1、電流的測量電流的測量 高琦 2011年9月28日 1a教類 常用的測電流工具常用的測電流工具 指針式電流表 數(shù)字萬用表 鉗形表 示波器 2a教類 指針式電流表指針式電流表 原理：應(yīng)用磁電原理工作，驅(qū)動指針運動， 依靠指針在面板上停留位置來顯示的度數(shù)的 電流表。 使用方法： (1)使用前應(yīng)先檢查指針是否指零。 (2)必須要把電流表串聯(lián)在電路中。 (3)要使電流從標(biāo)有“+” 接線柱流入電流表, 從標(biāo)有“”的接線柱流出電流表。 (4)不允許把電流表直接接到電源的兩極。 (5) 被測電流的大小不能超過電流表的量程。 3a教類 數(shù)字萬用表數(shù)字萬用表 原理：在直流數(shù)字電壓表DVM的基礎(chǔ)上增加了一 些轉(zhuǎn)換器

2、而構(gòu)成。在測量時先把被測量通過不同 的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后再用數(shù)字電壓表 進(jìn)行電壓測量，從而得到被測量的數(shù)值. 使用方法： （1）熟悉面板上各開關(guān)、按鍵、插孔、旋鈕等功 能及操作方法。 （2）DMM在開始測量時會出現(xiàn)跳數(shù)現(xiàn)象，應(yīng)等顯 示值穩(wěn)定后再讀數(shù)，否則會有誤差。 （3）在測量時，紅表筆接“V、”插孔，帶正電 ；黑表筆接“COM”插孔，帶負(fù)電。 （4）使用時一般手握表筆操作，手不要接觸表筆的 金屬部分，以保證安全和測量準(zhǔn)確。 （5）每次使用完儀表應(yīng)將開關(guān)拔到“OFF”位置。 4a教類 鉗形表鉗形表 原理：鉗形表(鉗表)，是集電流互感器與電流表于一身的儀 表，其工作原理與電流互感器測電流

3、是一樣的。電流互感器 的鐵心在捏緊扳手時可以張開；被測電流所通過的導(dǎo)線可以 不必切斷就可穿過鐵心張開的缺口，當(dāng)放開扳手后鐵心閉合 ，穿過鐵心的被測電路導(dǎo)線就成為電流互感器的一次線圈， 其中通過電流便在二次線圈中感應(yīng)出電流。從而使二次線圈 相連接的電流表便有指示-測出被測線路的電流。 使用方法: （1）測量前要機械調(diào)零 （2）選擇合適的量程，先選大，后選小量程或看銘牌值估算。 （3）當(dāng)使用最小量程測量，其讀數(shù)還不明顯時，可將被測導(dǎo)線 繞幾匝，匝數(shù)要以鉗口中央的匝數(shù)為準(zhǔn)。 （4）測量完畢，要將轉(zhuǎn)換開關(guān)放在最大量程處。 （5）測量時，應(yīng)使被測導(dǎo)線處在鉗口的中央，并使鉗口閉合緊 密，以減少誤差。 5a

4、教類 示波器示波器 原理：示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子 束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的 光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆 的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的 變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨 時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的 電量。 使用方法：示波器測量時是屬于電壓測量法，它測 量是類似于電壓表，并具有較高的輸入電阻，它是 不能串聯(lián)在電路中進(jìn)行測量的。所以示波器測量電 路中電流時，根據(jù)不影響電路工作的前提下，一般 是在電路中串聯(lián)一個小電阻，（比如：1 歐姆）然 后測量這個電阻上的壓降，便可換算出電流。這個 1 歐姆的電阻我們

5、就稱呼它叫“取樣電阻”。 6a教類 可用于測電流的傳感器可用于測電流的傳感器 （1）電流互感器 （2）霍爾傳感器 （3）采樣電阻 （4）光纖電流傳感器 7a教類 電流互感器電流互感器 原理:電流互感器原理是依據(jù)電磁感應(yīng)原理的。電流 互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次繞組 匝數(shù)很少，串在需要測量的電流的線路中，因此它 經(jīng)常有線路的全部電流流過，二次繞組匝數(shù)比較多 ，串接在測量儀表和保護(hù)回路中，電流互感器在工 作時，它的2次回路始終是閉合的，因此測量儀表和 保護(hù)回路串聯(lián)線圈的阻抗很小，電流互感器的工作 狀態(tài)接近短路。 作用:電流互感器的作用是可以把數(shù)值較大的一次電 流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值

6、較小的二次電流，用 來進(jìn)行保護(hù)、測量等用途。如變比為400/5的電流互 感器，可以把實際為400A的電流轉(zhuǎn)變?yōu)?A的電流. 8a教類 接線方法： 1）電流互感器的接線應(yīng)遵守串聯(lián)原則：即一次繞阻應(yīng)與被測電路串 聯(lián)，而二次繞阻則與所有儀表負(fù)載電流互感器串聯(lián)。 2）按被測電流大小，選擇合適的變化，否則誤差將增大。同時，二 次側(cè)一端必須接地，以防絕緣一旦損壞時，一次側(cè)高壓竄入二次低壓 側(cè)，造成人身和設(shè)備事故。 3）二次側(cè)絕對不允許開路，因一旦開路，一次側(cè)電流I1全部成為磁 化電流，引起m和E2驟增，造成鐵心過度飽和磁化，發(fā)熱嚴(yán)重乃至 燒毀線圈；同時，磁路過度飽和磁化后，使誤差增大。電流互感器在 正常工

7、作時，二次側(cè)近似于短路，若突然使其開路，則勵磁電動勢由 數(shù)值很小的值驟變?yōu)楹艽蟮闹担F芯中的磁通呈現(xiàn)嚴(yán)重飽和的平頂波 ，因此二次側(cè)繞組將在磁通過零時感應(yīng)出很高的尖頂波，其值可達(dá)到 數(shù)千甚至上萬伏，危機工作人員的安全及儀表的絕緣性能。 4）電流互感器的接線方式按其所接負(fù)載的運行要求確定。最常用的 接線方式為單相，三相星形和不完全星形 9a教類 電流互感器的分類 （1）測量用電流互感器 原理：在測量交變電流的大電流時，為便于二次 儀表測量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流（我國規(guī)定 電流互感器的二次額定為5A或1A），另外線路上 的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流 互感器就起到變流和電氣隔離作用。

8、它是電力系 統(tǒng)中測量儀表、繼電保護(hù)等二次設(shè)備獲取電氣一 次回路電流信息的傳感器，電流互感器將高電流 按比例轉(zhuǎn)換成低電流，電流互感器一次側(cè)接在一 次系統(tǒng)，二次側(cè)接測量儀表、繼電保護(hù)等。 測量方法：電流互感器1次側(cè)只有1到幾匝，導(dǎo)線 截面積大，串入被測電路。2次側(cè)匝數(shù)多,導(dǎo)線細(xì) ，與阻抗較小的儀表(電流表/功率表的電流線圈) 構(gòu)成閉路。電流互感器的運行情況相當(dāng)于2次側(cè)短 路的變壓器，忽略勵磁電流，I1N1=I2N2。電流互 感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫 實際電流比I1/I2=N2/N1=k。 10a教類 （2）保護(hù)用電流互感器 保護(hù)用電流互感器主要與繼電裝置配 合，在線路發(fā)生短路

9、過載等故障時， 向繼電裝置提供信號切斷故障電路， 以保護(hù)供電系統(tǒng)的安全。保護(hù)用微型 電流互感器的工作條件與測量用互感 器完全不同，保護(hù)用互感器只是在比 正常電流大幾倍幾十倍的電流時才開 始有效的工作。 保護(hù)用互感器主要要求： 1.絕緣可靠。 2.足夠大的準(zhǔn)確限值系數(shù)。 3.足夠的熱穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性。 11a教類 使用注意事項 電流互感器運行時，副邊不允許開路。因為一旦開路，原 邊電流均成為勵磁電流，使磁通和副邊電壓大大超過正常 值而危及人身和設(shè)備安全。因此，電流互感器副邊回路中 不許接熔斷器，也不允許在運行時未經(jīng)旁路就拆下電流表 、繼電器等設(shè)備。 12a教類 霍爾傳感器霍爾傳感器 1.工作原理

10、：霍爾傳感器是根據(jù) 霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感 器。 2.霍爾效應(yīng)：在導(dǎo)體上外加與電 流方向垂直的磁場，會使得導(dǎo) 線中的電子與空穴受到不同方 向的洛倫茲力而往不同方向上 聚集，在聚集起來的電子與電 洞之間會產(chǎn)生電場，此一電場 將會使后來的電子空穴受到電 力作用而平衡掉磁場造成的洛 倫茲力，使得后來的電子電洞 能順利通過 不會偏移，此稱為 霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓 稱為霍爾電壓。 13a教類 霍爾電勢UH 霍爾系數(shù) 靈敏度系數(shù) 電流與磁場的夾角 結(jié)論： (1)霍爾電勢與I、B成正比 ； （2）靈敏度與電荷密度成 正比、與材料厚度成反比. cos HH UK IB 1 () H Rne / HH

11、 KRd 14a教類 3.霍爾元件： 霍爾元件具有霍爾效應(yīng)的元件 結(jié)構(gòu)與電路符號： 4/5引腳單片封裝，電路符號 電器特性： 霍爾電勢電流特性UH-I：線性； 霍爾電勢磁場特性UH-I ：B0.5T時線性較好； 輸/入出電阻磁場特性R-B：磁場增加，內(nèi)阻增大. 使霍爾電勢降低. 15a教類 4.霍爾電流傳感器 測量原理：原理：當(dāng)電流流過一根長的 直導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生 磁場，磁場的大小與流過導(dǎo) 線的電流大小成正比，這一 磁場可以通過軟磁材料來聚 集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢 測，由于磁場的變化與霍爾 器件的輸出電壓信號有良好 的線形關(guān)系，因此可利用霍爾器件的測得的輸出信號， 直接反應(yīng)出導(dǎo)線中的電

12、流大小： I B VH 式中：B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度；I為通過導(dǎo)線 中的電流；VH為霍爾器件在磁場B中產(chǎn)生的霍爾電壓。當(dāng) 選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可以表示為等式。 對于霍爾輸出電壓信號VH的處理，人們設(shè)計了許多種電路 ，但總體來講可分為兩類，一類為開環(huán)霍爾電流傳感器； 另一類為閉環(huán)霍爾電流傳感器。 16a教類 霍爾電流傳感器的分類： （1）開環(huán)霍爾電流傳感器 原理：載流導(dǎo)線被夾持在電流 傳感器的鐵芯中，導(dǎo)線上的電流 越大，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B 也越 大，霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢與 被測導(dǎo)線中的電流成正比。直流 和交流電流均可產(chǎn)生霍爾電勢， 所以霍爾電流傳感器有取代電流互感器的趨勢。在

13、霍爾電流傳感器中， N P被定義為“一次測線圈”的匝數(shù)，一般取N P=1；NS為廠家所設(shè)定的 “二次側(cè)線圈的匝數(shù)”。因此有： 依據(jù)霍爾電流傳感器的額定技術(shù)參數(shù)和輸出電流IS就可以計算得到被測 電流 。 P S S P I I N N 17a教類 將霍爾元件的輸出電壓用運算放大器直接信號放大，得 到所需要的信號電壓，由此電壓值來標(biāo)定原邊被測電流大 小。 開環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)缺點 優(yōu)點：電路形式簡單； 成本相對較低； 缺點：精度、線性度較差； 響應(yīng)時間較慢； 溫度漂移較大。 18a教類 （2）閉環(huán)霍爾傳感器 原理：閉環(huán)霍爾電流 傳感器的工作原理是磁平衡 式的，即原邊電流（IN）所 產(chǎn)生的磁場，通過一

14、個副邊 線圈的電流（IM）所產(chǎn)生的 磁場進(jìn)行補償，使霍爾器件 始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補償電流產(chǎn)生的 磁場在磁芯中達(dá)到平衡時： NIN= nIM 式中：N為原邊線圈的匝數(shù)；IN為原邊電流；n為副邊線圈的 匝數(shù);IM為副邊補償電流。 由上式看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時，通 過測量副邊補償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的 值，從而實現(xiàn)了原邊電流的隔離測量。 19a教類 采樣電阻采樣電阻 如圖為一電流控制系統(tǒng)原理圖 ， 即為采樣電阻. 根據(jù)歐盟定律 ，即可求得該點電流值。 S R / s IU R 采樣電阻一般使用的 都是精密電阻，阻值 低，精密度高，一般 在阻值精密

15、度在1% 以內(nèi) ，更高要求的用途時 會采用0.01%精度的電 阻。 20a教類 （1）采樣電阻工作原理： 采樣電阻又稱為電流感應(yīng)電阻，電 流檢測電阻。用簡單的話描述就是 一個阻值較小的電阻，串聯(lián)在電路 中用于把電流轉(zhuǎn)換為電壓信號進(jìn)行 測量。取樣電阻功能上就是做為參 考，通常用在反饋電路里，以穩(wěn)壓 電源電路為例，為使輸出的電壓保 持恒定狀態(tài)，要從輸出電壓取一部 分電壓做參考。一般使用在電源產(chǎn) 品，或者電子，數(shù)碼，機電產(chǎn)品的 電源部分，功能強大。在眾多電子 產(chǎn)品上均常看到取樣電阻。 （2） 采樣電阻的優(yōu)缺點： 電阻采樣必須將電阻接到被測回路 中，不管電阻多小對回路總有些微 影響，但取溫飄、噪聲系數(shù)

16、小的電 阻后，再仔細(xì)設(shè)計電路可以得到相 當(dāng)高的精準(zhǔn)度。 21a教類 光纖傳感器光纖傳感器 （1）產(chǎn)生背景： 輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其準(zhǔn)確性關(guān)系 到電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。隨著電網(wǎng)運行等級的提高，對輸電線 路的各項參數(shù)測量變得尤為重要，其中輸電線路的傳輸電 流大小是關(guān)注的重點，因為傳 統(tǒng)的基于電磁原理的電流 互感器已經(jīng)不能滿足實際測量的需要。因此，針對輸電線 路傳輸電流，提出一種基于電流熱效應(yīng)和光纖熒光測量技 術(shù)的測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對5001 000 A以上的大電流的在線 測量和分析。即光纖傳感器。 （2） 原理： 光纖電流互感器檢測系統(tǒng)按電壓等級分為兩個部分， 高壓側(cè)和低壓側(cè)。高壓側(cè)主要通過羅