电能的测量.docx

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电能的测量

电能的测量

第一节功率的测量

由于电能E=PT，它和功率P只差一个时间，所以电能是在功率基础上的测量，并且电能表和功率标在接线上又有许多相似之处，所以先介绍功率测量。

一、电动式功率表

测量电路中的功率常用电动式功率表。

电动式功率表既可测交流功率也可测直流功率，其接线如图4-1所示。

图中粗线代表电流线圈，与负载相串联，通过负载电流I，该线圈导线较粗，匝数较少。

图中细线代表电压线圈，与负载相并联，经分压限流电阻R加以负载电压，其中电流反映负载电压大小。

由于分压限流电阻较大，所以电压线圈的感抗可以忽略，就是说可以认为电压线圈中的电流与其端电压同相。

在这种情况下，可以证明，在两线圈磁场作用下，动圈带动指针的偏转角α与负载电流、电压有效值I、U以及阻抗角φ有如下关系

可见，电动式功率表中指针的偏转角α与电路的平均功率P成正比，所以它的刻度是均匀的。

当φ=0时，电流、电压为直流值，故它也可测直流功率。

电动式功率标的转矩与流过两线圈的电流方向有关，一旦其中一个线圈电流方向接反，偏转方向也就改变。

为了保证功率表的正确接线，在两个线圈的始端标以“*”或“+”符号，成为发电机端，或同名端。

接线时，带标记的两端钮应接到电源的同一端上。

功率表量程的扩大是通过扩大电压、电流量程来实现的。

扩大电压量程的方法和伏特表一样，是增大线流电阻。

扩大电流量程的方法是并联线圈，当两个相同的线圈并联时，电流的量程要大一倍。

什么介绍的是单相电动式功率表，三项功率表的原理和单相的基本相同，只是由二组或三组电压、电流线圈来驱动指针的偏转。

例4-1单相功率表的电压量程为150V，电流量程为5A，满刻度格数为150格，测某电路功率时，指针的偏转格数为120格，求被测功率的值。

解：

=600W

二、有功功率的测量

单相电路的功率测量比较简单，所以这里主要分析三项电路的功率测量。

测量三相电路的功率，可以用单相功率表或三相功率表。

1.一表法测三相对称电路的功率

可以利用单相功率表直接测量三相四线制或三相三线制对称电路中任一相的功率，然后乘以3，即可得出三相的有功功率。

电路接法如图4-2所示。

如果被测电路的中点不便接线，或负载不能断开，则可用人工中点法进行测量，接线如图4-3所示。

图中，电压支路非发电机端所接的是人工中点，即由两个与电压支路阻抗值相同的阻抗结成星形，作为人工中点。

2.两表法测三相三线功率

在三相三线制中，不论负载是星形还是三角形，也不论负载对称与不对称均可使用两表法，电表的接法如图4-4所示。

三相瞬时功率为

p=pa+pb+pc=uaia+ubib+ucic

在三线制时ia+ib+ic=0（4-2）

所以ic=-（ia+ib）

p=uaia+ubib+uc（-ia-ib）

=（ua-uc）ia+（ub-uc）ib

=uacib+ubcib

=p1+p2（4-3）

由上式可知，三相功率可用两块功率表来测量，每个功率表的电流线圈中流过的是线电流，而电压线圈中所加的是线电压，两个电压线圈的另一端都结在未串联电流线圈的一相上。

现在分析每个功率表的具体读数。

电路相量图如图4-5所示。

P1=UacIacosα（4-4）

P2=UbcIbcosβ（4-5）

式中，α、β分别为Uac与Ia、Ubc与Ib的相位差。

由相量图可见，

α=30º-φ（4-6）

β=30º+φ（4-7）

则两功率表读数之和为

P=P1+P2

=UacIacos（30º-φ）+UbcIbcos（30º+φ）

=U1I1cos（30º-φ）+U1I1cos（30º+φ）

=U1I1·2cos30ºcosφ

=U1I1cosφ（4-8）

由上式可知，当相电流与相电压同相时，即φ=0，则P1=P2，两表读数相等。

当相电流滞后相电压的角度φ>60º时，则P2为负值，第二表指针反转。

这是必须将该表的电流线圈反接，同时读数为两者之差，就是说，三相总功率应为两者的代数和。

根据两表法，制成了二元三相功率表，该表有两个独立的单元，每一个单元就是一个单项功率表，这两个单元的可动部分机械的固定在一起，因此读数为这两个独立单元共同作用的结果。

3.三表法测三相四线制的功率

在三相四线制电路中，不论对称与否都可利用三只功率表先测量出每一相的功率，然后将三个表的读数相加，求出三相的总功率。

接线方法如图4-6所示。

根据三表法原理制成了三元三相功率表，该表有三个独立单元，每一单元相当于一个单相功率表，三个单元的可动部分都装置在同一转轴上。

因此它的读数就取决于这三个单元的共同作用结果。

该表共有10个端，接线方法如图4-7所示。

4.低功率因数功率表

低功率因数功率表是用来测量功率因数较低的交流电路功率，它也可以用来测量交直流电路中的小功率。

普通功率表的标尺是按cosφ=1来刻度的，就是说只有P=UNIN时，电表指针才偏转到满度值。

如果用这种功率表去测量功率因数较低的负载功率，则可能产生很大的读数误差。

例如，当cosφ=0.1时，即是外加电压、电流为额定值UN、IN，但因P=UNINcosφ=0.1UNIN，电表指针也只能偏转到满度的1/10。

在转偏角小时，仪表本身的损耗、电压线圈的感抗、可动部分的摩擦等都会给测量结果带来较大的误差。

为此，遇到这种情况必须采用低功率因数表进行功率测量。

低功率因数功率表的工作原理和普通功率表完全一样，只是为了解决低功率因数下的功率测量，其标尺通常是按cosφ=0.1或0.2来刻度的，同时仪表应具有较高的灵敏度。

此外，为了保证在小转矩下仪表仍有较好的准确度，在结构上采取了一些补偿措施，如补偿线圈等。

三、无功功率的测量

有功功率表不仅能用来测量电路的有功功率，通过改变它的连接方法也可用来测量电路的无功功率。

下面介绍用单相功率表测量三相电路无功功率的方法。

1.一表跨相法

所谓跨相法就是通过改变电表接入电路的接法，用有功功率表来测无功功率的方法。

一表跨相法可测三相对称负载的无功功率，接线方法如图4-8（a）所示。

功率表电流线圈串接在三相电路的任一相中，电压线圈跨接在其余两相，发电机端按相序接在两相中的超前一相上。

相量图如图4-8（b）所示。

功率表的读数应为

P=UbcIacos（90º-φ）

=U1I1sinφ（4-9）

因三相无功功率为

所以（4-10）

由此可见，采用一表跨相法时，只要将电表的读数乘以倍，就得到了对称三相负载的三相无功功率。

2.两表跨相法

用两个有功功率表测量三相无功功率，其跨相接线方法如图4-9所示。

由于供电系统的电源电压不对称是难免的，采用两表跨相法测量三相对称负载的无功功率比一表跨相法误差小，所以实际中应用较多。

每只功率表的读数与单相一表跨相法一样，彼此相同，即

P1=UbcIacos（90º-φ）=U1I1sinφ

（4-11）

P2=UabIccos（90º-φ）=UlIlsinφ

所以三相对称电路的无功功率为两表读数之和除以2再乘以，即

（4-12）

3.三表跨相法

用三只单相功率表，每表都按一表跨相法的接线原则来测量三相三线或三相四线制中的对称或不对称负载的三相无功功率的方法，称为三表跨相法，其接线方法如图4-10所示。

当三相负载不对称时，三只功率表的读数分别为

P1=UbcIacos（90º-φa）=U1I1sinφa

P2=UcaIbcos（90º-φb）=UlI1sinφb（4-12）

P3=UabIccos（90º-φc）=U1I1sinφc

所以三相电路的无功功率为三表读数之和除以，即

=U1I1sinφ（4-14）

第二节电能表的分类

用来测量电能的仪表称为电能表，又叫电度表、千瓦小时表。

凡是用电的地方几乎都有电能表，它是生产和生活中不可缺少的仪表，在电工仪表品种中是生产和使用数量最多的一种仪表。

电能的测量不仅要反映负载功率的大小，还要能反映出电能随时间增长积累的总和。

因此电能表除了必须具有测量功率的机构外，还应能计算出负载用电的时间，并通过计度器把电能自动地累计出来。

一、电能表的分类

根据测量原理和累计电能的方法不同，电能表大体可分为3类。

（1）电解式。

电解式电能表是以化学反应为基础，测量单位为安培小时，它主要用于化学工业和有色金属冶炼工业中的电能测量。

（2）机电式。

机电式电能表又分为电动式和感应式。

电动式电能表是基于电动系功率表，加累计电能的装置而成。

它主要用于直流电能的测量。

交流电能表一般都采用感应式电能表，它是利用电磁感应原理制成的。

它以结构简单、价格便宜、牢固耐用而得到了普遍应用。

（3）电子式。

电子数字式电能表是近年来发展很快的一种电能表，它应用微电子技术，把被测电能变成一串脉冲，由电子计数器计数，并用数码管直接显示电能。

它没有转动部分，测量精度高，便于自动检测和自动控制。

但由于电路复杂、成本较高，目前大多仅用于精密测量和在实验室中作为标准表使用。

随着电子工业的发展，电子数字式电能表必将代替机电式电能表。

电能表还可根据其他方法进行不同的分类，如根据用途可分为有功电能表，无功电能表，最大需量电能表等；根据接入电路的方式可分为单相电能表，三相三线电能表，三相四线电能表等。

本章主要介绍感应式电能表，电子式电能表将在下章重点介绍。

二、特种电能表

1.最大需量电能表

目前我国对民用电采用一部电价制（电度电价制），即只按所用电的电度收费。

对工业用电采用两部电价制，即电度电价加基本电价。

其中基本电价又按两种方法收计，或按变电站主变压器容量收计，或按最大负荷收计。

所谓最大负荷就是在一定的结算期内（如一个月内），用户用电的最大功率值。

对电力用户来说，在一天的不同时间里，负荷功率是不同的，有高有低。

某一段时间内负荷的平均功率称为用户需要，目前我国采用15分钟作为时段。

据此求出用户在一个月内的最大负荷值。

例4-2某厂安装2台SFL1-20000/110变压器，由电力系统以110kV供电。

已知该厂1994年1月28日最大需用负荷为26880kW（当月最高值），而当月用电量为9.2×106kW·h。

试计算该厂元月份应交纳的电费（电度电价0.055元/kW·h，最大负荷电价6.00元/kW·h，变压器容量电价4.00/kVA·月）

解：

按两部电价计

电度电价9.2×106×0.055=506，000元；

若按最大负荷计26880×6=161，280元。

共计506，000+161，280=667，280元；

若按变压器容量计2×20000×4=160，000元；

共计506，000+160，000=666，000元。

实际收费时还要考虑功率因数，若功率因数高，适当减免一部分电费。

最大需量电能表就是既能测量最大需量，又能测量用户实际使用电能的电能表。

2.定量电能表

目前我国实行商品经济，“电”也是特殊商品。

商品的交换原则是先交钱后取货。

但在电的销售过程中，传统的作法是先用电后收费，这不符合商品交换原则。

采用定量电能表就可改变这一状况。

定量电能表也称预付电费电能表，用户先买币，投币后才能用电，用完电，如果不继续投币，则自动切断电源电路，停止供电，这有利于计划用电和节约用电。

目前单相定量电能表以投入使用，三相的也开始投入使用。

3.复费率电能表

现在用户的用电时间比较集中，以致电力系统的负荷曲线变化很大。

为了调整负荷曲线，充分利用发、供电设备容量，需要逐步实现电价分时计费。

复费率电能表就是按高峰、低谷时间分别记录用电量，以便按不同的价格收取电