電氣測量指示儀表的結構特點和技術特性

沈陽昭

湖南省益陽市沅江市魚類良種繁育場，湖南益陽，413100

0 引言

電氣測量指示儀表是一種用于測量、記錄、計量各種電學量的儀器，具體又可分為多種類型，是保障電力系統安全、可靠運行的重要工具。對于設備管理人員來說，熟練使用電氣測量指示儀表，并且能夠做到規范、準確讀數，可以為掌握電氣設備運行情況，或者是開展電氣設備的檢查、維修提供必要的參考。當然，由于工業環境的復雜性，電氣測量指示儀表在使用期間也容易受到各種因素的干擾，例如阻尼時間過長、功率消耗過大、絕緣強度不夠等。這些問題的存在除了直接影響測量讀數的準確性外，還有可能對測量人員的安全構成威脅。因此，了解電氣測量指示儀表的結構特點和技術特性，才能使檢測工作安全、高效地開展。

1 電氣測量指示儀表的功能分類和指標要求

1.1 功能分類

電氣測量指示儀表可以將被測對象的電氣參數轉變成指針的機械位移，然后根據指針在標度尺上指示的數值，快捷、準確地讀出被測對象的電壓、電流、功率等指標。電氣測量指示儀表具有操作簡便、結構簡單、體積小巧、測量范圍較廣等一系列特點，在電力系統中有著重要的應用。根據不同的分類標準，可以將電氣測量指示儀表分為若干類型。例如，根據被測電流的種類不同，大體可以分為交流儀表、直流儀表2大類型；根據結構特征的不同，則可以分為數字儀表、模擬指示儀表等類型；根據測量對象不同，又可以分為電流表、電壓表、功率因數表以及萬用表等。除此之外，像一些試驗用的儀器儀表（如接地電阻測量儀、諧波分析儀等），也可以看作是電氣測量指示儀表。

1.2 指標要求

為保證電氣測量結果精確，對于電氣測量指示儀表提出了以下要求。①準確度方面，用于發電機、調相機等設備測量的交流儀表應≥2.5級，用于其他常用工業設備或電氣線路上的交流儀表應≥3.0級，直流儀表應≥1.5級。②所有與儀表相連的分流器、附加電阻以及互感器等電氣設備，其準確度等級均應≥0.5級。個別僅需要測量電流和電壓的儀表，則需要準確度等級≥2.5級[1]。對于主要回路，需要使用不低于3.0級的電流互感器，對于其他非主要回路，可使用不低于2.5級的電流互感器。③在互感器和電氣測量指示儀表的量程方面，需要保證電力設備（如發電機、變壓器等）在實際運行期間，儀表指示在標度尺工作部分最大量程的2/3以上，同時在出現超負荷運行情況后，指針應當有所表示。④如果某些回路上安裝了變壓器、異步電動機，考慮到回路通電以后可能會出現短時大額沖擊電流，為避免大電流對測量儀表造成損害，應當在該回路中加裝有超負荷標度的電流表。⑤如果存在有可能出現2個方向電流的直流回路，或者兩個方向功率的交流回路，都應當在該回路中安裝具有雙向標度的電流表或功率表。⑥對于所有額定電壓在500V以下的直流回路，既可以直接接入電氣測量指示儀表，也可以先連接一個分路器，然后再接入電氣測量指示儀表。

2 電氣測量指示儀表的結構特點

電氣測量指示儀表雖然類型多樣，但是其內部結構組成較為類似，總體上來說都包括測量機構和測量路線兩部分。其中，測量路線的作用是將被測量對象的電流、電壓、功率等基本參數，轉換成測量機構的參數，然后測量機構再將電氣參數轉化成為機械參數，并以指針的機械位移進行直觀表示。這樣一來，測量人員就可以根據指針的偏轉角以及最終的指示位置，讀出被測對象的電壓、電流或功率值。電氣測量指示儀表的測量結構主要功能有3個，即產生阻尼力矩、產生轉動力矩和產生反作用力矩。

2.1 阻尼力矩

阻尼力矩的作用是使電氣測量指示儀表的可動部分（如指針）能夠快速靜止，方便進行快速讀數。在電氣測量中，由于作用力矩和反作用力矩相互影響，使得儀表通電以后指針來回擺動，無法立刻、精確地指示在最終的位置。這種情況下需要在儀表中增加一個阻尼裝置，當儀表指針向某個方向擺動時，阻尼裝置可提供一個與擺動方向正好相反的力矩，即阻尼力矩[2]。這樣指針只需要擺動幾次就可靜止下來，指示到最終的位置，從而方便工作人員進行快速、準確讀數。需要注意的是，阻尼力矩本質上屬于一種動態力矩，當儀表指針完全靜止后，阻尼力矩就消失了。由此可見，阻尼力矩并不會對轉矩和反作用力矩所確定的偏轉角造成影響。

2.2 轉動力矩

在電氣測量指示儀表使用中，要想使指針偏轉，必須要提供一個轉動力矩，將儀表提供的電能轉化成為機械能，然后推動指針擺動。不同材料對轉動力矩的影響存在差異，例如電磁雷儀表的轉矩是由永久磁鐵產生的磁場與通電之后可動線圈固定電磁施加電壓后形成電場力產生的。

2.3 反作用力矩

反作用力矩和轉動力矩屬于一對相對作用力。電氣測量指示儀表通電以后，指針首先從左側起始位向右擺動，達到最大擺動幅度后再回擺。如果電氣測量指示儀表的測量裝置只有轉動力矩，就會出現指針一直來回擺動的情況，要想停止只能依靠摩擦力，這種情況會導致讀數效率不高、讀數精度較差[3]。反作用力矩的作用是提供一個與指針擺動方向相反的力矩，從而能夠讓擺動的指針盡快停下來，以便于提高讀數效率和讀數精度。

3 電氣測量指示儀表的技術特性

電氣測量指示儀表的測量精度會受到多種因素的影響，技術人員只有了解儀表技術特性，才能在指示儀表出現測量誤差或者使用故障后，準確判斷導致誤差或故障的具體因素，進而為儀表修理提供依據。結合電氣測量指示儀表的結構組成與測量原理，其核心技術指標包括阻尼時間、功率消耗、絕緣強度、過載能力等。

3.1 阻尼時間

阻尼時間是指從儀表接入被測電路開始，一直到指針穩定居中、左右擺動幅度不超過標度尺全長1%所花費的時間。阻尼時間直接決定了電氣測量指示儀表的讀數速度，兩者成正比關系，即阻尼時間越短，讀數越快。影響阻尼時間的因素有多種，例如儀器磨損情況、電氣測量環境等。其中，儀表指針長度是影響阻尼時間的關鍵因素，指針越長的情況下，擺動時的慣性越大，這時阻尼元件的效果變差，因此阻尼時間也會隨之增加。通常來說，普通電氣測量指示儀表的阻尼時間少于4s，精度較高的儀器阻尼時間應不超過1.5s。

3.2 讀數裝置

電氣測量指示儀表的標尺分度要盡可能均勻、一致，減小讀數誤差。如果有不均勻的標尺，需要將讀數的起始點明確標出，方便讀數。通常情況下，標尺的讀數范圍不會超過標尺全長的90%。電氣測量指示儀表的指針以刀型結構最為常見，同時標尺上附有鏡面，其作用是在讀數時可以使讀數人員的眼睛、指針，以及其他在鏡面中的像，做到三點一線，從而提高讀數結果的準確性。

3.3 功率消耗

電氣測量指示儀表在實際工作時需要消耗一定的電功率才能產生轉動力矩。儀表通電之后，由于存在電流熱效應，使得一部分電能轉化成了熱能，并使得電器元件和線路發熱。當溫度升高較為明顯時，會引起測量誤差。特別是測量小功率電路時，如果電氣測量指示儀表的功率消耗較大，除了導致測量結果不準，還會對電路工作狀態產生干擾[4]。當然，儀表功率也不能太低，否則會出現測量中指針不擺動，或者擺動無力的情況，導致測量結果低于實際情況。隨著電氣測量指示儀表使用年限的增加，由于零件老化程度加劇，在使用期間也會出現一定程度的功率消耗增加情況。因此，在使用儀表進行電氣測量時，理想狀態應該是保證儀表具有較高靈敏度與準確度的前提下，盡可能地降低其功率消耗，從而使其能夠適用于更多的電氣測量場景。

3.4 絕緣強度

絕緣強度是指電氣測量指示儀表的外殼與內部電氣線路之間的絕緣水平。絕緣強度越高的情況下，不僅能削弱外部電磁場或機械振動等因素產生的干擾，而且還能防止漏電，對保護測量人員的安全也有積極幫助。因此，電氣測量指示儀表在生產制造時必須要保證具有一定的電氣絕緣強度。根據相關標準，電氣測量指示儀表的工作電壓≤650V的，在電壓為2kV、頻率為50Hz的正弦交流電下，至少正常工作1min；工作電壓＞650V的，需要在2.5kV、頻率為50Hz的正弦交流電下，至少正常工作1min。對于一些比較老舊的測量儀表，技術人員應定期進行絕緣強度測量，如果該儀表絕緣強度明顯小于出廠標準，應當停止使用，以便于保障測量精度和個人安全。另外，在電氣測量指示儀表的面板上應使用紅色或黑色標記絕緣強度等級。

3.5 過載能力

電氣測量指示儀表在實際應用時，被測對象的電壓、電流等指標存在不確定性，有時會實際電壓、電流會明顯超出儀表的最大指示范圍，這時儀表會因為過載而受到不同程度的損壞。其中，電氣測量指示儀表受到緩慢增大的負載，直到該負載超過額定值，并且維持一段時間的現象，稱之為延時過載。如果儀表質量較差，或者是儀表使用年限過長，在出現延時過載情況后都有可能導致其內部元件被破壞。除了延時過載外，短時過載在電氣測量指示儀表實際應用中更為常見[5]。儀表的兩個測量線夾在分別連接被測對象的正負極后，由于被測對象的電流、電壓過大，在電路接通的一瞬間大電流、大電壓沖擊導致儀表損壞。除了電器元件可能會出現短路、燒壞外，指針高速擺動并碰撞擋板也有可能造成指針彎曲，出現機械故障。由于實際測量中過載情況比較常見，因此在電氣測量指示儀表的設計中需要具備一定的過載能力，確保在一定次數的過載測量中可以保證儀表不會損壞。

3.6 基本誤差

在電氣測量中，儀表測量結果均為被測量值的近似值。電氣測量指示儀表精度越高，則測量值與實際值之間的誤差越小，即測量精度越高。所謂基本誤差，就是電氣測量指示儀表固有的誤差，儀表本身沒有質量缺陷，測量環境為正常環境，并且測量操作沒有違規，在這種情況下出現的誤差即為基本誤差?；菊`差以百分數形式表示，其計算方法為：基本誤差=（儀表指示值-實際值）/測量上限值×100%。

實際測量中出現基本誤差的原因有多方面，例如測量技術路線不合理，或者被測對象結構不穩定等。

3.7 附加誤差

附加誤差也是電氣測量指示儀表在應用過程中常見的一類情況，它是由外界因素干擾而引起的，結合測量環境總結引起附加誤差的原因如下。①環境溫度，不同型號、不同質量的電氣測量指示儀表，其工作溫度范圍存在一定差異，通常來說在10～40℃環境下附加誤差較小，而低溫或高溫環境下，儀表附加誤差將會明顯增加[6]。②電磁場，外部磁場、電場都會對電氣測量指示儀表的測量精度產生影響，并且場強越強的情況下，附加誤差也會越大。③電壓的波動變化，電路中電壓不穩，也會因為電壓波動而產生附加誤差。相比于基本誤差，附加誤差在多數情況下都可以避免，這就需要技術人員要了解電氣測量指示儀表的技術特性，選擇合適條件或者采取控制措施，營造良好的測量環境，從而降低附加誤差。

4 結語

電氣測量指示儀表作為電力系統日常維護與故障檢修中常用的工具之一，了解其結構特點和技術特性，在此基礎上做到科學使用、規范操作，才能發揮儀表儀器的實用功能。通過分析來看，阻尼時間、功率消耗、絕緣強度等幾項技術特性是決定電氣測量指示儀表使用效果的主要技術指標，需要引起測量人員的特別注意。如果在實際的電氣測量中發現有儀表指針擺動幅度過大、擺動次數過多、誤差較大等情況，應及時進行修理或更換，從而保證電氣測量的精度。