电气工程概论 (2).ppt

电气工程概论,第10部分,第六章电气测量技术,电气工程概论,电气工程概论第六章电气测量技术,引言在测量过程中往往会发生误差，这种误差是难以避免的，所以根据测量精度，有精密测量和工程测量两类电气测量。对误差要求不是很严格，所以本章内容属于工程测量范畴。另外，由于电子技术在当前电气工程中得到普及与应用。因此对一些传统的测量方法不再赘述。电气测量方法的分类和常用的测量单位见表6-1和表6-2。,电气工程概论第六章电气测量技术,电气工程概论第六章电气测量技术,第一节电磁参数的测量,电气工程概论第六章电气测量技术,电路参数是指电阻、电容和电感三种基本参数，也是描述网络和系统的重要参数。为了实现对其的精确测量，目前普遍采用数字化测量，对于电路参数的数字化测量是通过把被测参数转化成直流电压或频率后进行测量的。,(一)电阻的测量,电阻的测量是指将电阻值转换成直流电压后进行测量。目前主要采用恒流源的方法进行测量，即将恒定的电流Is通过被测电阻Rx，测得Rx上的两端压降Ux，则Rx=Ux/Is。根据其产生恒流源的方法的不同又分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,1、比例运算器法,图61比例运算器法测量原理图,比例运算放大器的原理如图61所示。图中UN为基准源，RN为标准电阻，RX为被测电阻，根据电路可知：,由此可得：,当Ad趋于无穷大时：,电气工程概论6.1电磁参数的测量,2、积分运算器法,积分运算器法的原理如图62所示。该方法采用积分法，因此适用于高阻的测量，测量范围为1091014，测量精度可达0.1,图62积分运算法测量原理图,设脉冲的周期为Tc，N为脉冲的个数，则开门时间T内的计数值为TNTc。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,3.用集成芯片7106组成的多量程电阻测量电路,图6-3示出了使用7106芯片组成的多量程电阻测量电路。其中，电阻R的作用是限制串联电阻上流过的电流，以避免在7106芯片输入端上超过200mv。由电阻R、RN、RX组成的串联回路上电流I为,对于双积分型的A/D转换器，其数字读出有如下关系,由式（6-1）可知，适当选取标准电阻RN的值，就可得到不同的电阻测量范围。若RN1k，则RX被测范围就可为12000之间。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（二）电容的测量,传统的电容测量方法有谐振法和电桥法两种。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法。,用恒流法测量电容的原理图和波形图如图64所示，当开关S打向复位端时，计数器和电容同时清零，然后再将开关打向测量端，这时恒流源I对电容C进行充电，经过时间T后，充电电荷Q=IT，此时电容两端电压U=Q/C，显然只要I和T已知，测出电压U，便可按C=IT/U计算出电容值，恒流源向C充电，同时时标脉冲Cp经与门进入计数器。当Uc值大于UR时，比较器输出零,电平，停止计数，这时显示的数据就是与电容值成正比的测量结果。即,T=NTCP,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图64用恒流法测量电容的原理图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（三）电感的测量,使用交流电桥法虽然能较准确的测量电感，但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法，误差较大。采用时间常数的数字化测量方法测量电感较简单实用。一般电感含有线圈电阻R和寄生电容Co，通常Co很小，在工频情况下可以忽略。所以实际电感可以视为一纯电感L和电阻R的串联，其时间常数=L/R，测量电感的原理图如图65所示,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图65时间常数法测量电感的基本原理图（a）原理图（b）电流变化曲线图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,在t=0时合上开关，电感中的电流i将按指数曲线上升，其最大值为I。从图中可看出，在开始阶段变化的曲线和t=0时刻的切线基本重合。I与i交点的横坐标为T，从图中可知,只要先测出电感线圈的直流电阻，并已知U便可计算出I，则由测定的T即可求得，从而计算出L=R。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,二、频率和相位的测量,（一）频率的测量,在电子测量技术中，频率是一个最基本的参数，而且频率测量的精度已经达到了10-13数量级，是目前物理量中能测量的最精确的参数之一。因此，在检测技术中常常将一些非电量或其它电参量先转换成频率，然后加以测量，以提高测量精度。目前测量频率的方法有电桥法、谐振法、差频法、电子计数法等，本节主要介绍计数法的测量原理。,计数法测量频率就是按此定义设计的方案，其测量原理图如图66和波形图如图67所示。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图66计数法测量频率原理图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图67计数法测量频率的各点波形图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,从图中可以看出，它是由以下几部分组成：（1）输入通道一般由通道放大电路和整形电路组成，整形后方波信号的幅度应与主闸门的逻辑输入开门信号相匹配。（2）时间基准电路通常采用石英晶体振荡器经整形和一系列的分频电路构成时间基准。（3）控制电路用来使主闸门在所选择的基准时间内打开，使整形后的被测脉冲信号通过并送往计数器计数，而显示器的小数点受时间基准选择电路同步控制，所以即使选用不同的时间基准，显示器上仍能显示被测频率的值。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（4）工作原理首先将被测频率fx其波形经整形放大后使它变为一组系列脉冲，可便于脉冲计数器计数。该计数器只在控制门开启时才能对被测频率fx的脉冲计数。控制门开启时间是由石英振荡器产生的标准脉冲经脉冲(周期为T0)分频器分频以后得到的。若分频倍数为K倍，则控制门开启时间为TD=KT0，在这一段时间内脉冲计数器进行计数，其值为N=TDfx如果选TD1s，则可把上式写为N=fx所计数值可由数码管直接显示出来。这种方法具有采样速度快，便于多路输入，对于自动测量、遥远测量均极为方便。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（二）相位的测量相位是交流信号的一个重要的参数，相位的数字化测量应用类似频率计测量时间的原理。利用相位-频率转换器测量的原理如图68所示。,图68相位频率转换式数字相位计原理图(a)原理图；(b)转换波形图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,由图可知，被测相位为：,式中，To时标脉冲的周期；Nx在Tx时间内计数值；T被测信号的周期。由于T也是未知量，所以必须经过两次测量，并经过计算得到x。因为T=NTT0。所以,电气工程概论6.1电磁参数的测量,从上式中可以看出，该测量方法的精确度直接受时标频率的影响。例如，精度要求为0.10。则要求T0/T0.10/3600,f03600fx，即当被测信号频率增大时，时标信号频率相应加大到3600倍。当输入信号为正弦波或三角波时，必须首先经过整形变为方波信号。转换时的门限电平的漂移会给测量带来较大的误差。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,三、电压的测量,从测量的角度来讲，一般根据被测电压的类型可以分为直流电压、交流电压和脉冲电压。对于直流电压的测量，相对来讲比较简单，因此，本节着重介绍交流电压和脉冲电压的测量。,（一）交流电压的测量交流电压可用平均值、有效值、峰值来表征。1、交流电压平均值的测量交流电压平均值的表达式为,全波,半波,平均值在电路上的实现通常使用线性检波器。为了获得转换精度高、线性度好、频率范围宽和动态过程短的检波效果，通常采用运算放大器的负反馈特性克服二极管检波的非线性，构成线性检波器，也称平均值检波器。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图69半波线性检波器(a)原理图；(b)线性检波特性图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图69所示电路为反相半波检波器，当输入信号Ui0时，运放的输出电压Ui0时由于VD1的截止，造成运算放大器的开环使用。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,2、交流电压有效值的测量,在实际应用中，交流电压的有效值比峰值、平均值更为常用。因为非正弦电压的有效值不能用峰值或平均值予以换算。交流电压u(t)的有效值Urms的数学表达式为：,其有效值的检波器的电路原理图如图610所示。A1、A2为差分放大器，A3为倒相器，A4为积分器，M为乘法器。由图可知,式中，KM的传输系数,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图610有效值检波器的原理图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,将UM分解为傅里叶级数后的直流分量为,式中：为有效值的平方。,由于系统的负反馈作用，最终使得U02-Ui2=0,则U0=Ui，即输出U0就是输入Ui的有效值。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,3、交流电压的峰值的测量,对于交流电压或一些脉冲电压信号需要进行峰值的测量。当输入信号的波峰系数一定时，将信号的峰值保持一段时间，然后进行测量，该变换电路就称为峰值检波器或峰值保持器。因此波峰系数为：,对于纯交流电压的波峰系数为,常见的最基本的峰值检波器是由一个二极管和一个保持电容组成，如图611所示。慢放电：快充电：,电气工程概论6.1电磁参数的测量,式中，放电回路的时间常数充电回路的时间常数被测信号的最大周期被测信号的最小周期则，Uo即为Ui的峰值。,图611基本峰值检波器,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（二）脉冲电压的测量,脉冲电压的测量一般指脉冲的幅值测量，当脉冲电压的频率较高，占空比较大时，可用上述峰值来测量。但是如果被测脉冲电压的周期T很长而脉冲宽度又很窄，则占空比很小，在用峰值电压表会产生很大的误差。本节介绍了一种测量脉冲电压的方法。,图612为脉冲电压的保持器，当被测脉冲ux到来时，运算放大器A1的输出使晶体管V1的饱和导通对保持电容C迅速充电到脉冲的幅值Um，A2为跟随器，其输出电压U0=Um。正脉冲过后，晶体管V1截止，A2的输入电阻很高，电容C没有放电电路，所以保持Uc=Um。U0通过反馈电阻Rf反馈到A1反向输入端，A1输入为低电平，所以二极管VD截止。欲保持性能好，必须选择漏电流极小的电容器C。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图612脉冲电压保持器图613具有自动放电功能的脉冲幅值保持电路,电气工程概论6.1电磁参数的测量,上述是脉冲峰值保持电路，保持峰值最高的脉冲的幅值。幅值最高的脉冲出现后，如果跟着出现一系列幅值较低的脉冲，上述电路就无法反应。为了克服这一缺点，可用图613具有自动放电功能的脉冲幅值保持电路。图中，场效应管V1、V2均为源极输出器，具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，VD是检波二极管，C2是保持电容。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,四、磁测量,磁测量包含的范围很广，大致可以分为三个方面：（1）对磁场和磁性材料的测量；（2）分析物质的磁结构，观察物质在磁场中的各种效应；（3）在边缘学科领域中，利用磁场与其他物理量的关系，通过测量磁性来测出其它量。如：磁性检验、磁粉探伤、磁性诊断和磁性勘探等。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,1H/m=,表6-3磁学量单位及其换算关系,电气工程概论6.1电磁参数的测量,表6-4两种单位制中磁测量常用公式,注：为一纯数。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,以下主要介绍测量磁场的冲击法和霍尔效应法。（一）冲击法,图614冲击法测量原理(a)冲击原理图；(b)等效电路,冲击法的测量原理如图614所示。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,线圈中感应的电动势为,此电动势将在测量回路中引起脉冲电流i(t)，设测量回路的总电阻为R，总自感为L，其等效回路如图6-14(b)所示，则有,(6-4),为了找出磁通变化与通过冲击电流计电量之间的关系，我们将式(6-4)两边同时对时间进行积分，得,式中t0为磁通变化的持续时间。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,由于磁通开始变化前和变化结束后，电路中电流都为零，即i(t0)i(0)0故得到,(6-5),式中Q为通过冲击电流计的总电量。可见，只要测量出脉冲电流的总电量Q，按式(6-5)即可算出磁通变化量。,式中：Cq为电流计的电量冲击常数；m为电流计的最大偏转格数。其中，。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（二）霍尔效应法,将一块金属导体或半导体薄片放在磁场中，如图615所示，沿垂直于磁场的方向上通以电流I，这些运动着的电子，在磁场中将受到络仑磁力的作用，而使电子偏向薄片的x面，从而在x，y两个面形成一个电压UH,这个效应称为霍尔效应，电压UH称为霍尔电压。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图615霍尔效应法,电气工程概论6.1电磁参数的测量,x,y两侧面间的霍尔电压为,式中：RH霍尔系数，它与材料的性质有关；d半导体薄片的厚度；b半导体薄片的宽度；,l半导体薄片的长度；霍尔元件中的电场强度E和磁感应强度B的关系，有其中，则可求出霍尔电压与磁感应强度的关系，有即测出了霍尔电压，就可以求出空间的磁感应强度B。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,第二节传感器技术,电气工程概论第六章电气测量技术,引言,传感器是一种能够感受到规定的被测量并按照一定规律再转换成可用输出信号的器件或装置，即是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。非电量测量的关键技术就是如何将非电量转换成电量的技术传感技术。从应用的角度出发，根据所转换的物理类型可分为：电参量、磁电式、压电式、光电式、热电式等。,电气工程概论6.2传感器技术,（一）电阻式传感器,电阻式传感器是指将有关非电量（如位移、压力、流量等）变换成与电阻阻值有关的电量传感器。它包括线性电位器传感器、非线性电位器传感器、电阻应变传感器、压力传感器和金属电阻传感器，本文介绍一种电阻应变传感器。,电阻应变式传感器是利用元件的电阻随着机械形变的大小而变化，其电阻应变片是用直径为0.025mm的具有高电阻率的金属电阻丝制成，如图616所示。图中，l为应变片的标距或称为工作基长，b称为应变片的工作宽度。应变片的转换原理是金属电阻的应变效应。所谓应变效应是指金属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。,电气工程概论6.2传感器技术,图616电阻应变片的形状,电气工程概论6.2传感器技术,这种电阻应变传感器的特点是精度高，测量范围广；结构简单，性能稳定可靠，寿命长；频率特性好，能在高温、高压、振动强烈、强磁场等恶劣环境下工作。目前这种传感器被广泛的应用于测量力和与力有关的非电量测量。,式中：k为应变灵敏系数，其物理意义为单位应变引起的电阻的相对变化。对于金属来说，变化较小，其灵敏系数主要取决于项。由以上讨论可知，在机械力的作用下，金属电阻丝的电阻相对变化值与受力后的金属丝几何尺寸的变化有关，也与电阻丝的电阻率的变化有关。,电气工程概论6.2传感器技术,（二）电容式传感器,电容式传感器利用电容器的原理，将非电量（如压力、温度等）转化为电容量，从而实现非电量到电量的转化和测量。平板电容器和圆筒形电容器如图617所示。,图617两种常用电容器a)圆筒形电容器b)平板电容器,电气工程概论6.2传感器技术,平板电容器的电容为,式中C为电容量(F)；d为两平行极板的距离(m)；r为极板间介质的相对介电常数；0为真空介电常数；为极板间介质的介电常数；A为极板相互遮盖面积。,圆筒形电容器的电容为,式中C为电容量(F)；l为圆筒的长度(m)；R为外圆的半径(m)；r为内圆的半径(m)。,由此可见，电容式传感器的基本工作原理是通过改变电容器的参数r、d、A（或l）中的任何一个，从而实现电容量C的改变。根据改变的量的不同可以分为变间隙型、变面积型和变介电常数型。,电气工程概论6.2传感器技术,（三）气敏传感器,气敏传感器利用了气体的某些物理化学性质，将被测气体的某些特定成分转换成便于测量的电信号。气敏传感器具有测量范围宽，精度高，灵敏度高，工作可靠，体积小，成本低等一系列特点，它广泛的应用于工业、农业、国防、环保、医疗等各个领域中。气敏传感器的种类繁多，就其检测方法来分，可分为：半导体式、催化还原式、红外吸收式等。在这些气敏传感器中，半导体式气敏元件发展最为迅速，下面介绍半导体式气敏传感器。气敏电阻由非化学配比的金属氧化物按一定的比例混合，并加入粘合剂成型和高温烧结而成，分N型和P型两种。气敏传感器的结构见图618a。,电气工程概论6.2传感器技术,图618气敏电阻结构及原理图(a)结构图；(b)工作原理图1加热电极2气敏材料3信号引出电极,电气工程概论6.2传感器技术,电气工程概论6.2传感器技术,其工作原理见图618b，通电后，元件被加热，阻值迅速下降，一般经210分钟后，阻值达到稳定状态，这一状态称为初始稳定状态。到达初始稳定状态时间的长短与环境条件有关。必须指出，使用元件时必须预热，待元件达到初始稳定状态时，才能开始测量。,当加热的气敏电阻表面接触并吸附被测气体时，被吸附的气体分子首先在表面扩散而失去动能，此间部分气体分子被蒸发，剩余的气体分子被离解而固定在吸附位置上。若气敏元件材料的功率函数比被吸附气体分子的电子的亲和力小，则被吸附的气体分子就从元件表面夺取电子，以阴离子形式被吸附。具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性气体（如O2等）。气敏元件吸附的氧化性气体会使载流子的数目减少，从而表现为元件的阻值增加，如图6-18(b)中虚线所示。若气敏元件的材料的功率函数大于被吸附气体的离子化动能，被吸附气体的电子被元件俘获，而以阳离子形式被吸附。具有阳离子吸附特性的气体称为还原性气体（如H2、CO等）。还原性气体被吸附时，会以载流子的数目增加，表现出元件的阻值减小的特性，如同6-18(b)实线所示。,电气工程概论6.2传感器技术,（四）超声波式传感器,超声波传感器包含了超声波发生器和超声波接受装置。超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应，在电极上施加频率高于20kHz的交流电，压电晶体就会产生超声机械振动，从而发出超声波，如图6-20（a）。,图620超声波发生器和接受器原理图(a)超声波发生器原理图；(b)超声波接受器原理图,电气工程概论6.2传感器技术,超声波接收器是利用压电晶体的压电效应原理工作的，其原理图如图620b所示。在压电晶体的电轴或机械轴的两端面施加某一频率的超声波，则在压电晶体的电轴的两个端面出现频率与外加超声波频率相同的交变电荷，交变电荷的幅值与所施加的超声波强度成正比。通过测量电路将交变的电荷转化为电压或电流输出。,电气工程概论6.2传感器技术,电气工程概论6.2传感器技术,光电红外探测器根据采用的敏感元件的不同，可以分为光电导型红外探测器和光生伏特型红外探测器。光电导型红外探测器的原理图如图621所示，其工作原理是将被测目标辐射的红外光经光学系统聚焦和调制器调制成脉冲光投射在根据光电效应制成的红外光敏电阻上，红外光敏电阻的交变信号经测量电路、前置放大和选频放大，最后调制成直流信号放大输出。,热红外探测器是根据热释晶体的热释电效应制成的。其工作原理为：热释电晶体在调制角频率的红外光作用下，由于热释电效应，晶体的两端面产生角频率为的面束缚电荷qs,则当足够高时，晶体内部和外部的自由电荷来不及中和面束缚电荷qs，两端面有电荷的累积，见图622a。,电气工程概论6.2传感器技术,图621光导型红外探测器,电气工程概论6.2传感器技术,图622热释电红外探测器a）热释电效应b）等效电路,电气工程概论6.2传感器技术,热释电晶体是绝缘体，其介电常数为，两端面之间的等效电阻为Ra，电容为Ca，因此，在调制的红外光作用下，热释电晶体的等效电路见图622(b)，RL为负载电阻。设红外光的调制角频率为，由于U=qs/Ca，若忽略Ra和RL的影响，则得,从而得到了非电量的测量值。,电气工程概论6.2传感器技术,（六）光电式传感器,当光照射在某些物质上，物质的电子吸收光子的能量而释放电子的现象，称为光电效应。光电效应一般分为外光电效应、光导效应和光生伏特效应。利用这种光电效应制造的转换元件称为光电式传感器。目前对于光电元件信号的检测方法有以下几种：1）透射式2）反射式3）辐射式4）遮挡式5）开关式,电气工程概论6.2传感器技术,图623光电元件的信号监测方法a）透射式b)反射式c）辐射式d)遮挡式,电气工程概论6.2传感器技术,（七）变送器,变送器将各种物理量转换成统一的标准信号。变送器种类繁多，但按其应用场合可以分为电量变送器和非电量变送器两大类，常用的电量变送器有电压、电流、功率等，而常用的非电量变送器有温度、压力、流量等。下面介绍几种常用的变送器。,1、交流电流、电压变送器,将被测交流电流或交流电压变换为与其成线性比例的直流电流或直流电压。其原理框图如图624所示。,电气工程概论6.2传感器技术,图624交流电流、电压变送器原理框图,电气工程概论6.2传感器技术,被测交流信号经输出互感器耦合送入整流滤波电路，转换成单向脉动电流，经有源滤波输出一个非常稳定的直流。补偿电路用于小信号时互感器铁心磁化曲线的非线性影响和改善整机的温度特性。电流、电压变送器还有有效值变送器、峰值变送器，超低频电流、电压变送器等。,2、温度变送器,温度变送器分为气动和电动两种。（1）在防爆要求严格的场合下，压力式温度变送器成为良好的自动化用途的温度变送器。它归属于气动电表类。（2）与热电偶或热电阻温度传感器相配接，而输出信号则是标准化的毫安级电流。这是与气动温度变送器的不同之处。故称为电动温度变送器。电动温度变送器的标准输出信号为420mA。,电气工程概论6.2传感器技术,3、压力变送器,一般用压力表传递压力信息德距离不能很远。要想远距离传输压力信息，往往是将弹性测压元件与电气传感器相结合构成压力变送器，工业中常称差压变送器，以统一信号传输至控制点进行信号处理控制或显示。一般将压力变送器分为力平衡式、位移式两类压力变送器。力平衡式压力变送器是采用力平衡原理，通过深度负反馈将弹性元件测压产生德力矩与输出信号德反馈力矩相平衡，有效地减小随温度变化、弹性滞后及变形非线性的影响，提高了测量精度。位移式压力变送器是将弹性测压元件的位移变换为电感、电容、电阻等电学量，再经测量桥路、放大电路转换最后输出压力值。位移式压力变送器的精度远超过力平衡式压力变送器，而且其结构简单、运行可靠维护方便。目前多采用智能型压力变送器。,电气工程概论6.2传感器技术,第三节高压试验装置及其测量,电气工程概论第六章电气测量技术,一、稳态高电压的测量,稳态高电压，主要是指工频交流高电压和直流高电压，测量高电压的难度在于测量时往往有泄漏的影响、电晕的影响，在交流电压下还有杂散参数的影响。电压高达数兆伏时，难度更大。在高压实验室中测量交流高电压的方法很多，目前常用的有下列几种：1）利用气体放电测量交流高电压；2）利用静电力测量交流高电压；3）采用电容分压器系统来测量交流高电压。以上前两种均可用来直接测量稳态高电压，即交流高电压和直流高电压。另外采用电阻分压器系统也可测量直流高电压。电阻分压器可参考本节的”冲击电压的测量“中的叙述。各种测量仪表的量程是有限度的，常常通过分压器来扩大仪表的量程，即让被测电压的大部分电压降降落在分压器的高压臂上，测量仪表测得的仅是低压臂上的电压降，再乘上分压比即可得被测电压。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,(一)球隙测量法,球隙法主要用于交流电压、标准全波冲击电压(包括雷电波和操作波)和直流电压的测量。因球隙放电是与电压峰值相关的，所以测量的是电压的峰值。当铜球距离与铜球直径之比大于0.5时，其放电电压数值的准确性较差。,图6-25所示是球隙测量法的接线图。R1是保护变压器用的防振电阻，而R2是与球隙串联的保护电阻。R2的作用有两方面：一方面可用它来限制球隙放电时流过球极的短路电流，以免球极烧伤而产生麻点；另一方面当试验回路出现刷状放电现象时，可减少或避免因此而产生的瞬态过电压所造成的球间隙的异常放电。,图625球隙测量法的接线图C0试品；G球隙,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,测量球隙作为一种高电压测量方法的优点是：1）可以测量稳态高电压和冲击电压的幅值，几乎是直接测量超高电压的唯一设备；2）结构简单!容易自制或购买!不易损坏；3）有一定的准确度，一般认为测量交流及冲击电压时的不确定度可在3%以内。但此测量方法也有许多缺点：1）测量时必须放电，放电时将破坏稳定状态，可能引起过电压；2）测量较费时间。除了因为要通过多次放电进行测量外，施压过程也不能太快。开始应施加相当低幅值的电压，不致因开关操作瞬间产生球隙放电，然后要缓慢升压，以使在球隙放电瞬间低压侧仪表能够准确地读数；3）实际使用中，测量稳态电压要进行多次放电，测量冲击电压要用50放电电压法，比较麻烦；4）要校正大气条件；5）被测电压越高，球径越大，不仅本身越来越笨重，而且影响试验室的建筑尺寸。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,(二)静电电压表,通过测量此静电力的大小或是由此静电力产生的某一极板的偏移（或偏转）来反映所加电压大小的表计称为静电电压表。静电电压表可以用来测量低电压，也可用它直接测量高电压。静电电压表有两种类型：一种是绝对仪静电电压表；另一种是工程上应用的静电电压表，是非绝对仪。所谓绝对仪静电电压表是指，当电极S已知的条件下，测量电极之间的作用力f以及极间距l，由此而计算出电极间所施加的被测电压的一种精密而复杂的静电电压表。因为可以计算出被测电压，所以不需要其他测量电压的仪表来为之校定和刻出其电压刻度。工程上所应用的静电电压表是非绝对仪，它需要用别的测量仪表来校正和刻出它的电压刻度。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,静电电压表的优点是它基本上不从电路里吸取功率，或是只吸取极小量的无功功率，用以建立极板中的电场和极板对地的杂散电场。由于仪表极板的电容一般仅为几个到几十个皮法拉，所以所吸收的功率极小，可以认为静电电压表的内阻抗极大，这是它的最大优点。普通高压静电电压表在使用时应注意高压源及引线对表的电场影响，引线应水平地从接地极板后侧引入。高压静电电压表不像低压表那样四周被封闭起来，所以不宜用于有风的环境中，否则活动电极会被风吹动，造成光标指示摇晃而形成测量误差。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,（三）电容分压器,电容分压器可使用于几千伏甚至3MV的交流高电压的广泛范围之内。电容分压器有两种主要形式，一种称为分布式电容分压器，它的高压臂由多个电容元件串联组成；另一种称为集中式电容分压器，它的高压臂使用的是一个气体介质的高压标准电容器。,电容分压器低压臂应采用低电感结构、低介质损耗的电容器。测量的同轴电缆的首端接地屏蔽，应与低压臂的外屏蔽紧密而且紧凑地相连接。同轴电缆的匹配可分为两种：一为首端匹配，另一为首末两端匹配。分别见图626和图6-27。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,二、冲击电压的测量,（一）冲击峰值电压表,在冲击高压试验中，试验波形调好之后，使用峰值电压表直接读出冲击电压的峰值，可大大简化测量过程。但是，被测电压的波形必须是平滑上升的，否则就会产生误差。一般情况下，峰值表多与示波器并联使用以监视被测波形。和示波器一样，峰值表的测量误差应不大于2，如果保持读数在满刻度的50以上，则满刻度的误差应不大于1。在理想情况下，图6-28中整流元件Z导通时电阻为零，在u1上升的阶段，电容C上(点2)的电压u2和u1完全一样，二者同时到达峰值(图6-29(a)，随后，整流元件立即闭锁，u2便一直保持um值不变。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,如果我们用内阻无限大的电压表PV来测量，便可得出相当于峰值Um的稳定指示。而实际上Z不可能是理想元件，电压表的内阻也不可能无限大，故实际的测量波形应如图(图6-29(b)所示。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,(二)电阻分压器测量系统,电阻分压器可用于测量交流高电压、直流高电压和冲击电压。由于稳态测量时，电阻损耗较大、易发热、影响测量精度，故电阻分压器较多用于冲击电压的测量。图630中，R1和R2分别为分压器的高低压臂电阻，DL为同轴电缆，R4为末端匹配电阻，它与电缆的波阻抗Z相等，R3为首端匹配电阻，即,同轴电缆对于波过程来说，相当于一个波阻抗Z；对于稳态而言，又相当于一个集中电容。若作用在分压器上的高电压是幅值为U1的阶跃电压波，则在加压之初，电缆表现为波阻抗Z，则在图6-30中R4上的电压为,其中，/代表它前后的电阻相并联。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,(三)数字存储示波器,数字存储示波器是20世纪60年代发展起来的新型测试仪器，主要用作测量各种瞬态过程，如爆炸、冲击、振动、武器发射(过程)及高速电磁脉冲(EMP)的测量等。20世纪70年代开始应用于高电压测量，它在高电压领域中不仅用于稳态的交流高电压测量及谐波分析，更重要的是用于快速瞬态过程的测量，如冲击电压(电流)的测量、气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中的甚快速瞬态过电压(VFT)的测量、绝缘局部放电波形测量等。数字存储示波器的方块原理如图6-31所示。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,图631数字存储示波器结构方块图,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,以图6-32所示例子来说明，假定内存的容量是1024B，触发起着令B点之后“停写”的作用，把触发前后的一段A与B之间的信息保留下来。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,测量前，将探头接至相应的通道输入端，估计测量信号的幅值选择探头不同的衰减倍数，再调节示波器亮度、垂直位置控制和水平位置控制、时基和灵敏度、触发方式(单次触发或自动触发)、耦合方式(直流、交流或接地)等等，然后就可以测量波形了。可直接在示波器上读出波形的峰值和频率，精度很高，使用方便，具体操作可参考相关示波器的使用手册。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,C为存储电荷的大电容，G为放电球隙，以整流电压或恒流方式对C进行充电，然后通过间隙放电使试品上流过冲击大电流。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,所谓分流器是个低阻值和极低电感值的电阻器。它的电阻R一般在0.110m，能测量的冲击电流范围为几千安至几十千安。它的接入不会使放电回路内的冲击电流发生明显变化。测量性能要求高时，电缆的两端均要求有电阻匹配，故,当放电回路内的电流为i时，i几乎全流经分流器R2，不必考虑R3及电缆的分流。出现在示波器上的电压u2为,设，从式(68)得，其中n为电阻R4的分压比。示波器上测得的电压幅值u2m除以S，即可求得冲击电流幅值Im。u2的波形应与i的波形相同。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,电气工程概论,第七章电力工程新技术发展,电气工程概论第七章电力工程新技术发展,第一节电力系统大电网互联技术,我国电力系统的发展，是世界电力系统发展的重要组成部分。我国电力系统发展面临的大容量远距离输电和大电网互联问题，将是我们未来1020年内要解决的主要问题。环境保护制约和电力体制改革的影响也将现实地提到日程，必须引起我们高度重视。,电气工程概论7.1电力工程新技术发展,到2010年，在我国中部将形成沿长江流域包括四川、华中、华东电网在内的三峡交直流电力系统，总容量将会接近200GW。与此同时，北方的华北、东北、西北电网将实现互联；南方电网将进一步加强。届时，全国将形成北、中、南三大互联电网的格局。通过它们之间的互联，预期2020年左右将基本实现全国联网。随着东部、中部核电的建设，西部巨型水电和坑口火电的开发，全国范围的远距离输电和电网互联将得到进一步加强。,电气工程概论7.1电力工程新技术发展,在我国，大型电厂、电源基地特别是大型水电站的建设，往往导致跨省、跨区大容量远距离送电，对大电网发展起着决定性作用。大电网互联是实现更大区域范围内资源优化配置和逐步缩小东西部地区经济差距的客观需要，这一发展战略的实施已经成为促进全国联网的重要因素。大电网互联可以取得显著的联网效益，实现更大范围内的资源优化配置，取得联网送电效益，有利于加大中西部地区能源资源的开发力度，有利于电力工业实施可持续发展战略，能更好地适应市场经济的需要。,电气工程概论7.1电力工程新技术发展,大电网互联的联网效益体现在以下几个方面：（1）错锋效益。（2）水、火电互补效益。（3）水电流域补偿调节效益。（4）互为备用效益。电网互联，为电网之间互相调剂余缺和协调规划与运行提供了前提条件。,扩大电网有利于充分发挥大型水、火电站的作用和效益；可在更大范围内实现系统经济运行。形成更大区域内的发供竞争局面，相互开拓了电力市场，进而取得企业和社会双重效益；大大改善大机组运行环境，有效地解决小网大机的系统运行问题。,电气工程概论7.1电力工程新技术发展,三大电网互联及跨国联网的发展趋势，带来了稳定性破坏和大面积停电事故的教训，使人们对大电网互联运行的控制问题给予了格外关注。结合我国电网实际，应加强如下方面的研究工作：（一）互联电力系统低频振荡控制的研究（二）全球卫星定位系统（GPS）在电网安全监视和稳定控制中应用的研究（三）防止大面积停电的控制和恢复策略的研究,电气工程概论7.1电力工程新技术发展,近年来，在EMS系统中采用EEAC、PEBS等直接法在线分析监视系统暂态稳定已取得重要成果。将现有的离线分析程序加以改造，与直接法相结合，以适应在线稳定分析要求从而得到更为充分的信息，也在国内外一些电网得到实际应用。进一步应开展事故后恢复策略的研究，为处理事故过程中的大量警报信息，采用人工智能等科学方法。,电气工程概论7.1电力工程新技术发展,全国互联的电力系统带来巨大的好处的同时，也带来了很大的潜在的问题。互联电力系统牵一发而动全身，一旦出现故障，波及的范围及造成的危害也大大的上升了，因此大面积停电的风险也更大了。近年来国内外相继出现大的停电事故，这些停电事故不但在经济上造成了巨大的损失，而且对人民生活造成了很大的影响。停电造成损失的著名例子是美加“8.14大停电”。其影响范围包括美国的俄亥俄州、密西根州、宾夕法尼亚州、纽约州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、新泽西州和加拿大的安大略省，损失负载大61.8GW，影响了5千万人口的用电。,电气工程概论7.1电力工程新技术发展,第二节电工制造技术最新发展,电气工程概论第七章电力工程新技术发展,一、研制大型新发电机组,我国目前主要还是靠燃煤发电，重要的是要提高机组效率，降低煤耗。发展大容量、高参数和高效率的火电机组，进行100万kW级超临界机组的研制和批量生产是一条有效途径。采用超临界机组较亚临界机组热耗较低，经济性较好，容量越大优越性越显著。研究开发高效率、低排放、少污染新型燃煤发电技术，如循环流化床锅炉（CFBB）、增压流化床锅炉联合循环（PFBCCC）发电技术，以及整体煤气化燃气-蒸汽联合循环（IGCC）发电技术。,电气工程概论7.2电工制造技术最新发展,广泛采用洁净煤技术，如先进实用的洗煤技术；煤炭转化的煤气气化、干溜和液化技术；煤炭废弃物的洁净处理等。应用环保设备，推广烟气脱硫技术。适应中国国情，研究劣质煤、贫煤等的燃烧技术。在大型水轮机组的研制方面，必然有许多机械、力学、电磁、发热及冷却等方面的问题需要研究解决。,电气工程概论7.2电工制造技术最新发展,二、智能电器与电气新材料,近年来，电器的设计、研制和开发进入了一个崭新的时代。电器在技术理论和电器产品结构正处于不断更新和全面提高的阶段。传统的有触点电器在结构原理、最佳结构设计和应用新材料、新工艺方面不断改进和完善；真空电器、半导体电器以及其他新型电器如微电子技术和电器技术结合的机电一体化电器或智能化电器亦在开拓发展之中；电器产品向着组合化、成套化发展。,电气工程概论7.2电工制造技术最新发展,将智能化技术引入低压电器，使低压电器技术在研究、检测、生产的各个环节上发生了根本的变化。（一）智能化的控制技术智能断路器、智能电动机保护器、智能接触器等智能电器元件和智能型配电网络系统应运而生。（二）智能化的设计技术随着计算机技术的飞速发展，CAD、CAE和CAM技术使低压电器的设计与研究跨进了一个新阶段，产品开发周期大大缩短。（三）智能化的检测技术要开发性能优良的低压电器产品，必须要有先进的测试、检验手段。20世纪90年代人们提出了“可测性设计”的观念。（四）新材料的应用电介质材料种类繁多，有固体、液体和气体；有单晶、陶瓷、非晶、高分子聚合物和生物物质等。,电气工程概论7.2电工制造技术最新发展,第三节大功率电力电子技术,电气工程概论第七章电力工程新技术发展,一、大功率电力电子器件的重大进展,电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件(HighPowerElectronics)的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。近10多年来，可控整流器(SCR)、可关断的晶闸管(GTO)、MOS控制的晶闸管(MCT)、绝缘门极双极性三极管(IGBT)等大功率高压开关器件的开断能力不断提高。,电气工程概论7.3大功率电力电子技术,目前，已经生产出6kA、6kV的GTO，单个元件的开断功率可达到30MW左右，这无疑是一个巨大的进步。近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。晶闸管(晶闸管)用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电(FACTS)、定质电力技术(CustomPower)以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为下世纪的电力研究前沿课题。,电气工程概论7.3大功率电力电子技术,二、灵活交流输电技术（FACTS）,灵活的交流输电系统是20世纪80年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。未来这项技术将在电力输送和分配方面将引起重大变革，对于充分利用现有电网资源和实行电能的高效利用将会发挥重要作用。灵活交流输电技术是指电力电子技术与控制技术结合以实行对电力系统电压、参数（如线路阻抗）、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。,电气工程概论7.3大功率电力电子技术,随着电力电子器件的性能提高和造价降低，以电力电子器件为核心部件的FACTS装置的造价会降低，可能会在不远的将来比常规的输配电方案更具竞争力。FACTS技术也在不断改进，一些新的FACTS装置被开发出来。电力电子器件的发展趋势是:一方面研制经济性能好的器件，以便降低设备造价；另一方面，研制开断功率更大的高性能器件。,电气工程概论7.3大功率电力电子技术,三、定质电力技术,定质电力(CustomPower)技术是应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制，为用户提供用户特定要求的电力供应的技术。为提高配电网无功调节的质量，已开发出用于配电网的静止无功发生器(D-STATCOM)。是“定质电力”的关键设备之一静止无功发生器由储能电路、GTO或IGBT变换电路和变压器组成。它的功能是快速调节电压,发生和吸收电网的无功功率,同时可以抑制电压闪变。另一关键设备是动态电压恢复器(DynamicVoltageRestorer),它由直流储能电路、变换器和次级串联在供电线路中的变压器构成。,电气工程概论7.3大功率电力电子技术,四、同步开断技术,同步开断(SynchronizedSwitching)是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。在理论上，应用同步开断技术可完全避免电力系统的操作过电压。这样,由操作过电压决定的电力设备绝缘水平可大幅度降低,由于操作引起设备(包括断路器本身)的损坏也可大大减少。高压开关属于机械开关,开断的时间长、分散性大,难以实现准确的定相开断。目前的同步开断设备是应用一套复杂的电子控制装置,代价昂贵，而且还不能做到准确的定相开断。,电气工程概论7.3大功率电力电子技术,电气工程概论7.3大功率电力电子技术,第四节状态维修技术,电气工程概论第七章电力工程新技术发展,一、应用背景,状态维修技术(ConditionBasedMaintenance)可以包涵可靠性为中心的维修技术(RCM)和预测维修技术(PDM)。电力系统的可靠性在很大程度上取决于电力设施的可靠性。随着电网容量的增大和用户对供电可靠性要求的提高,维