用于测量电路中电压的仪表叫做电压表。因为电压的基本单位是伏特(V),故又叫伏特表。常用电压表有数字式电压表和指针式电压表两种,如图2-15所示。根据测量的电压不同,可分为直流电压表和交流电压表。
电压表是由小量程电流表与定值电阻串联改装而成的,如图2-16所示。与电流表类似,测量直流电压时通常选用磁电式电压表,测量交流电压时通常用电磁式或电动式电压表。
图2-15 电压表
图2-16 电压表的组成
电压表是一种内部电阻很大的仪表,它相当于一个很大的电阻器(理想地认为其在电路中相当于断路),一般应该大于几千欧姆。
测量电压时,电压表必须并联在被测电路中,以使电压表的端电压等于被测电压。但考虑到电压表本身的电阻R V ,电压表并联到电路中相当于把一个电阻R V 并联到电路中,这必然会对电路中的各电压、电流产生影响,使其发生变化。为了使测量值较为准确地反映电压的真实值,就要求电压表的电阻越大越好,使其满足R V 》R,这里R是电路的等效电阻。所以要使电压测量满足一定的精度,除了要考虑仪表的测量误差外,还要考虑仪表内阻对电路的影响。
测量直流电压通常采用磁电式电压表。测量时,电压表必须与被测电路并联,否则将会烧毁电表。电压表正接线柱必须接被测电路正极或高电位点,负接线柱接负极或低电位点。这样接线才能保证电压表表针正偏。否则,表针会反偏。注意,应在仪表量程允许范围内测量。
测量电路两端直流电压的线路如图2-17所示。
要测量一个电压很高的直流电流,如几百伏,没有那么大量程的电压表怎么办?电压表扩大量程的方法是在表头上串联一个称为倍压器的高值电阻器R V ,如图2-18所示。倍压器又称为分压器,其阻值可依据以下公式确定
式中,R o 为表头内阻;m=U/U o 为倍压系数,其中U o 为表头的量程,U为扩大后的量程。
图2-17 直流电压测量电路
图2-18 电压表扩大量程的电路
分压器可以直接安装在电压表内部,也可外附,作为电压表的附件。所串分压电阻越大,则量程越大。如图2-19所示为直流电压表扩大量程的接线方法。
图2-19 直流电压表扩大量程的接线方法
指点迷津1——测量直流电压的宜与忌
(1) 正确选择量程。量程选得太大,不便于读数。被测电压不要超过电压表的最大量程,否则容易烧坏电压表。
(2) 直流电压表的“+”“-”接线柱不能接反。
(3) 必须把直流电压表并联在被测直流电路的两端。
如图2-20所示为单相交流电压测量的基本电路。图2-20(a)所示为交流电压表直接并联接入电路,这时电压表V的示数为该电路两点端电压有效值U。图2-20(b)所示为交流电压表经电压互感器TV接入电路,适用于高电压的测量。这时电压表V的示数为U/K u (K u 为电压互感器电压比)。
图2-20 单相交流电压测量电路
中转站1——电压互感器
电压互感器是一个带铁芯的变压器,如图2-21所示。它主要由一、二次侧线圈、铁芯和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U 1 时,在铁芯中就产生一个磁通Φ,根据电磁感应定律,则在二次绕组中就产生一个二次电压U 2 。改变一次或二次绕组的匝数,可以产生不同的一次电压与二次电压比,这就可组成不同电压比的电压互感器。
图2-21 电压互感器
电压互感器将高电压按比例转换成低电压,即100V或更低等级的标准二次电压,供保护、计量、仪表装置使用。
电压互感器本身的阻抗很小,一旦二次侧线圈发生短路,电流将急剧增长进而烧毁线圈。为此,电压互感器的一次侧接有熔断器,二次侧可靠接地,以免线圈绝缘损毁时,二次侧出现对地高电位而造成人身安全和设备事故。
测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构,其一次侧电压为被测电压(如电力系统的线电压),可以单相使用,也可以用两台接成V-V形,作为三相使用。实验室用的电压互感器往往一次侧是多抽头的,以适应测量不同电压的需要。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈,称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形,开口三角形的两引出端与接地保护继电器的电压线圈连接。正常运行时,电力系统的三相电压对称,第三线圈上的三相感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时,中性点出现位移,开口三角形的端子间就会出现零序电压,使继电器动作,从而对电力系统起保护作用。
三相交流电压的基本测量电路如图2-22所示。图2-22(a)所示为3只交流电压表直接并联接入三相电路,分别测量三相电压,这时各电压表的示数即为该相电路两点端电压有效值U。图2-22(b)所示为2只单相电压互感器TV接线的测量电路,接线中不允许二次侧线圈短路。为防止短路,保护电压互感器串入熔断器FU。
图2-22 三相交流电压测量电路
在测量三相交流电压时,配用互感器的电压表量程一般为100V,选择时根据被测电路电压等级和电压表自身量程合理配合使用。读数时,电压表表盘刻度值已按互感器比率折算出,可以直接读取。
中转站2——电压互感器的使用
(1) 电压互感器在投入运行前要按照规程规定的项目进行试验检查。例如,测极性、连接组别、摇绝缘、核相序等。
(2) 电压互感器的接线应保证其正确性,一次绕组和被测电路并联,二次绕组应和所接的测量仪表、继电保护装置或自动装置的电压线圈并联,同时要注意极性的正确性。
(3) 接在电压互感器二次侧负荷的容量应合适,接在电压互感器二次侧的负荷不应超过其额定容量,否则,会使互感器的误差增大,难以保证测量的正确性。
图2-23 电压互感器接线原理图
(4) 电压互感器二次侧不允许短路。由于电压互感器内阻很小,若二次回路短路,会出现很大的电流,将损坏二次设备甚至危及人身安全。电压互感器可以在二次侧装设熔断器以保护其自身不因二次侧短路而损坏。在可能的情况下,一次侧也应装设熔断器以保护高压电网不因互感器高压绕组或引线故障危及一次系统的安全。也就是说,电压互感器的一次侧和二次侧都不允许短路,因此在它的一次侧和二次侧都应装设熔断器。
(5) 为了确保人在接触测量仪表和继电器时的安全,电压互感器二次绕组必须有一点接地。因为接地后,当一次绕组和二次绕组间的绝缘损坏时,可以防止仪表和继电器出现高电压危及人身安全。
(6) 保证“同名端”同极性原则。安装时,应注意“A-a”为同名端,“N-n”为同名端,如图2-23所示。
指点迷津2——交流电压测量技巧
(1) 测量交流电压主要采用电磁式电压表。
(2) 电压表必须与被测电路并联,否则将会烧毁电压表。
(3) 测量600V以上的电压时,一般要配以电压互感器,降压后再测量。