电气测量指示仪表的结构特点和技术特性

沈阳昭

湖南省益阳市沅江市鱼类良种繁育场，湖南益阳，413100

0 引言

电气测量指示仪表是一种用于测量、记录、计量各种电学量的仪器，具体又可分为多种类型，是保障电力系统安全、可靠运行的重要工具。对于设备管理人员来说，熟练使用电气测量指示仪表，并且能够做到规范、准确读数，可以为掌握电气设备运行情况，或者是开展电气设备的检查、维修提供必要的参考。当然，由于工业环境的复杂性，电气测量指示仪表在使用期间也容易受到各种因素的干扰，例如阻尼时间过长、功率消耗过大、绝缘强度不够等。这些问题的存在除了直接影响测量读数的准确性外，还有可能对测量人员的安全构成威胁。因此，了解电气测量指示仪表的结构特点和技术特性，才能使检测工作安全、高效地开展。

1 电气测量指示仪表的功能分类和指标要求

1.1 功能分类

电气测量指示仪表可以将被测对象的电气参数转变成指针的机械位移，然后根据指针在标度尺上指示的数值，快捷、准确地读出被测对象的电压、电流、功率等指标。电气测量指示仪表具有操作简便、结构简单、体积小巧、测量范围较广等一系列特点，在电力系统中有着重要的应用。根据不同的分类标准，可以将电气测量指示仪表分为若干类型。例如，根据被测电流的种类不同，大体可以分为交流仪表、直流仪表2大类型；根据结构特征的不同，则可以分为数字仪表、模拟指示仪表等类型；根据测量对象不同，又可以分为电流表、电压表、功率因数表以及万用表等。除此之外，像一些试验用的仪器仪表（如接地电阻测量仪、谐波分析仪等），也可以看作是电气测量指示仪表。

1.2 指标要求

为保证电气测量结果精确，对于电气测量指示仪表提出了以下要求。①准确度方面，用于发电机、调相机等设备测量的交流仪表应≥2.5级，用于其他常用工业设备或电气线路上的交流仪表应≥3.0级，直流仪表应≥1.5级。②所有与仪表相连的分流器、附加电阻以及互感器等电气设备，其准确度等级均应≥0.5级。个别仅需要测量电流和电压的仪表，则需要准确度等级≥2.5级[1]。对于主要回路，需要使用不低于3.0级的电流互感器，对于其他非主要回路，可使用不低于2.5级的电流互感器。③在互感器和电气测量指示仪表的量程方面，需要保证电力设备（如发电机、变压器等）在实际运行期间，仪表指示在标度尺工作部分最大量程的2/3以上，同时在出现超负荷运行情况后，指针应当有所表示。④如果某些回路上安装了变压器、异步电动机，考虑到回路通电以后可能会出现短时大额冲击电流，为避免大电流对测量仪表造成损害，应当在该回路中加装有超负荷标度的电流表。⑤如果存在有可能出现2个方向电流的直流回路，或者两个方向功率的交流回路，都应当在该回路中安装具有双向标度的电流表或功率表。⑥对于所有额定电压在500V以下的直流回路，既可以直接接入电气测量指示仪表，也可以先连接一个分路器，然后再接入电气测量指示仪表。

2 电气测量指示仪表的结构特点

电气测量指示仪表虽然类型多样，但是其内部结构组成较为类似，总体上来说都包括测量机构和测量路线两部分。其中，测量路线的作用是将被测量对象的电流、电压、功率等基本参数，转换成测量机构的参数，然后测量机构再将电气参数转化成为机械参数，并以指针的机械位移进行直观表示。这样一来，测量人员就可以根据指针的偏转角以及最终的指示位置，读出被测对象的电压、电流或功率值。电气测量指示仪表的测量结构主要功能有3个，即产生阻尼力矩、产生转动力矩和产生反作用力矩。

2.1 阻尼力矩

阻尼力矩的作用是使电气测量指示仪表的可动部分（如指针）能够快速静止，方便进行快速读数。在电气测量中，由于作用力矩和反作用力矩相互影响，使得仪表通电以后指针来回摆动，无法立刻、精确地指示在最终的位置。这种情况下需要在仪表中增加一个阻尼装置，当仪表指针向某个方向摆动时，阻尼装置可提供一个与摆动方向正好相反的力矩，即阻尼力矩[2]。这样指针只需要摆动几次就可静止下来，指示到最终的位置，从而方便工作人员进行快速、准确读数。需要注意的是，阻尼力矩本质上属于一种动态力矩，当仪表指针完全静止后，阻尼力矩就消失了。由此可见，阻尼力矩并不会对转矩和反作用力矩所确定的偏转角造成影响。

2.2 转动力矩

在电气测量指示仪表使用中，要想使指针偏转，必须要提供一个转动力矩，将仪表提供的电能转化成为机械能，然后推动指针摆动。不同材料对转动力矩的影响存在差异，例如电磁雷仪表的转矩是由永久磁铁产生的磁场与通电之后可动线圈固定电磁施加电压后形成电场力产生的。

2.3 反作用力矩

反作用力矩和转动力矩属于一对相对作用力。电气测量指示仪表通电以后，指针首先从左侧起始位向右摆动，达到最大摆动幅度后再回摆。如果电气测量指示仪表的测量装置只有转动力矩，就会出现指针一直来回摆动的情况，要想停止只能依靠摩擦力，这种情况会导致读数效率不高、读数精度较差[3]。反作用力矩的作用是提供一个与指针摆动方向相反的力矩，从而能够让摆动的指针尽快停下来，以便于提高读数效率和读数精度。

3 电气测量指示仪表的技术特性

电气测量指示仪表的测量精度会受到多种因素的影响，技术人员只有了解仪表技术特性，才能在指示仪表出现测量误差或者使用故障后，准确判断导致误差或故障的具体因素，进而为仪表修理提供依据。结合电气测量指示仪表的结构组成与测量原理，其核心技术指标包括阻尼时间、功率消耗、绝缘强度、过载能力等。

3.1 阻尼时间

阻尼时间是指从仪表接入被测电路开始，一直到指针稳定居中、左右摆动幅度不超过标度尺全长1%所花费的时间。阻尼时间直接决定了电气测量指示仪表的读数速度，两者成正比关系，即阻尼时间越短，读数越快。影响阻尼时间的因素有多种，例如仪器磨损情况、电气测量环境等。其中，仪表指针长度是影响阻尼时间的关键因素，指针越长的情况下，摆动时的惯性越大，这时阻尼元件的效果变差，因此阻尼时间也会随之增加。通常来说，普通电气测量指示仪表的阻尼时间少于4s，精度较高的仪器阻尼时间应不超过1.5s。

3.2 读数装置

电气测量指示仪表的标尺分度要尽可能均匀、一致，减小读数误差。如果有不均匀的标尺，需要将读数的起始点明确标出，方便读数。通常情况下，标尺的读数范围不会超过标尺全长的90%。电气测量指示仪表的指针以刀型结构最为常见，同时标尺上附有镜面，其作用是在读数时可以使读数人员的眼睛、指针，以及其他在镜面中的像，做到三点一线，从而提高读数结果的准确性。

3.3 功率消耗

电气测量指示仪表在实际工作时需要消耗一定的电功率才能产生转动力矩。仪表通电之后，由于存在电流热效应，使得一部分电能转化成了热能，并使得电器元件和线路发热。当温度升高较为明显时，会引起测量误差。特别是测量小功率电路时，如果电气测量指示仪表的功率消耗较大，除了导致测量结果不准，还会对电路工作状态产生干扰[4]。当然，仪表功率也不能太低，否则会出现测量中指针不摆动，或者摆动无力的情况，导致测量结果低于实际情况。随着电气测量指示仪表使用年限的增加，由于零件老化程度加剧，在使用期间也会出现一定程度的功率消耗增加情况。因此，在使用仪表进行电气测量时，理想状态应该是保证仪表具有较高灵敏度与准确度的前提下，尽可能地降低其功率消耗，从而使其能够适用于更多的电气测量场景。

3.4 绝缘强度

绝缘强度是指电气测量指示仪表的外壳与内部电气线路之间的绝缘水平。绝缘强度越高的情况下，不仅能削弱外部电磁场或机械振动等因素产生的干扰，而且还能防止漏电，对保护测量人员的安全也有积极帮助。因此，电气测量指示仪表在生产制造时必须要保证具有一定的电气绝缘强度。根据相关标准，电气测量指示仪表的工作电压≤650V的，在电压为2kV、频率为50Hz的正弦交流电下，至少正常工作1min；工作电压＞650V的，需要在2.5kV、频率为50Hz的正弦交流电下，至少正常工作1min。对于一些比较老旧的测量仪表，技术人员应定期进行绝缘强度测量，如果该仪表绝缘强度明显小于出厂标准，应当停止使用，以便于保障测量精度和个人安全。另外，在电气测量指示仪表的面板上应使用红色或黑色标记绝缘强度等级。

3.5 过载能力

电气测量指示仪表在实际应用时，被测对象的电压、电流等指标存在不确定性，有时会实际电压、电流会明显超出仪表的最大指示范围，这时仪表会因为过载而受到不同程度的损坏。其中，电气测量指示仪表受到缓慢增大的负载，直到该负载超过额定值，并且维持一段时间的现象，称之为延时过载。如果仪表质量较差，或者是仪表使用年限过长，在出现延时过载情况后都有可能导致其内部元件被破坏。除了延时过载外，短时过载在电气测量指示仪表实际应用中更为常见[5]。仪表的两个测量线夹在分别连接被测对象的正负极后，由于被测对象的电流、电压过大，在电路接通的一瞬间大电流、大电压冲击导致仪表损坏。除了电器元件可能会出现短路、烧坏外，指针高速摆动并碰撞挡板也有可能造成指针弯曲，出现机械故障。由于实际测量中过载情况比较常见，因此在电气测量指示仪表的设计中需要具备一定的过载能力，确保在一定次数的过载测量中可以保证仪表不会损坏。

3.6 基本误差

在电气测量中，仪表测量结果均为被测量值的近似值。电气测量指示仪表精度越高，则测量值与实际值之间的误差越小，即测量精度越高。所谓基本误差，就是电气测量指示仪表固有的误差，仪表本身没有质量缺陷，测量环境为正常环境，并且测量操作没有违规，在这种情况下出现的误差即为基本误差。基本误差以百分数形式表示，其计算方法为：基本误差=（仪表指示值-实际值）/测量上限值×100%。

实际测量中出现基本误差的原因有多方面，例如测量技术路线不合理，或者被测对象结构不稳定等。

3.7 附加误差

附加误差也是电气测量指示仪表在应用过程中常见的一类情况，它是由外界因素干扰而引起的，结合测量环境总结引起附加误差的原因如下。①环境温度，不同型号、不同质量的电气测量指示仪表，其工作温度范围存在一定差异，通常来说在10～40℃环境下附加误差较小，而低温或高温环境下，仪表附加误差将会明显增加[6]。②电磁场，外部磁场、电场都会对电气测量指示仪表的测量精度产生影响，并且场强越强的情况下，附加误差也会越大。③电压的波动变化，电路中电压不稳，也会因为电压波动而产生附加误差。相比于基本误差，附加误差在多数情况下都可以避免，这就需要技术人员要了解电气测量指示仪表的技术特性，选择合适条件或者采取控制措施，营造良好的测量环境，从而降低附加误差。

4 结语

电气测量指示仪表作为电力系统日常维护与故障检修中常用的工具之一，了解其结构特点和技术特性，在此基础上做到科学使用、规范操作，才能发挥仪表仪器的实用功能。通过分析来看，阻尼时间、功率消耗、绝缘强度等几项技术特性是决定电气测量指示仪表使用效果的主要技术指标，需要引起测量人员的特别注意。如果在实际的电气测量中发现有仪表指针摆动幅度过大、摆动次数过多、误差较大等情况，应及时进行修理或更换，从而保证电气测量的精度。