、2.5、3、5、10、20等12级。
通常0.05、0.1、0.2级仪表作为标准表使用，用以鉴定准确度较低的仪表；0.5、1、1.5级仪表主要用于实验室；准确度更低的仪表主要用于现场。
仪表的准确度等级标志符号通常都标注在仪表的盘面上。
[例1-3]已知某电流表量程为100A，且该表在全量程范围内的最大绝对误差为+0.83A，则该表的准确度为多少?
因准确度等级是以最大引用误差来表示，且电流表等级按国标分为11级，而该表的最大引用误差大于0.5级而小于1.0级，故该表的准确度等级应为1.0级。
由仪表的准确度等级，可以算出测量结果可能出现的最大绝对误差与相对误差。
例如该仪表的准确度等级为K,则由式（1-10）可知，仪表在规定工作条件下测量时，测量结果中可能出现的最大绝对误差为
（1-11）
最大相对误差为
（1-12）
[例1-4]若被测电压实际值为12V，现有150V,0.5级和15V,2.5级两种电压表各一只，试问两只表可能出现的最大误差分别为多大？
应选择哪一只电压表？
从上述例子可以看出，仪表的准确度并不等于测量的准确度;测量结果的绝对误差与所选择的仪表的准确度等级K及量程Am均有关;而相对误差除与仪表的准确度等级K有关外，还与量程Am和被测量Ax的比值有关，Am/Ax的比值越大，误差越大。
因此，选择仪表时不能单纯追求准确度级别高的仪表，还应根据测量的要求，合理选择仪表的量程，尽可能使仪表指示值在标度尺分度的2/3以上范围。
2.3.2数字表的准确度
数字类仪表的准确度用绝对误差表示，通常有下列两种表示方法:
第一种表示方法
式中rdg一一仪表指示值（读数），为英文reading的缩写;
±α——相对误差，为构成数字表的转换器、分压器等产生的综合误差;
±n个字——指最末一位显示数码有±n个字的误差，为绝对误差，n是因数字化处理引起的误差反映在末位数字上的变化量。
如DSX-1型数字四用表，直流电压各档的准确度（即允许的绝对误差）为±0.1%rdg±1个字。
第二种表示方法是将n个字的误差折合成满量程的百分数来表示.即
式中b%——满度误差系数;
f.s——仪表满度（量程）值，为英文fullspan的缩写。
3.电工仪表的标志及技术要求
3.1电工仪表的表面标记
电工仪表的表盘上有许多表示其基本技术特性的标志符号。
根据国家标准规定，每一只仪表必须有表示测量对象的单位、准确度等级，工作电流种类、相数、测量机构的类别、使用条件组别、工作位置、绝缘强度实验电压的大小、仪表型号及额定值等标志符号。
电工仪表表面常见标志符号见表1-1。
3.2电工仪表的型号
电工仪表的型号可以反映出仪表的用途及原理。
我国对安装式仪表与便携式仪表分别做了不同的编制规定。
3.2.1安装式仪表的型号组成
形状第一位代号：
按仪表面板形状最大尺寸编制。
形状第二位代号：
按仪表外壳形状尺寸编制。
系列代号：
按仪表工作原理编制，如C表示磁电系，T表示电磁系，D表示电动系，G表示感应系，L表示整流系，表示静电系等。
用途号：
按仪表测量的电量编制，如电压表为V，电流表为A，功率表为W等。
例如，42C3-A型电流表，其中“42”，为形状代号，可由产品目录查得其尺寸和安装开孔尺寸；“℃”表示磁电系仪表;“3”为设计序号;“A”表示用于电流测量。
3.2.2便携式仪表的型号组成
出于便携式以表不存在安装问题，所以将安装式仪表型号中的形状代号省略，即是它的产品型号。
如T62-V型电压表，“T”表示电磁系仪表，“62”是设计序号，“V”表示电压表。
此外，一些其他类型仪表的型号，还采用在系列代号前加一个汉语拼音字母表示的类别号，如电桥用Q，数字用P等。
3.3电测量指示仪表的主要技术要求
选用电测量指示仪表时，对仪表主要有以下几个方面的技术要求。
3.3.1有足够的准确度
当仪表在规定的工作条件下使用时，要求基本误差不超过仪表盘面所标注的准确度等级；当仪表不在规定使用条件下工作时，各影响量（如温度、湿度、外磁场等）变化所产生的附加误差，应符合国家标准中的有关规定。
3.3.2有合适的灵敏度
在指示类仪表中，灵敏度是指仪表可动部分偏转角的变化量△α与被测量的变化量△Χ之比，即
如果刻度是均匀的，则
，即仪表的灵敏度是单位被测量所引起的指针偏转角（分格数）。
仪表的灵敏度取决于仪表的结构和线路。
通常将灵敏度的倒数称为仪表常数c，即灵敏度是电工仪表的重要技术特性之一。
灵敏度越高，通入单位被测量所引起的偏转角就越大，也就是说灵敏度越高的仪表，满偏电流越小，即量限越小；灵敏度越低，则仪表的准确度就越低.所以仪表应有适当的灵敏度。
3.3.3仪表的功耗要小
当电恻级指示仪表接入被测电路时，总要消耗一定的能量，这不但会引起仪表内部发热，而且影响被测电路的原有工作状态，从而产生测量误差，因而仪表的功率损耗要小。
3.3.4有良好的读数装置
仪表标度尺的刻度应力求均匀。
刻度不均匀的仪表，其灵敏度不是常数。
刻度线较密的部分，灵敏度较低，读数误差较大;而刻度线较疏的部分，灵敏度较高，读数误差较小。
对刻度线不均匀的仪表，应在标度尺上表明其工作部分，一般规定工作部分的长度不应小于标度尺全长的85%。
3.3.5升降变差要小，即重复性要好
由于游丝（或张丝）受力变形后不能立即恢复原始状态，更主要的是由于仪表轴尖与轴承间的摩擦力所产生的摩擦力矩会阻碍活动部分的运动，因此即使在外界条件不变的情况下，用仪表测量同一量值.指针山零上升的指示值与由上限下降的指示值也会不同，这两个指示值之间的差值就称为仪表的升降变差。
一般要求升降变差不应超过仪表基本误差绝对值。
3.3.6其他
要求仪表受外界的影响（温度、电磁场）要小，过载能力要强，阻尼要好，具有一定的绝缘性能.使用方便、结构牢固等。
有关规定可以从产品标准文件或有关规程中查得。
第二节：
电工仪表的运行检查维护
1.指示仪表
运行中的指示仪表有时会出现异常现象:
（1）配电盘上的电流表、电压表和功率表强烈摆动：
由于系统出现冲击、震荡引起的。
（2）表计无指示或指示不稳、忽高忽低等现象：
由于电气二次回路某些元件出现烧毁、断线、漏电、短路等故障引起的。
（3）卡滞显现：
主要是机械摩擦引起的，如表头可动部分与固定部分的某些部位相碰，可动部分与固定部分之间有微小铁粒和纤维造成卡滞。
（4）升降变差大，回零不良等故障：
主要是由摩擦引起。
轴尖与轴承的工作部位在长期工作中磨损变形、破裂、锈蚀、粗糙度破坏、沾染赃物；轴间隙过小；游丝力矩变化，可动部分平衡破坏。
（5）冒烟现象：
一般是过负荷、绝缘低、电压过高、电阻变质、电流接头松动二造成虚接开路等原因引起的。
（6）有功功率表读数不正确：
可能是由于电压回路掉相，接线错误造成的。
（7）出现上述异常状态，首先检查交流电压回路和交流电流回路是否正常。
然后将电流回路短接，电压回路开路，取下仪表，打开表盖仔细检查内部有无元件烧坏，用万用表测量电压回路阻值是否正常及电流回路是否开路，发现问题，及时通知专业人员处理。
2.计量仪表
计量仪表用于计算电费和经济及时指标的考核。
要保证计量的准确性，值班人员应精心维护，加强管理工作。
造成仪表不能正常工作的原因除仪表本身故障外，其主要原因还有电压、电流回路断线、互感器绕组极性接反，表现在电压回路熔断器熔断、端钮螺丝松动、电缆芯线受机械损伤或冰冻而断裂、线圈断线或引出线开焊互感器端钮标志不正确、电压绕组连接错误等。
计量仪表本身的故障有：
（1）卡字不走。
（2）表内有异物卡盘。
（3）潜动。
（4）螺丝松动，止逆装置失灵。
（5）轴承磨损造成误差过大。
（6）积算机构和铝盘连接太紧。
运行中的计量仪表出现上述问题，值班人员应先检查交流电压和交流电流回路是否正常，然后通知专业人员处理。
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