高精度电流与电压测量方法

9.3　电流和电压的测量

9.3.1　电流的测量

测量直流电流通常都用磁电式电流表，测量交流电流则主要采用电磁式电流表。电流表应串联在电路中，如图9-4（a）所示。为了使电路的工作不因接入电流表而受影响，电流表的内阻必须很小。因此，如果不慎将电流表并联在电路的两端，则电流表将被烧毁，在使用时必须特别注意。

1.直流电流的测量

（1）直接测量法：在测量较小的直流电流时，如图9-4（a）所示的接线方法中，电流表与负载串联，将被测电流的流入端接电流表“+”接线柱，流出端接“-”接线柱。

（2）带有分流器的测量法：采用磁电式电流表测量直流电流时，因其测量机构（表头）所允许通过的电流很小，不能直接测量较大电流。为了扩大它的量程，应该在测量机构上并联一个称为分流器的低值电阻R_A，如图9-4（b）所示。这样，通过磁电式电流表的测量机构的电流I₀只是被测电流I的一部分，两者有如下关系：

即

式中R₀是测量机构的电阻。

由式（9-3）可知，需要扩大的量程越大，则分流器的电阻R_A应越小。多量程电流表具有几个不同量程的接头，这些接头可分别与相应阻值的分流器并联。分流器一般放在仪表的内部，成为仪表的一部分，但较大电流的分流器常放在仪表的外部。

【例9-3】有一磁电式电流表，当无分流器时，表头的满标值电流为5mA。表头电阻为20Ω。今欲使其量程（满标值）为1A，问分流器的电阻应为多大?

解：先求扩程倍数n，即

再求分流电阻，有

在测量直流1A以上的电流时，应选用分流器配合测量。

2.交流电流的测量

（1）直接测量法：对于电流小于50A时可直接测量，如图9-5所示。电流表与负载串联，在电路中起分压作用，因而要求电流表的内阻越小越好，这样测量的准确度高。

（2）带有电流互感器的测量：如图9-6所示为电流互感器的外形与电路原理。用电磁式电流表测量交流电流时，不用分流器来扩大量程。这是因为一方面电磁式电流表的线圈是固定的，可以允许通过较大的电流；另一方面在测量交流电流时，由于电流的分配不仅与电阻有关，而且也与电感有关，因此分流器很难制造得精确，如果要测量几百安培以上的交流电流时，则利用电流互感器来扩大量程。

在大电流（50A以上）的测量电路中，要用电流互感器将大电流转换为一定比例的小电流（一般为5A）。一次电流I₁与二次电流I₂间存在着下列关系：

式中，N₁、N₂为电流互感器一、二次线圈匝数；K_i为变流比，如300/5、1000/5等。

在使用电流互感器时应注意下列几点：

1）要注意一、二次线圈接线端子极性，采用减极性标记法。如图9-6（b）所示，若某瞬间一次电流从L₁流向L₂，则二次电流从K₂流向K₁。

2）在工作时二次线圈不得开路，否则会产生几千伏高压，威胁人身安全和设备安全；二次侧不允许接熔断器。

3）二次侧一端必须接地，以防一、二次线圈绝缘击穿时一次侧高压窜入二次侧，危及人身和设备的安全。

带电流互感器的测量有单相交流负载、三相平衡交流负载、三相不平衡交流负载电路3种，如图9-7所示。(www.xing528.com)

9.3.2　电压的测量

测量直流电压常用磁电式电压表，测量交流电压常用电磁式电压表。电压表是用来测量电源、负载或某段电路两端的电压的，所以必须和它们并联，如图9-8所示。

如前文所述，磁电式仪表的结构称为测量机构，由于电流是经螺旋弹簧引入的，一般只允许在100mA以内。为了使电路工作不因接入电压表而受影响，电压表的内阻应尽可能大。而测量机构的电阻R₀是不大的，所以必须和它串联一个称为倍压器的高值电阻R_V，这样就使电压表的量程扩大了。

由分压公式可得

即

式中，R₀为表头内阻；m为电压量程扩大倍数。

由式（9-4）可知，需要扩大的量程越大，则倍压器的电阻值应越高。多量程电压表具有几个标有不同量程的接头，这些接头可分别与相应阻值的倍压器串联。电磁式电压表和磁电式电压表都须串联倍压器。

【例9-4】有一电压表，其量程为50V，内阻为2000Ω。今欲使其量程扩大到300V，问须串联多大电阻的倍压器?

解：求倍压电阻，由分压公式可得

1.直流电压的测量

（1）直接测量法：如图9-9（a）所示的接线方法，用于直流电压在1000V以下的电路中，但要注意仪表的极性。

（2）带附加电阻的测量法：如图9-9（b）所示，在测量1000V以上电路的电压时，就要用附加电阻配合进行测量。

2.交流电压的测量

（1）交流电压的直接测量：交流电压的直接测量采用如图9-10所示的接线方法，其中（a）图为单相交流电压，（b）图为三相交流电压。由于电压表在电路中与负载并联并起分流作用，因而要求电压表内阻越大越好，这样测量准确度越高。这种方法用于电压在500V以下的电路中。

（2）交流电压接入电压互感器的测量：电压互感器实质上是一种专用的变压器，在高压交流电路中，利用电压互感器将高压转变为一定数值的电压（通常为100V）以供测量之用，如图9-11所示。电压互感器一次电压U₁与二次电压U₂之间存在着下列关系：

式中，W₁、W₂为电压互感器一、二次的线圈匝数；K_U为变压比，一次电压等于二次电压乘变压比。

使用电压互感器时应注意下列几点：

1）电压互感器二次侧在工作时不得短路，若短路电流很大，会影响供电系统的正常运行。因此一、二次侧都应装设熔断器作为短路保护，同时一次侧应装设隔离开关作为安全检修用。

2）电压互感器的二次侧有一端必须接地，防止一次侧高压窜入二次侧，危及人身及设备的安全。

3）电压互感器在连接时要注意一、二次线圈接线端子上的极性。

在测量500V以上交流电压时必须通过电压互感器将电压降到100V进行测量，如图9-12所示。

有时电压表设计时，就直接与电压互感器配套使用，在它的表盘上注明互感器的规格，刻度标尺也以换算过的电压值直接标出。例如某电压表的表盘上标有“电压互感器6000/100”该表刻度直接标出6000V，只要与6000/100V的电压互感器配合使用，即可直接读出高压电压的数值。