电工仪表及测量 教学课件 ppt 作者 周启龙 5第五章 感应型电能表与电能测量

第五章 感应型电能表与电能测量 第一节 感应型电能表的结构和工作原理 一 、单相有功电能表的结构 二、感应型电能表转动原理 三、转动力矩与制动力矩 第二节 电能表的调整 一、电能表的相量图 二、相角补偿 三、摩擦力补偿 四、潜动的调整 五、负荷特性 六、 电能表的灵敏度 第三节 外界因素对电能表的影响 一、温度影响 二、频率影响 三、电压影响 四、倾斜影响 五、自热影响 六、电压波形和电流波形畸变的影响,第四节 无功电能表及无功电能计量 一、单相正弦型无动电能表的结构及工作原理 二、三相正弦型无功电能表 三、正弦型无功电能表的优缺点 四、90º型无功电能表 五、60º型无功电能表 六、三元件60°型无功电能表 第五节 测量用互感器 一、测量用互感器的用途与结构 二、仪用互感器的正确使用 三、电压互感器的接线方式 四、电流互感器的接线方式 第六节 有功电能表的正确接线 一、单相有功电能表的接线 二、三相四线有功电能表的接线 三、三相三线有功电能表的正确接线 四、电能表的联合接线,第七节 电能表的错误接线 一、单相有功电能表的错误接线 二、三相四线有功电能表的错误接线 三、三相三线有功电能表的错误接线 思 考 题,第五章 感应型电能表与电能测量 发电厂生产的交流电能，经各级输配电设备送到用户处，供给用户使用。输变电过中的损耗，发电厂厂用电，以及用户所耗用的电能（售电量），都依靠安装电能表来计量。所以电能表的应用极为广泛的，几乎有用电的地方就有电能表，所以电能表是电工测量仪表中为数最多的仪表。 第一节 感应型电能表的结构和工作原理 一 、单相有功电能表的结构 单相有功电能表是感应型三磁通型的积算式电工测量仪表，它是由电磁元件、永久磁钢、转动机构及上下轴承、记数器、支架、底座、表盖、端钮盒，出线罩等部件组成。具体结构及原理接线如图51所示。 图5-1 单相感应型有功电能表的结构 1-电压铁芯 2-电流铁芯 3-铝盘4-转轴 5-上轴承 6-下轴承 7-蜗轮8-永久磁钢 9-记数器 10-端钮盒 11-铭牌 现将各主要元件分述如下。,1.电磁元件 包括电压元件和电流元件两部分，它们是产生电能表转动力矩的部件，因此又称驱动元件。电磁元件由磁导体（铁芯）和线圈组成。对于铁芯材料，要求有高的导磁率，剩余磁感应小，由于铁芯要通过交变磁通，所以又要求涡流损失小。因此铁芯通常由薄的硅钢片叠制而成。常用的硅钢片含硅4，厚度 03505mm。 电压元件是用较细的绝缘铜线绕成的电压线圈，套在具有极小气隙的铁芯上而成，电压线圈并接于线路全电压下，所以又称并联线圈。它具有很大的感抗，由它所产生的电压磁通几乎滞后于所加的电压90°。一般额定电压为 220 V的单相电能表，电压线圈的匝数通常为65O012000匝，线径为0.10.15mm，功率损耗0.51.2W。电压元件的功率损耗要力求减小，因为它常年接于线路消耗着电能。 电流元件是在电流铁芯上套上用较粗的绝缘铜线绕成匝数不多的电流线圈而成，线圈串联于线路上，故又称串联线圈。由于线圈匝数不多，铁芯又不闭合，因此电感量很小，所产生的电流磁通基本上与流经线圈的电流同相。电流线圈绕制成两部分，反向串联，若左柱的磁通由下向上时，则右柱的磁通方向必须由上向下，这样两柱上所产生的磁通是同方向叠加的，否则两磁通异方向相减，不能产生转动力矩。电流线圈的安匝数，一般取60150安匝，即标定电流 为 5 A的电能表，其电流线圈的匝数为1230匝。 电能表电磁元件铁芯形状大致可以分成两种，一种是电压铁芯与电流铁芯各自分开的，称做分离式铁芯 。另一种是电压铁芯与电流铁芯组装在一起，或者由整块硅钢片冲制而成的，称做封闭式铁芯。如图5-2所示。这两种铁芯各有其优缺点：分离铁芯材料消耗量较少，制造工艺较简单，但电气特性、重合性较差。封闭式铁芯有较好的负荷特性曲线，重合性好，轻负载特性较好，但材料消耗量较大，线圈绕制与装配较困难。 图5-2电磁元件铁芯形状 (a)分离式铁芯 (b)封闭式铁芯 从铁芯装置的位置而言，有辐射式和正切式两种。辐射式是电磁元件顺园盘的半径方向放置，正切式是电磁元件垂直于园盘半径方向平面放置，现在大多数电能表属于正切式放置。,2.转动机构及上下轴承 转动机构由铝质转盘及竖轴组成，转盘材料要求导电性能良好，重量轻，耐腐蚀，铝最符合要求。作为转盘材料的铝的纯度为 99以上，注意表面须平整，不可有铁粉杂质混入，转盘应有适当硬度，如果转盘太软，稍一碰击，即变形不平。转盘直径通常为80100毫米，厚度0.51.2毫米，重量20克左右，转盘上印有计算转盘转数的标记。有些电能表的转盘上打有对称的二个小孔，位置在电磁铁之下，直径约1毫米左右，用来防止电能表无负载时的潜动现象。有些转盘在电磁铁位置的内侧打有34个大孔，主要用来减轻转盘的重量。有些转盘的边缘印有100分格，便于作同步校验估算误差之用，有些转盘的边缘印有100至400的分格，或铣成等分缺,图5-3 电能表轴承的型式,图5-4 磁推轴承 1-圆盘转轴 2-石墨轴承 3-磁体 4-不锈钢导销 5-支持框 6-下轴承筒 7-轴承固定钉 8-铁盒,槽，以便用频闪法来校验电能表。有些转盘的下面涂有重质涂料，用来纠正转盘机械不平衡。热带、湿热带、使用的电能表，转盘往往氧化处理，以增强抗腐蚀性能。 竖轴用合金铝，铜质或钢质棒材制成。转轴上部由针形上轴承限位，下部镶有滚珠轴承转动于人造宝石的轴座上，其下有缓冲弹簧。在转轴中部套有蜗杆，以便与记数器的齿轮衔接，使转盘转过的转数，积算于记数器上，经齿轮比的配合，显示所测量的电能量于字盘上。有些电能表的转轴上附有小铁片或钢丝针，使其与电压铁芯上伸出的磁化舌片相互作用，起防止电能表潜动的作用。 电能表的转动机构及上、下轴承如图5-3所示。电能表的轴承分为上、下两部分，上轴承主要起导向作用，下轴承主要起支持转动部分重量作用。下轴承的型式有针形轴针转动于宝石上，如图5-3（a）；有滚珠轴承转动于宝石上（单宝石型），如图5-3（b）；有宝石转动于滚珠上，如图5-3（c）；有滚珠位于上下宝石之间的（双宝石型），如图5-3（d）。除严寒地区外，一般上下轴承都注有润滑油。 虽然铝转盘的重量轻，由于下轴承接触面很小，相对来讲，压力还是很大的，因此钢珠与宝石易于磨损,影响电能表的性能和使用寿命，近年来又研究出磁推轴承，如图5-4所示，使转盘悬浮于下轴承上，以降低压力，延长轴承使用寿命。,3.永久磁钢 永久磁钢是用硬磁材料制成，作用于运动着的铝转盘，使之产生制动力矩，所以又称制动元件。永久磁钢品质的好坏，可以从剩磁感应和矫顽磁力两个特性来衡量。磁钢是用硬磁材料经人工充磁而成，它有较宽大的磁滞曲线。 电能表早期使用的磁钢是含钨6的碳素钢，矫顽磁力为70奥斯特，剩余磁感应为10300高斯。后来使用含铬3.5的碳素钢，矫顽磁力与钨钢差不多，但价格较廉。近年来制造铝镍钴磁钢，性能大有提高，已被普遍采用。 永久磁钢的型式分单磁通和双磁通两种。单磁通型磁钢的形状多为C形，磁极间隙很小，磁通一次穿过铝转盘，这种磁钢现在很少采用。双磁通型磁钢形状为U形，磁极间距离较大，磁间隙另用回磁铁板形成，所以磁通两次穿过铝转盘，两次所产生的涡流是相加的，因此制动力矩较大，且便于装磁分路，近年来所生产的电能表大都采用双磁通型磁钢。磁钢与铁器碰击要发生退磁，工作中应避免撞击，清除磁间隙中铁屑杂物，要用非磁性工具。 4.记数器 记数器是用来积算电能的，它的第一个齿轮与转盘坚轴上的蜗杆啮合，转盘每转过一转，齿轮便转过一牙，记数器便累记了一段时间内转盘所转过的全部转数，显示单位是千瓦时，记数器有两种型式，第一种是滚轮式，第二种是指针式，如图5-5所示。滚轮式记数器抄读非常便利，外观漂亮，缺点是摩擦力不均匀，尤其是几个滚轮同时翻字时摩擦力较大，影响表的误差，可能出现卡字现象。指针式记数器摩擦力均匀，结构简单，很少卡字现象，但抄读稍难。 图5-5 记数器 （a）滚轮式记数器 （b） 指针式记数器 记数器的摩擦力主要产生于齿轮与齿轮间的搭牙处，齿轮轴与夹板支持处和第一只齿轮与蜗杆啮合处，后者的摩擦力占全部摩擦力的比例较大。为了降低蜗杆与记数器啮合处的摩擦力，现时制造的蜗杆长度尽量缩短，仅存一二牙，以减少接触面积。 记数器读数的乘率，一般不标的为X1，小容量电能表大都带有小数指针或窗口，大容量电能表或与仪用互感器联用的电能表，记数器字面上常有X10，X100等乘率，检修时不可除去，记数器的齿轮比必须与电能表的常数或每千瓦时的盘转数相配合。,5.支架 支架用于组装电磁元件、转动部件及上下轴承、永久磁钢与记数器等部件。常用的有两种类型，一种是与底座可分离的,另一种是利用底座本身作为支架的，但另加底盖。从维护的角度来看，要求各部件安装后，易于检查部件位置是否恰当，间隙是否均匀，表内是否藏有铁屑杂物，并易于清除。从稳定性来看，要求支架有足够强度，不因盖表壳旋动螺丝而使支架产生变形。 6.表盖与底座 可以用绝缘材料或金属材料制成，要求密封严密，防止灰尘与潮气侵入，具有能观察表盘转动和抄读计数器的窗口。表盖螺丝应能加铅封。 7.端钮盒与出线罩 端钮盒用于表内外导线的连接，外部有出线罩，以便于电能表安装后盖住有电部分及安装螺丝，并加封印，防止用户私自开启影响计量，危及安全。 8.铭牌 电能表的铭牌钉于表盖上，或者附属于记数器字面上。它应标明制造厂名、表型、额定电流、额定电压、额定频率、相数线别、准确等级以及每千瓦时的盘转数。根据铭牌的数据，才可以进行准确校验与安装使用。,二、感应型电能表转动原理 电能表的转动力矩是由电磁元件所产生，为使分析问题简单明了，暂不考虑各种损耗。设线路电压为U，电压线圈内的电流为IU ，它滞后于U的角度为90°，IU所产生的磁通U与IU同相。磁通U穿过铝转盘，在铝转盘内感应一电势eU，eU,图5-6 相量图与波形图 (a)相量图 (b)波形,由图5-6波形图可见，在02区域内，电压磁通u是负的，设其为S极（进入磁同），并且在逐渐减小中，磁通方向由下向上，如图57。产生涡流 i U于铝转盘上，涡流 iU将产生磁场，根据楞次定律，这个磁场总是阻止原磁通的变化，即阻止U的减小，因此它的方向应与U的方向是相同的，即由下向上的。根据右手螺旋定则，可以知道涡流iU 的方向是逆时针方向，如图5-7（a）所示。 此时电流磁通I方向是正的，并在加强中，电流磁极左侧定为N极，则右侧应为S极，磁通I的方向左侧向上，设为I1 ，右侧向下设为I2，左柱电流磁通I1产生涡流iI1于铝盘上，iI1所产生的磁场抵制i1的增加，因此它的方向是由上往下，所以涡流 iI1的方向根据线圈右手螺旋定则是顺时针方向。右柱电流磁通I2也感应涡流iI2于铝盘上，由iI2所产生的磁场方,滞后于U 的角度为 90°。由电势eU产生涡流iU ，与eU同相（铝盘基本是纯电阻性）。电流线圈内的负荷电流为I,I产生磁通I，设负荷功率因数cos=1.0，则电流及由它所产生的磁通I与电压U同相，与电压磁通U相差90°。磁通I穿过铝转盘在其内感应一电势eI，eI与I相差90°（滞后），由eI产生涡流iI，iI与eI同相，所有这些量的相量关系与波形图如图5-6（a）与（b）所示。 转动力矩由两部分所组成：电压磁通U与电流磁通所产生的涡流iI相互作用而产生，电流磁通I与电压磁通所产生的涡流iU相互作用而产生。我们可以分四个区域来研究电能表力矩的产生：0/2，2,32及322。,图5-7 电能表转矩的产生(0/2),向为由下往上，所以iI2的方向是逆时针方向的。iI1、iI2 在电压磁极下的方向都是由边缘向中心的，见图 5-7（b）。 涡流iU与电流磁通iU与电流磁通I1I2作用，使铝转盘产生转动，根据电动机左手定则，可知铝盘转动方向为逆时针方向。涡