3.1　測量回路

測量回路用到的測量儀表有電流表、電壓表、有功功率表、無功功率表、功率因數表、頻率表等，常用測量儀表的一般規定如下。

①常用測量儀表的配置應能正確反映電力裝置的電氣運行參數和絕緣狀況。

②常用測量儀表指裝設在屏、臺、柜上的電測量表計，包括指針式儀表、數字式儀表、記錄型儀表及儀表的附件和配件等。

③常用測量儀表可采用直接儀表測量、一次儀表測量和二次儀表測量方式。

④常用測量儀表的準確度最低要求見表3-1。

⑤儀表用電流、電壓互感器及附件和配件的準確度最低要求見表3-2。

⑥指針式測量儀表的測量范圍，宜使電力設備額定值指示在儀表標度尺的2/3左右。對于有可能過負荷運行的電力設備和回路，測量儀表宜選用過負荷儀表。

⑦對雙向電流的直流回路和雙向功率的交流回路，應采用具有雙向標度尺的電流表和電壓表。對有極性的直流電流、電壓回路，應采用具有極性的儀表。

⑧對重載啟動的電動機以及有可能出現短時沖擊電流的電力設備和回路，宜采用具有過負荷標度尺的電流表。

⑨當發電廠和變電所裝設有遠動測量、計算機監測（控）系統時，二次測量儀表、計算機、遠動遙測三者宜共用一套變送器。

3.1.1　電流測量回路

電流回路的測量元件是電流表計，是單個電氣量的表計，因此接線比較簡單。應測量電流的回路如下。

（1） 應測量交流電流的回路

①同步發電機和發電/電動機的定子回路。

②主變壓器：雙繞組變壓器的一側；三繞組主變壓器（或自耦變壓器）的三側，以及自耦變壓器的公共繞組回路。

③廠（所）用變壓器：雙繞組變壓器的一側及各廠用分支回路；三繞組變壓器的三側。

④柴油發電機接至低壓保安段進線及交流不停電電源的進線回路。

⑤母線聯絡斷路器、母線分段斷路器、旁路斷路器和橋斷路器回路。

⑥10kV及以上的輸配電線路和用電線路，以及6kV及以下供電、配電和用電網絡的總干線路。

⑦220～500kV一個半斷路器接線，各串的三個斷路器回路。

⑧330～500kV并聯電抗器組以及10～66kV并聯電抗器和并聯電容器回路。

⑨50kV·A及以上的照明變壓器和消弧線圈回路。

⑩55kW及以上的電動機、55kW以下易過負荷電動機及生產工藝要求需要監視的電動機。

（2）應測量直流電流的回路

①同步發電機、發電/電動機和同步電動機的勵磁回路，自動及手動調整勵磁的輸出回路。

②直流發電機和直流電動機。

③蓄電池組和充電及浮充電整流裝置的直流輸出回路。

④重要電力整流裝置的直流輸出回路。

⑤根據生產工藝的要求，需要監視直流電流的其他回路。

（3） 交流電流測量回路圖

圖3-1所示為單相電流測量回路圖。圖中，TA為電流互感器，PA為電流表；電流表的電流線圈與電流互感器的二次繞組串聯。

3.1.2　電壓測量回路

電壓回路的測量元件是電壓表計，是單個電氣量的表計，因此接線比較簡單。應測量電壓的回路如下。

（1）應測量交流電壓的回路

①同步發電機和發電/電動機的定子回路。

②各段電壓等級的交流主母線。

③330～500kV系統聯絡線路（線路側）。

④根據生產工藝的要求，需要監視交流電壓的其他回路。

對電力系統電壓監視點的高壓或高中壓母線，和容量為50MW及以上的汽輪發電機電壓母線，還應記錄母線電壓。

中性點有效接地系統的發電廠和變電所的主母線，應測量母線的三個線電壓，也可用一只電壓表和切換開關選測母線的三個線電壓。對于一個半斷路器接線的主母線和6kV以下的配電母線，可只測量一個線電壓。

中性點非有效接地系統的發電廠和變電所的主母線，宜測量母線的一個線電壓和監測絕緣的三個相電壓，或者使用一只電壓表和切換開關選測母線的一個線電壓和三個相電壓。

發電機定子回路的絕緣監測裝置，可用一只電壓表和按鈕測量發電機電壓互感器輔助二次繞組的零序電壓，或者用一只電壓表和切換開關選測發電機的三個相電壓來監視發電機的絕緣狀況。

（2）應測量直流電壓的回路

①同步發電機和發電/電動機的勵磁回路和自動及手動調整勵磁的輸出回路。

②同步電動機回路。

③直流發電機回路。

④直流系統的主母線以及蓄電池組、充電及浮充電整流裝置的直流輸出回路。

⑤重要電力整流裝置的輸出回路。

⑥根據生產工藝的要求，需要監視直流電壓的其他回路。

（3）交流電壓回路圖

圖3-2所示為三相交流電壓測量回路圖。L1-630、L2-630、L3-630為工作小母線，PV為電壓表。圖中三只電壓表分別接于UV、VW、WU兩相電壓之間，測量線電壓。

3.1.3　功率測量回路

功率測量回路分為有功功率測量回路和無功功率測量回路，其測量元件分別為有功功率和無功功率表計，是兩個電氣量的表計，接線相對復雜。下面分別介紹有功功率測量回路和無功功率測量回路。

3.1.3.1　有功功率測量回路

應測量有功功率的回路有：同步發電機和發電/電動機的定子回路；主變壓器：雙繞組變壓器的一側和三繞組變壓器（或自耦變壓器）的三側；廠用高壓變壓器的高壓側；35kV及以上的輸配電線路和用電線路；旁路斷路器、母聯（或分段）兼旁路斷路器回路和35kV及以上的外橋斷路器回路；根據生產工藝的要求，需要監視有功功率的其他回路。

主控制室控制的汽輪發電機的機旁控制屏和水輪發電機的機旁控制屏，應裝設發電機有功功率表。對有可能送、受電運行的輸配電線路、水輪發電機、發電/電動機和主變壓器等設備，應測量雙方向有功功率。在電力系統中擔任調頻調峰的發電機、100MW及以上的汽輪發電機以及330～500kV系統聯絡線路，應記錄有功功率。

（1）單相電路有功功率的測量　常用的功率表，一般采用電動式、鐵磁電動系或整流系儀表原理構成。由于開關板式功率表大多采用鐵磁電動系，所以這里主要介紹鐵磁電動系功率表。

圖3-3所示為單相有功功率表的接線原理圖，圖中圓圈內的水平粗實線“1”表示電流線圈，圓圈內的垂直細實線“2”為電壓線圈。電壓線圈的阻抗很小，因此需增加一個附加電阻R_f。電壓線圈與附加電阻R_f相串聯后接入被測電路的電壓U上。電壓線圈本身的阻抗與附加電阻R_f之和稱為電壓線圈的內阻抗。

功率表指針的偏轉方向是由兩組線圈里電流的相位關系所決定，如果改變任一個線圈電流的流入方向，則功率表將向相反的方向偏轉。為了使接線不會發生錯誤，通常在儀表的引出端鈕上將電流線圈與電壓線圈指定接電源同一極的一端標有“· ”或“* ”標志，并把此端稱為發電機端。正確的接線方法：如圖3-3所示，將電流線圈標有“· ”標志的一端接至電源側，另一端接負載側；電壓線圈帶有“· ”標志的一端與電流線圈帶有標志的一端接于電源的同一極上，另一端則跨接到負載的另一端。

功率表接入電路的方法有直接接入電路和經互感器接入電路兩種。在低壓電網可以采用直接接入電路和經互感器接入電路這兩種方法，在高壓電網中一般采用經互感器接入電路的方法。當經互感器接入功率表時，應正確標出互感器的極性及測量表計的極性。圖3-4所示為單相功率表的測量電路，圖3-4（a）為單相功率表直接接入電路，圖3-4（b）為經電流互感器和電壓互感器接入電路。如果互感器及測量儀表的端子標志正確無誤的話，則按圖3-4（b）的方法連接，二次回路中功率的正方向將與一次回路中功率的正方向一致，如同將儀表按圖3-4（a）直接接入電路中一樣，儀表的指針將向正方向偏轉，相量圖如圖3-4（c）所示。

（2）三相電路有功功率的測量

①三相四線制電路中有功功率的測量　三相電路的有功功率為各相有功功率之和，用瞬時值表示時為

p=u_ui_u+u_vi_v+u_wi_w　　（3-1）

用有效值表示時為

P=U_UI_Ucosφ_U+U_VI_Vcosφ_V+U_WI_Wcosφ_W　　（3-2）

當三相電路完全對稱時有

U_U=U_V=U_W=U_?

I_U=I_V=I_W=I_?

cosφ_U=cosφ_V=cosφ_W=cosφ

因此，式（3-2）可寫成

　　（3-3）

式中　u_u、u_v、u_w——U、V、W三相電壓的瞬時值，V；

i_u、i_v、i_w——U、V、W三相電流的瞬時值，A；

U_U、U_V、U_W——U、V、W三相電壓的有效值，V；

I_U、I_V、I_W——U、V、W三相電流的有效值，A；

U_?、U——分別為相電壓、線電壓的有效值，V；

I_?、I——分別為相電流、線電流的有效值，A；

cosφ——功率因數。

由式（3-2）可知，對有中性線的三相四線制電路，可以用三只單相有功功率表分別測量每相的功率，三只功率表讀數之和就是三相的總有功功率。圖3-5所示為用三只功率表測量三相四線制電路有功功率的接線，每一單相功率表測量一相的功率，三只功率表讀數之和就是三相總有功功率。這種接線方法不管三相負載是否平衡，測量結果都是正確的。

如果三相四線制電路中的三相電壓對稱、負載完全平衡的，可用圖3-5中的任一只單相功率表進行測量，然后將表計讀數乘以3，即可得三相的總有功功率。

②三相三線制電路中有功功率的測量

a.采用兩只單相功率表測量有功功率。在三相三線制電路中，可以用兩只單相功率表測量有功功率。圖3-6所示為利用兩只單相功率表測量三相有功功率的接線。第一只功率表的電流線圈按圖示極性串聯于U相電路，電壓線圈的帶“· ”標志端也接于U相，另一端接于V相；第二只功率表的電流線圈也是按圖示極性串聯于W相中，電壓線圈的帶“· ”標志端接于W相，另一端也接于V相。未接電流線圈的V相稱為“公共相”或“自由相”。

第一只功率表所測功率的瞬時值為

p₁=u_uvi_u=i_u　　（3-4）

第二只功率表所測功率的瞬時值為

p₂=u_wvi_w=i_w　　（3-5）

兩只功率表所測功率之和為

p=p₁+p₂=u_ui_u+u_wi_w-u_v　　（3-6）

三相三線制電路各相電流瞬時值之和為零，即

i_u+i_v+i_w=0　　（3-7）

于是

i_u+i_w=-i_v

代入式（3-6），可得

p=p₁+p₂=u_ui_u+u_vi_v+u_wi_w　　（3-8）

以上的分析可以說明：不管電壓是否對稱，負載是否平衡，用兩只功率表按圖3-6的方法接線，所測得的功率為三相功率的總和。

實際上，功率表刻度盤上的讀數不是瞬時功率而是平均功率，相量圖如圖3-7（c）所示。

第一只功率表所測功率為

P₁=U_UVI_Ucos　　（3-9）

第二只功率表所測功率為

P₂=U_WVI_Wcos　　（3-10）

當三相電路完全對稱時，負載平衡時，兩元件所測平均功率之和為

　　（3-11）

由

U_UV=U_VW=U_WU=U

I_U=I_V=I_W=I

cosφ_U=cosφ_V=cosφ_W=cosφ

可得

于是

　　（3-12）

用兩只單相功率表測量三相功率時，每一只功率表的讀數不代表任一相的功率，但兩只功率表讀數之代數和卻代表了三相電路的總功率。

b.采用三相兩元件式功率表測量有功功率。在三相三線制電路中也可采用三相兩元件式功率表測量有功功率。三相有功功率表直接接入電路的接線與圖3-6相似。當需要經過互感器接入電路時，接線方式如圖3-7所示。

測量三相有功功率的接線方式還有如圖3-8所示的兩種方式。三種接線方式滿足同一規律：即電流線圈不論接在哪一相上（電流從“· ”流入），同一元件的電壓線圈帶“· ”的一端也應接在該相上，而將其另一端接在沒有接入功率表電流線圈的那一相上。

3.1.3.2　無功功率的測量

應測量無功功率的回路有： 同步發電機和發電/電動機的定子回路；主變壓器，雙繞組變壓器的一側和三繞組變壓器（或自耦變壓器）的三側；66kV及以上的輸配電線路和用電線路；旁路斷路器、母聯（或分段）兼旁路斷路器回路和66kV及以上的外橋斷路器回路；330～500kV并聯電抗器；根據生產工藝的要求，需要監視無功功率的其他回路。

（1）采用跨相90°的接線方式測量無功功率

三相電路中的無功功率用有效值表示時為

Q=U_UI_Usinφ_U+U_VI_Vsinφ_V+U_WI_Wsinφ_W　　（3-13）

當三相電路完全對稱時，可寫成

　　（3-14）

式中　U_?、U——相電壓和線電壓的有效值，V；

I_?、I——相電流和線電流的有效值，A。

如果將式（3-13）改寫成余弦形式，則得

Q=U_UI_Ucos（90°-φ_U）+U_VI_Vcos（90°-φ_V）+U_WI_Wcos（90°-φ_W）　　（3-15）

從上式看出可以像測量三相四線電路有功功率那樣，利用三只有功功率表測量無功功率。方法是將有功功率表的電流線圈分別接入I_U、I_V、I_W三相電流回路，而電壓線圈的兩端不是接于U_U、U_V、U_W三個相電壓上，而是接在滯后原來相電壓90°的電壓上。由圖3-9（b）所示的相量圖中可以看出，如果三相電壓對稱，是可以實現的。

從相量圖中可以看到正好滯后于與間的相角差為90°-φ_U，同樣滯后滯后，如果用代替；用代替；用代替，并注意極性，則其接線圖如圖3-9（a）所示。三只有功功率表讀數之和為

　　（3-16）

上式（3-16）也可以改為

P₁+P₂+P₃=U_VWI_Usinφ_U+U_WUI_Vsinφ_V+U_UVI_Wsinφ_W

當電源電壓對稱時

　　（3-17）

從式（3-17）可以看出，三只功率表讀數之和為倍的三相無功功率。前面的系數是因為利用線電壓代替了相電壓接入表計的緣故。因此，測量結果必須除以，才是三相的總無功功率。

這種接線方法，可以在完全對稱的三相電路中應用，也可以在三相電壓對稱，但負載不平衡的三相三線制電路或三相四線制電路中應用。

（2） 利用人工中性點的接線方式測量無功功率

采用跨相90°的接線測量三相電路無功功率的方法是如果能找到一個相應的電壓，它滯后于原來電壓90°，用這個滯后90°的電壓代替原來測量有功功率時接入儀表的電壓，則所得的結果正比于三相電路的總無功功率。

如果在圖3-6所示的利用兩只有功功率表測量三相三線制電路有功功率的接線中，也能找到符合上述要求的電壓去代替原來的電壓和，即測得電路的無功功率。從圖3-9（b）可以看出，電壓超前，而電壓滯后；同理滯后，如果用代替，代替，則能滿足要求的相位關系。由于三相三線制電路沒有中性線，因而得不到相電壓，如果想得到相電壓和就應制造一個人工中性點。

人工中性點的制造方法是取一個附加電阻R_f，使其電阻值正好等于每只功率表電壓線圈的內阻，如果功率表的內阻不是純電阻，那么R_f應換成與其等值的阻抗。將R_f與兩只功率表的電壓線圈組成星形接線，如圖3-10所示，圖中O點即為人工中性點。第一只功率表所流入的電流為U相電流，電壓為；第二只功率表通入的是W相電流，電壓為其相量關系如圖3-10（b）所示。

兩只功率表所測得的功率分別為

P₁=-U_WI_Ucos（60°-φ_U）　　（3-18）

P₂=U_UI_Wcos（120°-φ_W）　　（3-19）

假設三相電路完全對稱，即U_U=U_V=U_W=U_?；I_U=I_V=I_W=I_?；φ_U=φ_V=φ_W=φ，則可寫為

　　（3-20）

可見，只要將表計的讀數乘以，即可得三相電路的總無功功率。這種方法同樣只能用在三相完全對稱，或只有負載電流不對稱的情況下，否則將產生附加誤差。

用兩只有功功率表測量三相電路的無功功率與測量有功功率一樣，也有三種不同的接線方式，但其原理是相同的。