對(duì)電壓的測(cè)量是工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的方面之一，比如：電能在生產(chǎn)、輸送、分配和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中，必須對(duì)電能質(zhì)量、各種電氣設(shè)備及電路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理，另外也通過(guò)對(duì)電壓狀態(tài)的監(jiān)視來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的控制和管理。

　　電壓的測(cè)量設(shè)備主要有：電磁式電壓互感器、霍爾電壓傳感器、分壓式電壓傳感器以及新型電壓傳感器。

一電磁式電壓互感器

　　電磁式電壓互感器的原理和變壓器是類(lèi)似的，由鐵芯、原邊線(xiàn)圈、副邊線(xiàn)圈組成，原邊并聯(lián)接入測(cè)量線(xiàn)路，當(dāng)原邊線(xiàn)圈上施加一次電壓U1時(shí)，副邊線(xiàn)圈會(huì)感應(yīng)出二次電壓U2。測(cè)量?jī)x表對(duì)二次電壓U2的測(cè)量，即可得到被測(cè)線(xiàn)路的電壓U1。

　　電壓互感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)原邊電壓的隔離測(cè)量，但是由于其基于變壓器的原理，存在著許多的明顯缺陷：

　　1、當(dāng)原邊需要測(cè)量高電壓時(shí)，電壓互感器的受到線(xiàn)圈的匝數(shù)以及鐵芯大小的制約，體積將會(huì)做得非常大。

　　2、電壓互感器存在電感線(xiàn)圈和鐵芯，所以其頻帶不寬，一般只能用于工頻50Hz或其它額定頻率測(cè)量，并且具有諧振、輸出端不能短路等問(wèn)題。

圖1 電壓互感器原理圖

二霍爾電壓傳感器

　　霍爾電壓傳感器主要包括初級(jí)線(xiàn)圈、磁環(huán)、次級(jí)線(xiàn)圈、放大電路及與初級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的限流電阻R。原邊電壓通過(guò)外置或內(nèi)置電阻，將電流限制在毫安級(jí)，此電流經(jīng)過(guò)多匝繞組之后，經(jīng)過(guò)磁環(huán)將原邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)被氣隙中的霍爾元件檢測(cè)到，并感應(yīng)出相應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)電路調(diào)整后反饋給補(bǔ)償線(xiàn)圈進(jìn)而補(bǔ)償，該補(bǔ)償線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流(被測(cè)電壓通過(guò)限流電阻產(chǎn)生)產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，從而在磁芯中保持磁通為零。霍爾電壓傳感器的原理如圖2所示。

圖2 霍爾電壓傳感器原理圖

　　霍爾電壓傳感器也存在著缺陷：測(cè)量電壓等級(jí)越高，傳感器的帶寬越窄。例如：某款6400V霍爾電壓傳感器的帶寬僅700Hz，當(dāng)用于變頻電量測(cè)量時(shí)，局限性非常大。

三分壓式電壓傳感器

　　分壓式電壓傳感器有電阻分壓式和電容分壓式，將初級(jí)電壓直接轉(zhuǎn)化為測(cè)量?jī)x表可用的低電壓信號(hào)。電阻分壓式由于沒(méi)有諧振問(wèn)題，性能優(yōu)于電容式分壓器。

　　電阻分壓式電壓傳感器與電磁式電壓互感器相比，沒(méi)有鐵芯磁飽和的缺點(diǎn)，并且允許短路。

　　分壓器由高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2組成，電壓信號(hào)在低壓側(cè)測(cè)量，為防止低壓部分出現(xiàn)過(guò)電壓，保護(hù)二次側(cè)測(cè)量裝置，必須在低壓電阻上加裝一個(gè)放電管或穩(wěn)壓管，使其放電電壓恰好略小于或等于低壓側(cè)允許的最大電壓。其中U1為高壓側(cè)輸入電壓，U2為低壓側(cè)輸出電壓，分壓器原理如圖3所示。

圖3 電阻分壓式電壓傳感器原理圖

　　電阻分壓式電壓傳感器的缺點(diǎn)：

　　1、對(duì)分壓電阻要求具有穩(wěn)定的溫度特性、較小的阻值誤差、高的耐壓值。

　　2、分壓器的高壓電阻與周?chē)牡仉娢晃矬w存在電勢(shì)差，會(huì)產(chǎn)生分壓器對(duì)地的雜散電容，造成誤差。需要對(duì)高壓端作相應(yīng)的屏蔽措施。

　　3、分壓測(cè)量模式，高壓側(cè)與低壓側(cè)沒(méi)有隔離，存在安全隱患，需要相應(yīng)的保護(hù)措施。

四新型數(shù)字式電壓傳感器

01光纖電壓傳感器

　　光纖電壓傳感器是基于電光效應(yīng)，在電場(chǎng)或電壓的作用下透過(guò)某些物質(zhì)(如電光晶體)的光會(huì)發(fā)生雙折射，而雙折射兩光波之間的相位差與外施電壓(即被測(cè)電壓)成正比，通過(guò)的鑒相器檢測(cè)光波相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外電壓的測(cè)量。原理如圖4所示。其中，1為光纖，2為起偏器，3為玻片，4為電光晶體，5為檢偏器。

圖4 光纖電壓傳感器原理圖

　　光功率的波動(dòng)、溫度的變化對(duì)測(cè)量都存在不同程度的影響;且傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所要求的工藝水平較高，長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性也是需要解決的問(wèn)題。

02組合式電壓電流傳感器

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了將電流、電壓傳感器集于一身的組合式電流電壓傳感器。組合式傳感器結(jié)合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、數(shù)字技術(shù)與光纖通信技術(shù)，同時(shí)采集電流、電壓信號(hào)，在傳感器內(nèi)部完成將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)光纖輸出。其中以銀河電氣SP系列變頻功率傳感器為代表。

圖5 SP變頻功率傳感器原理圖

　　SP變頻功率傳感器主要包括電壓敏感元件、電流敏感元件、一次轉(zhuǎn)換電路、隔離工作電源、光電轉(zhuǎn)換電路及光纖傳輸系統(tǒng)等構(gòu)成。電壓敏感元件及電流敏感元件接收來(lái)自一次線(xiàn)路的高電壓、大電流信號(hào)，變換為一次轉(zhuǎn)換電路可以接受的低電壓、小電流模擬信號(hào)，一次轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路通過(guò)光纖傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理及顯示單元通訊。

　　隨著變頻調(diào)速技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣，互感器已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)變頻電量的測(cè)量。相對(duì)于其它形式的電壓傳感器而言，SP變頻功率傳感器具有寬頻帶、交直流兩用、電磁兼容性強(qiáng)、隔離性能好、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為變頻電量計(jì)量的主要測(cè)量裝置。

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